一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的储能系统及其运行调控方法

本发明属于，尤其涉及一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的储能系统及其运行调控方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等可再生能源装机规模持续提升，电力系统中源侧出力波动加剧，迫切需要兼具大规模、长时、低成本和高效率特征的新型储能技术，同时，氢能作为重要的二次能源载体，在跨时段、跨场景能量调节中具有重要作用，因此，围绕热电储能、低温液化储能与高温电化学储能之间的耦合集成，已成为综合能源领域的重要发展方向。

2、热泵储电系统（pumped thermal energy storage，简称ptes），又称卡诺电池，是一种新型热电储能技术，其基本原理是在储能阶段利用逆循环将电能转化为高温热能和低温冷能分别储存，在释能阶段再通过热机循环将所储存的热能和冷能转化为电能输出，该类技术具有储能时长长、规模适应性强、储热储冷介质成本较低、适合大规模长时储能等优点，近年来已成为新型储能的重要发展方向，但现有ptes系统通常需要同时配置高温储热单元和低温储冷单元，其中高温储热部分体积较大、热损失较高，且在压缩热储存、传递与再利用过程中存在温差损失，导致释能阶段可利用温度下降，进而影响循环效率和输出功率。

3、液态空气储能系统（liquid air energy storage，简称laes）是一类将电能转化为液态空气低温势能进行储存，并在释能阶段通过液态空气泵送、加热、膨胀发电实现电能输出的长时储能技术，该类系统具有储能密度较高、建设灵活、适用于大规模长时储能等特点，现有laes系统在储能阶段通常需要空气液化，在释能阶段需要回收和利用低温冷能与压缩热，但其系统中冷能回收与热量匹配较为复杂，若独立配置冷储和热储装置，则系统结构较繁琐，换热环节较多，整体效率和经济性仍有进一步提升空间。

4、近年来，已有研究提出将热泵储电系统与液态空气储能系统进行耦合，形成热泵-液态空气储能系统（pumped thermal-liquid air energy storage，简称ptlaes），该类系统通常利用热泵储电子系统在储能阶段产生的低温冷能辅助液态空气储能系统空气液化过程，利用液态空气系统在释能阶段释放的冷能参与热泵储电子系统释能过程，从而提高液化效率和释能效率，进一步地，由于热泵储电子系统和液态空气储能子系统在高温侧均存在相近温度等级的压缩热，可以将两个系统的高温储热单元进行合并，利用高温多股流板翅式换热器进行间接传热，使高温填充床不再直接承受高压气体冲击，降低填充床承压等级和设备成本，但是，现有热泵储电与液态空气储能耦合系统仍主要围绕热能和冷能在两个物理储能系统之间的转移展开，尚未充分引入高温电化学储能环节。

5、具体而言，热泵储电系统和液态空气储能系统在储能阶段均会产生较高温度的压缩热，该部分高温热若仅通过蓄热器进行跨时存储，仍会存在储热设备体积较大、保温要求较高、热损失较大和系统构成复杂等问题；液态空气储能系统在释能阶段需要较高温热源加热高压空气后进入膨胀机做功，若依赖外部热源或独立储热装置，则会增加系统热源配置和运行调控复杂度；热泵储电系统在释能阶段同样需要高温热输入，以提高膨胀机组入口温度和输出功率。因此，仅将热泵储电与液态空气储能在冷端或热端进行物理耦合，仍难以充分解决高品位热量高效利用和长时化学储能协同的问题。

6、固体氧化物电池是一类高温电化学能量转换装置，其中，固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell，简称soec）在高温条件下吸收热量和电能，将水蒸气电解制取氢气；固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）则利用氢气等燃料在高温下进行电化学反应发电，并放出较高品位热量，该类技术具有能量转换效率高、可实现电-氢双向转换、高温余热品位高等特点，现有技术中，已有专利分别提出了物理储能与化学储能耦合系统、固体氧化物燃料电池联供系统以及多能互补系统，但多数方案仍以物理储能单元、液化储能单元和电化学单元相对独立配置为主，重点在于电能分流储存、尾气燃烧补热或多能联供，尚未充分利用ptlaes高温压缩热与soec吸热过程、sofc放热过程之间的内在温区匹配关系。

