一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统及方法

1.本发明属于储能技术领域，特别涉及一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统及方法。


背景技术：

2.加快构建以非碳基能源尤其是风能、太阳能等可再生能源为主体的新型电力系统势在必行。鉴于风能与太阳能资源受限于气象条件而呈现出波动性特征，其并网将会加剧电力系统中能量流的不确定性与无秩序性，导致需要电力系统具备极高的运行灵活性。储能系统具备能量分时存储与释放能力，运行灵活性高，可实现电能不平衡量(负荷与可再生能源功率之差)的时空转移，有利于提升可再生能源的并网容量等级。
3.一般，电能不平衡量具备多时间尺度波动特征，使得配套储能系统应具备平抑不同时间尺度波动的能力。在可再生能源并网容量尚不高时，中短时间尺度的电能不平衡量波动是电力系统运行的主要矛盾，使得业内在储能领域的研究重点集中在短时储能(分钟级)和长时储能(小时级)方面，为电力系统提供调频、调相和调峰等服务。然而，在能源脱碳驱动下，可再生能源所占份额将不断攀升，导致(超)长时间尺度的电能不平衡矛盾越来越突出，使得对超长时储能(数日、数周或数月级，含季节性储能)技术有了迫切需求。同时，高比例可再生能源为主的新型电力系统难以应对频发的自然灾害及其它不可抗因素的影响，超长时间储能系统能够在极端条件下保障电力系统安全。
4.现阶段，投入商用且具备超长时储能潜力的技术仅有抽水蓄能和压缩空气储能等两种形式，但在当下均属于长时储能技术范畴，还未真正具备超长时间储能能力。虽然抽水蓄能技术可在特定的地区具备实现超长时储能的可行性，但地形条件与枯水期问题使得其普适性受限。压缩空气储能技术是一种源于燃气轮机的机械储能技术，具备功率/能量范围宽、响应速度快、部分负荷性能优和使用寿命长等优势，是一种极具潜力的可推广至超长时储能领域的技术形式。另一方面，自耗散损失大使得当前技术难以实现以电能存储形式的超长时储能，通常需要转换为其它能源形式，如通过电制热和电转气等方式。然而，超长时储能的低频、长周期特征将导致为其配套的释能装置利用率严重不足。
5.综上，可再生能源在双碳目标驱动下将迎来快速增长，导致超长时间尺度的电能不平衡问题越来越明显，对现阶段常被忽略的超长时储能技术有了迫切需求。当前典型的长时储能技术压缩空气储能虽然具有超长时储能潜力，但受到了储气洞穴容积与压力条件的限制。另外，当下超长时储能仅可通过电转气或电转热等具备极低自身损耗的非电存储形式来实现，属于实现超长时间尺度储能的理想载体，但面临因超长时储能的低频长时间周期特征决定的为其配置的释能装置利用率严重不足问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统及方法，以克服现有超长时储能技术方面的不足，本发明将超长时储能技术电转气制氢与长时储能技
术压缩空气储能相结合，共用压缩空气储能的释能装置，以实现多尺度电能不平衡量的时空管理，增强电力系统的运行灵活性，提高可再生能源的并网容量。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统，包括压缩空气储能子系统和电转气制氢子系统；
9.所述压缩空气储能子系统包括同轴设置的低压压缩机和高压压缩机，且高压压缩机的轴通过第一离合器连接至电机，还包括同轴设置的低压透平和高压透平，且高压透平的轴通过第二离合器连接至电机，所述电机与电网连接；
10.所述低压压缩机的入口端与环境空气连通，低压压缩机的出口端通过中冷器换热后连接至高压压缩机的入口端，高压压缩机的出口端通过后冷器换热后连接至储气容积，所述储气容积的出口端通过预热器换热后与电转气制氢子系统产生的氢气共同连接至高压燃烧器，所述高压燃烧器的出口端连接至高压透平的入口端，高压透平的出口端与电转气制氢子系统产生的氢气共同连接至低压燃烧器，所述低压燃烧器的出口端连接至低压透平的入口端；
11.当用户负荷需求低于电力系统电能供应时，异质跨时间尺度复合储能系统运行于储能过程，压缩空气储能子系统的第一离合器啮合，第二离合器断开，电机运行于电动机模式，同时电转气制氢子系统制氢并存储；当用户负荷需求高于电力系统电能供应时，异质跨时间尺度复合储能系统运行于释能过程，压缩空气储能子系统的第一离合器断开，第二离合器啮合，电机运行于发电机模式，同时电转气制氢子系统释放氢气；当储气容积无可用压缩空气但需要电能输出时，异质跨时间尺度复合储能系统运行于简单发电模式，压缩空气储能子系统的第一离合器和第二离合器均啮合，电机运行于发电机模式。
