一种基于压缩气体储能的风光电力配置系统及运行方法与流程

本发明涉及动力工程及工程热物理领域，尤其涉及一种基于压缩气体储能的风光电力配置系统及运行方法。

背景技术：

1、随着全球能源转型进程的加速，光伏和风力发电等可再生能源的装机容量持续快速增长。然而，风光发电具有显著的间歇性、波动性和随机性特点，如图1所示，其出力无法被人为精确控制，既存在昼夜、季节等规律性变化，也会因云层飘过、风速突变等因素产生剧烈的短时波动。这给电力系统的稳定运行和可再生能源的高效消纳带来了巨大挑战。

2、压缩气体储能技术因其储能规模大、使用寿命长、建设成本较低、环境友好等优势，被认为是最具发展前景的大规模长时储能技术之一。但在实际应用中，压缩气体储能系统存在一个核心瓶颈：压缩机的稳定工作区间有限，变频范围较窄。由于压缩机存在喘振和堵塞边界，其只能在较小的功率范围内高效稳定运行，导致系统的功率调节能力严重不足。当风光出力低于压缩机的最小运行功率时，压缩机无法启动或只能低效运行，无法实时匹配剩余电力，从而造成大量的弃风弃光现象。

3、现有技术中，为解决上述问题，通常采用单纯增加电池储能容量的方式来平抑风光波动，但电池储能的单位容量成本较高，大规模应用会显著提升系统的整体投资。另有部分技术将冷热生产系统与储能系统结合，但多采用独立调度模式，未能实现能量的梯级优化利用，系统的整体运行效率和经济性仍有待提升。

技术实现思路

1、本发明针对现有压缩气体储能系统因压缩机变频范围窄、功率调节能力不足，难以有效消纳波动性风光电力，导致弃风弃光率高；单纯依赖电池储能平抑波动成本过高，现有冷热与储能结合系统调度不合理、运行效率低的问题，提供一种基于压缩气体储能的风光电力配置系统及运行方法，通过构建压缩气体储能为主、冷热生产和电池储能为辅的梯级消纳体系，避免了压缩气体储能系统在低负荷下的低效运行，确保了所有风光电力都能被即时利用或存储，从根本上解决了弃风弃光问题。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：

3、本发明第一方面提供一种基于压缩气体储能的风光电力配置系统，包括：

4、风光发电系统，用于产生可再生电力，所述风光发电系统包括光伏发电站和/或风力发电站；

5、压缩气体储能系统，用于将风光发电系统所产生的电能转化压缩气体储能；

6、电池储能系统，用于快速响应式电能存储；

7、冷热生产装置，用于将电能转化为冷能或热能并供给冷热用户；

8、控制单元，分别与所述风光发电系统、压缩气体储能系统、电池储能系统、冷热生产装置电连接；所述控制单元被配置为执行如下运行策略：优先将风光发电系统产生的电力输送至压缩气体储能系统进行存储；当风光发电系统的实时出力低于驱动压缩气体储能系统所需的最小功率阈值时，将电力优先调度至冷热生产装置；若冷热用户无冷热需求，则将电力调度至电池储能系统进行存储；当风光发电系统的出力上升至最小功率阈值以上时，恢复由压缩气体储能系统作为主要电力消纳方；在风光发电系统无出力时段，控制电池储能系统和压缩气体储能系统根据电网的实时电价向电网放电。

9、优选地，所述压缩气体储能系统包括压缩-冷却模块、加热-膨胀模块、高压气体存储装置、低压气体存储装置和储热装置；

10、所述压缩-冷却模块的进气端经第一旋塞阀与低压气体存储装置连通，出气端经第二旋塞阀与高压气体存储装置连通；

11、所述加热-膨胀模块的进气端经第三旋塞阀与高压气体存储装置连通，出气端经第四旋塞阀与低压气体存储装置连通；

12、所述储热装置的热入口经第五旋塞阀与压缩-冷却模块的热出口连通，热出口经第六旋塞阀与加热-膨胀模块的热入口连通，用于存储压缩过程产生的压缩热并为膨胀做功过程提供热源。