7、然而，固体氧化物电池单独运行时同样存在不足，固体氧化物电解池模式通常需要700～850℃甚至更高温度等级的热量输入，若依赖外部热源、独立电加热器或独立高温蓄热器，将增加系统供热负担和设备投资；若直接接入波动性可再生能源电力，则电堆电流、电堆温度、进气温度和气体利用率容易发生波动，影响电堆寿命和运行稳定性，固体氧化物燃料电池模式虽然能够输出电能并释放高温热，但其高温尾气若不能与匹配的高温用热环节直接耦合，往往只能通过常规余热锅炉、散热器或低品位供热方式利用，造成高品位热能利用不充分。

8、从能量利用机理来看，ptlaes系统在储能阶段产生高温压缩热，并同时形成液态空气及低温冷能；在释能阶段又需要冷能和高温热源协同参与做功，固体氧化物电池在soec模式下恰好需要高温吸热以降低电解电耗，在sofc模式下又可释放高品位高温热，由此可见，ptes、laes和soec/sofc三者在高温热利用与低温冷利用过程中具有明显的互补性，若将热泵储电系统、液态空气储能系统与固体氧化物电池进行深度耦合，可利用ptes与laes共同形成的高温压缩热为soec制氢提供热源，并通过低温多股流换热器进一步耦合ptes与laes冷端，同时在释能阶段利用sofc释放的高温热为ptes/laes联合释能提供高温补热，并可通过后燃烧室形成更高温度等级的烟气再次进行余热利用，从而实现电能、热能、冷能、液态空气和氢能之间的高效协同转换与梯级利用。

9、现有方案中，虽有公开了ptlaes系统、固体氧化物电池系统及其与其他能源系统的耦合思路，但尚未见到一种将热泵储电系统、液态空气储能系统与固体氧化物电池三者通过高温多股流换热器和低温多股流换热器进行双温区协同耦合的综合系统方案，因此，如何将热泵储电系统、液态空气储能系统和固体氧化物电池系统进行深度耦合，并通过能源综合管理平台实现源-网-荷-储统一调度，是目前长时储能及多能互补领域亟待解决的问题。

10、针对现有热泵储电系统需要同时配置独立高温储热单元和低温储冷单元、系统结构复杂且高温侧热损失较大的问题；针对液态空气储能系统冷能回收与压缩热利用过程换热环节较多、系统耦合程度不足的问题；以及针对固体氧化物电池soec模式运行过程中需要持续输入高温热、sofc模式运行过程中释放高温热但现有系统中高品位热利用不充分的问题，亟需提出一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的长时储能系统及其运行调控方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的储能系统及其运行调控方法，以解决现有热泵储电系统与液态空气储能系统耦合时高品位热能利用不充分、固体氧化物电池外部高温热源依赖性强以及三类系统之间缺乏电-热-冷-氢协同调控机制的问题。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的储能系统，包括：

4、热泵储电回路，包括有热泵储电驱动发电单元、热泵储电压缩膨胀机组、热泵储电膨胀压缩机组、多股流高温换热器、高温辅助蓄热器、多股流低温换热器、缓冲罐；

5、液态空气储能回路，包括液态空气驱动发电单元、液态空气压缩膨胀机组、液态空气膨胀低温泵、液态空气输送泵、液态空气储罐、多股流高温换热器、多股流低温换热器；

6、固体氧化物电池，为可逆高温电化学装置，能够在soec模式和sofc模式之间切换运行；

7、热泵储电回路的热泵储电压缩膨胀机组在储能阶段产生高温压缩热，液态空气储能回路的液态空气压缩膨胀机组在储能阶段同时产生高温压缩热，两路高温压缩热经多股流高温换热器共同传递至固体氧化物电池的进口工质；

8、热泵储电回路经多股流高温换热器后的低温工质经多股流低温换热器将冷能传递至液态空气储能回路，液态空气储能回路在释能阶段释放的冷能经多股流低温换热器回馈至热泵储电回路；

9、高温辅助蓄热器的容量小于热泵储电回路和液态空气储能回路独立运行所需的高温储热容量之和。

10、进一步地，储能系统还包括：

11、固体氧化物电解制氢回路，包括固体氧化物电池、储水罐、水泵、多股流回热器、气液分离器、氢气压缩机、氢气储气罐、第二空气风机、第二空气预处理装置、电池驱动发电单元、双向变流器，电池驱动发电单元通过双向变流器与能源综合管理平台连接；

12、固体氧化物燃料电池发电回路，包括固体氧化物电池、氢气储气罐、多股流回热器、后燃烧室、多股流高温换热器、电池驱动发电单元、双向变流器，电池驱动发电单元通过双向变流器与能源综合管理平台连接；

13、氢气储存回路，包括固体氧化物电池的阴极出口、多股流回热器、气液分离器、氢气压缩机及氢气储气罐，用于在储能阶段将soec模式产生的氢气进行冷却、分离、压缩和储存，并在释能阶段向sofc模式供给燃料气体。

14、进一步地，在储能阶段，热泵储电回路的热泵储电压缩膨胀机组对闭式工质进行压缩产生高温高压气体，液态空气储能回路的液态空气压缩膨胀机组对空气进行压缩产生高温高压空气；两路高温压缩热经多股流高温换热器共同传递至固体氧化物电解制氢回路，为soec进口水蒸气和空气提供高温热量；其中，固体氧化物电池以soec模式运行，利用可再生能源电力和高温热量进行电解水制氢，产生的氢气经气液分离器和氢气压缩机后存入氢气储气罐；热泵储电回路经多股流高温换热器换热后的工质进入热泵储电膨胀压缩机组膨胀降温，形成的低温工质进入多股流低温换热器，将冷能传递给液态空气储能回路，辅助空气液化；液态空气储能回路的空气经压缩和高温换热后进入多股流低温换热器吸收冷能，经液态空气膨胀低温泵膨胀后部分液化，存入液态空气储罐。

15、进一步地，在释能阶段，氢气储气罐释放氢气，经多股流回热器预热后送入固体氧化物电池阳极，空气经预处理后送入固体氧化物电池阴极，固体氧化物电池以sofc模式运行，将氢气化学能转化为电能输出；sofc阳极尾气和阴极尾气进入后燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气进入多股流高温换热器，将高品位热量同时传递给热泵储电释能回路的工质和液态空气释能回路的高压空气；液态空气储罐释放液态空气，经液态空气膨胀低温泵加压后进入多股流低温换热器，将冷能传递给热泵储电释能回路的工质，随后进入多股流高温换热器吸收高温热量，进入液态空气压缩膨胀机组做功发电；热泵储电释能回路的工质经多股流低温换热器获得冷能、经多股流高温换热器获得高温热量后，进入热泵储电膨胀压缩机组做功发电。

16、进一步地，高温辅助蓄热器的容量小于热泵储电系统和液态空气储能系统独立运行所需的高温储热容量之和；高温辅助蓄热器用于以下一种或多种工况的热量缓冲：

17、当soec吸热需求小于热泵储电储能回路和液态空气储能回路释放的高温压缩热之和时，储存多余高温热量；

18、当soec吸热需求大于热泵储电储能回路和液态空气储能回路释放的高温压缩热之和时，释放所储存的高温热量进行补热；

19、当sofc放热量与热泵储电释能回路和液态空气释能回路的吸热需求不匹配时，进行辅助热量调节。

20、进一步地，多股流高温换热器为多股流板翅式换热器、印刷电路板式换热器或管壳式多股流换热器中的一种，用于实现热泵储电储能压缩热、液态空气储能压缩热、soec进口水蒸气和空气、sofc尾气、后燃烧室高温烟气、热泵储电释能工质和液态空气释能工质之间的多流体间接换热；多股流低温换热器为板翅式换热器或管壳式换热器，用于实现热泵储电低温工质与液态空气储能/释能工质之间的冷能交换。

21、进一步地，能源综合管理平台分别与可再生能源发电单元、电网侧接口、用户负荷单元、热泵储电驱动发电单元、液态空气驱动发电单元、电池驱动发电单元、双向变流器电连接；能源综合管理平台用于接收可再生能源实时出力信息、电网调度信息、用户负荷需求信息、液态空气储罐液位和压力、氢气储气罐储氢状态、高温辅助蓄热器储热状态、固体氧化物电池温度状态，并根据上述信息确定系统运行模式及功率分配。

22、进一步地，热泵储电回路为闭式循环系统，循环气体工质为空气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种混合工质；液态空气储能回路的工质为空气，第一空气预处理装置用于对空气进行除湿、除尘和脱碳净化处理；液态空气储罐为真空粉末绝热或真空多层绝热低温储罐，并设置液位检测装置、压力检测装置、温度检测装置和安全阀；缓冲罐用于闭式热泵储电循环中工质质量平衡和压力稳定，通过补气或回收工质实现回路压力调节。