13、优选地，所述压缩-冷却模块由多台压缩机和多台冷却器通过并联方式构成；所述加热-膨胀模块由多台加热器和多台膨胀机通过并联方式构成。

14、优选地，所述低压气体存储装置为低压储气容器或大气环境。

15、优选地，所述冷热生产装置包括储热水电加热单元、制冷机组和蓄冷单元；

16、所述储热水电加热单元的电力输入端与风光发电系统连接，热能输出端与冷热用户连接；

17、所述制冷机组的电力输入端与风光发电系统连接，冷能输出端与蓄冷单元的输入端连接，所述蓄冷单元的输出端与冷热用户连接。

18、优选地，所述电池储能系统的充放电端与电网连接，所述压缩气体储能系统的电力输出端与电网连接。

19、优选地，所述电池储能系统的额定容量等于压缩气体储能系统未消纳的风光电力总能量；所述冷热生产装置的最大供冷/供热能力等于压缩气体储能系统未消纳的风光电力总能量与对应能源转换性能系数的乘积。

20、优选地，所述控制单元还被配置为：分析项目所在地的风光资源特性，确定风光发电的有效出力时间窗口；根据压缩气体储能系统的最小运行功率阈值，确定独立储能时间窗；当当前时间处于独立储能时间窗内时，直接将全部风光电力输送至压缩气体储能系统。

21、本发明第二方面提供一种基于压缩气体储能的风光电力运行方法，所述方法包括以下步骤：

22、s1、获取风光发电系统的实时出力数据、压缩气体储能系统的最小运行功率阈值、冷热用户的冷热需求数据以及电网的实时电价数据；

23、s2、判断风光发电系统的实时出力是否大于等于所述最小运行功率阈值，若是，则执行步骤s3；若否，则执行步骤s4；

24、s3、将风光发电系统产生的全部电力输送至压缩气体储能系统进行存储；

25、s4、判断是否存在用户冷热需求，若是，则执行步骤s5；若否，则执行步骤s6；

26、s5、将电力优先输送至冷热生产装置以满足用户需求，剩余电力输送至电池储能系统进行存储；

27、s6、将全部电力输送至电池储能系统进行存储；

28、s7、当风光发电系统无出力时，根据电网电价控制电池储能系统和压缩气体储能系统向电网放电或停机。

29、优选地，步骤s1之前还包括系统预配置步骤：

30、s01、分析项目所在地的光照和风力资源特性，确定风光发电的有效出力时间窗口；

31、s02、根据压缩气体储能系统的设计参数，确定其储能功率运行范围；

32、s03、基于风光出力特性和压缩气体储能系统的最小运行功率，确定独立储能时间窗，其中和分别为风光出力首次达到和最后低于的时刻。

33、优选地，步骤s2具体为：

34、s21、判断当前时间

time是否处于独立储能时间窗内，若是，则执行步骤s3；

35、s22、若否，则判断当前时间

time是否处于有效出力时间窗口内，若是，则执行步骤s4；若否，则执行步骤s7。

36、优选地，步骤s7具体为：

37、s71、获取当前电网电价，判断是否高于预设放电电价阈值；

38、s72、若是，则优先控制电池储能系统向电网放电，当电池储能系统放电至剩余容量低于预设阈值时，启动压缩气体储能系统向电网放电；

39、s73、若否，则控制电池储能系统和压缩气体储能系统均处于停机状态。

40、优选地，还包括系统规模确定步骤：

41、s8、计算压缩气体储能系统在独立储能时间窗内消纳的总能量；

42、s9、计算风光发电系统在有效出力时间窗内产生的总能量；

43、s10、计算压缩气体储能系统未消纳的额外能量；

44、s11、根据确定电池储能系统的额定容量为，确定冷热生产装置的最大供能能力为，其中

cop为冷热生产装置的性能系数。

45、本发明有如下有益效果：

46、1.本发明通过构建压缩气体储能为主、冷热生产和电池储能为辅的梯级消纳体系，避免了压缩气体储能系统在低负荷下的低效运行，确保了所有风光电力都能被即时利用或存储，从根本上解决了弃风弃光问题。

47、2.本发明通过冷热生产装置将剩余电力转化为用户所需的冷热能，产生即时的经济收益；电池储能仅用于平抑短时小功率波动，所需容量大幅降低，显著减少了系统投资；峰谷电价优化放电策略进一步提高了储能系统的收益。

48、3.本发明通过压缩气体储能负责大规模长时储能，电池储能负责快速响应，冷热生产装置提供灵活的负荷调节能力，三者协同工作，能够适应不同场景下的风光出力波动和用户需求变化。

49、4.本发明通过建立各子系统规模与压缩气体储能未消纳能量之间的定量关系，实现了系统的规模适配，为系统的经济性设计和工程应用提供了明确的指导。