23、一种热泵-液态空气储能与固体氧化物电池耦合的储能系统运行调控方法，用于对上述储能系统进行运行调控，包括如下步骤：

24、s1、获取可再生能源出力信息、用户负荷需求信息、液态空气储罐液位状态、氢气储气罐储氢状态及缓冲罐压力状态；

25、s2、当可再生能源出力大于用户负荷需求、液态空气储罐未达储量上限且氢气储气罐未达储氢上限时，控制系统进入储能制氢模式：将富余电能分配至热泵储电驱动发电单元、液态空气驱动发电单元和电池驱动发电单元，热泵储电储能回路和液态空气储能回路产生的高温压缩热经多股流高温换热器共同供给固体氧化物电池进行soec模式制氢，热泵储电储能回路产生的低温冷能经多股流低温换热器辅助液态空气储能回路进行空气液化；

26、s3、当可再生能源出力不足或用户负荷需求较高、液态空气储罐和氢气储气罐具备足够储量时，控制系统进入释能发电模式：固体氧化物电池以sofc模式发电，sofc尾气经后燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气经多股流高温换热器同时供给热泵储电释能回路和液态空气释能回路，液态空气释能释放的冷能经多股流低温换热器供给热泵储电释能回路，实现联合发电；

27、s4、能源综合管理平台根据可再生能源出力波动、电网调度指令和用户负荷需求，动态调节热泵储电储能功率、液态空气储能功率、soec制氢功率、sofc发电功率、热泵储电释能功率和液态空气释能功率的分配。

28、进一步地，步骤s2和步骤s3中还包括以下调控步骤：

29、当可再生能源出力短时波动时，能源综合管理平台优先保持固体氧化物电池的温度和电流变化率在允许范围内，通过调节热泵储电驱动功率和液态空气压缩功率吸收波动电能；

30、当可再生能源持续富余时，逐步提高soec制氢负荷、热泵储电储能负荷和液态空气储能负荷，提高氢气储气罐储氢量和液态空气储罐储液量；

31、当用户负荷出现短时高峰时，优先调用电池驱动发电单元、热泵储电发电单元和液态空气发电单元联合供电；

32、当soec吸热需求与热泵储电和液态空气储能回路释放热量不匹配时，通过阀门调节进入多股流高温换热器和高温辅助蓄热器的工质流量比例；

33、当液态空气储能回路冷量需求与热泵储电储能回路低温冷量不匹配时，通过阀门调节进入多股流低温换热器的冷量分配比例。

34、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

35、1. 减少高温储热设备配置与投资，提高系统综合能效：本发明利用热泵储电系统与液态空气储能系统高温压缩热温区相近的特点，通过多股流高温换热器将两者压缩热间接耦合后共同供给soec，并由高温辅助蓄热器仅承担热量缓冲功能，而非设置独立大容量高温储热单元，可减少设备冗余、降低高温蓄热设备承压等级和制造成本，减少不可逆换热损失，提高系统综合能效。

36、2. 提高冷能回收利用率，增强低温侧协同能力：本发明通过多股流低温换热器实现热泵储电系统与液态空气储能系统低温侧的双向冷能耦合，储能阶段，ptes回路产生的低温冷量可用于辅助空气液化，提高液化率并降低深冷制冷负担，释能阶段，液态空气气化释放的冷量可为ptes释能回路提供低温冷源，提高循环温差和释能发电效率。

37、3. 降低soec外部补热需求，提高制氢效率和稳定性：储能阶段，ptes和laes产生的高温压缩热共同为soec进口水蒸气和空气提供热量，满足高温电解吸热需求，减少额外电加热或燃料补热需求，同时，通过能源综合管理平台协调热泵储电功率、液态空气储能功率和soec输入功率，避免电解电流频繁波动，提高制氢效率及电堆运行稳定性。

38、4. 充分利用sofc高品位余热，增强释能阶段联合发电能力：释能阶段，sofc发电及尾气后燃烧产生的高温热量优先用于同时加热ptes释能回路工质和laes释能回路高压空气，提高膨胀机入口温度、做功能力和系统输出功率，换热后的中温余热进一步用于预热sofc进口燃料和空气，实现高品位热量的梯级利用。

39、5. 提升可再生能源消纳能力和多时间尺度调节能力：电力富余时，可将可再生能源电力转化为ptes冷热能、laes液态空气物理储能及氢气化学储能，电力不足时，可通过ptes释能、laes释能和sofc联合发电输出电能，兼具物理储能快速调节和氢能长时储能能力，有利于提升波动性可再生能源的消纳水平。