12.进一步地，所述电转气制氢子系统包括水电解槽，所述水电解槽通过电网供电，水电解槽的入口端与供水管路连接，水电解槽的氧气出口端和氢气出口端分别经氧气压缩机和氢气压缩机连接至氧气储罐和氢气储罐，所述氢气储罐的出口端分别连接至高压燃烧器和低压燃烧器。
13.进一步地，所述水电解槽的氢气出口端还连接至氢运输端口。
14.进一步地，所述氢气储罐的出口端还连接至气网。
15.进一步地，所述中冷器和后冷器均通过冷却介质换热。
16.进一步地，所述预热器通过低压透平的排气换热。
17.一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能方法，当用户负荷需求低于电力系统电能供应时，异质跨时间尺度复合储能系统运行于储能过程；此时，电能不平衡量序列通过分频算法，提取电能不平衡量的不同时间尺度波动信息，并确定分配给压缩空气储能子系统和电转气制氢子系统的储能序列；对于压缩空气储能子系统，第一离合器啮合，第二离合器断开，电机运行于电动机模式，分配给压缩空气储能子系统的储能电功率序列驱动压缩机旋转，环境空气首先在低压压缩机中被升压后流入中冷器，冷却介质将压缩过程热带走后空气被冷却，随后空气被送入高压压缩机继续升压，升压后的空气在后冷器中将压缩过程热传递给冷却介质后被冷却，随后存入储气容积，对于电转气制氢子系统，分配给电转气制氢子系统的储能电功率序列实现制氢存储；
18.当用户负荷需求高于电力系统电能供应时，电能不平衡量为正，存在电能缺口，异
质跨时间尺度复合储能系统运行于释能过程，此时，电能不平衡量序列通过分频算法，提取电能不平衡量的不同时间尺度波动信息，并确定压缩空气储能子系统和电转气制氢子系统的释能序列及对应的空气流量与氢气流量，对于压缩空气储能子系统，第一离合器断开，第二离合器啮合，电机运行于发电机模式，储气容积中的高压空气根据空气流量需求进入预热器吸收透平排气余热进行预升温后进入高压燃烧器中，与电转气制氢子系统送来的一股氢气共同燃烧生成高温高压燃气，随后高温高压燃气流入高压透平膨胀做功，降温降压后的排气进入低压燃烧器，再次同电转气制氢子系统送来的另一股氢气共同燃烧升温后，被送入低压透平中膨胀做功，做功排气在预热器中将余热交换给从储气容积流出的高压空气后排空，同轴布置的高压透平和低压透平驱动发电机进行发电，弥补电能缺口；
19.当储气容积无可用压缩空气但需要电能输出时，异质跨时间尺度复合储能系统运行于简单发电模式，第一离合器和第二离合器()2均啮合，电机运行于发电机模式，压缩空气储能子系统按照燃气轮机循环运行发电。
20.进一步地，所述电转气制氢子系统包括水电解槽，所述水电解槽通过电网供电，水电解槽的入口端与供水管路连接，水电解槽的氧气出口端和氢气出口端分别经氧气压缩机和氢气压缩机连接至氧气储罐和氢气储罐，所述氢气储罐的出口端分别连接至高压燃烧器和低压燃烧器；
21.当异质跨时间尺度复合储能系统运行于储能过程时，对于电转气制氢子系统，分配给电转气制氢子系统的储能电功率序列通入电解水槽进行水电解，制取氧气和氢气，分别经氧气压缩机和氢气压缩机压缩后存储于氧气储罐和氢气储罐。
22.进一步地，当异质跨时间尺度复合储能系统运行于释能过程时，储气容积中的高压空气根据空气流量需求进入预热器吸收透平排气余热进行预升温后进入高压燃烧器中，与电转气制氢子系统中氢气储罐送来的一股氢气共同燃烧生成高温高压燃气，随后高温高压燃气流入高压透平膨胀做功，降温降压后的排气进入低压燃烧器，再次同氢气储罐送来的另一股氢气共同燃烧升温后，被送入低压透平中膨胀做功，做功排气在预热器中将余热交换给从储气容积流出的高压空气后排空。
23.进一步地，所述氢气储罐的出口端还连接至气网，当异质跨时间尺度复合储能系统运行于简单发电模式时，电转气制氢子系统中氢气储罐送来的氢气或气网送来的天然气送入燃烧器，压缩空气储能子系统按照燃气轮机循环运行发电。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
25.本发明基于超长时储能技术能够实现长时储能功能和压缩空气储能存在燃料接口等特点，将超长时储能技术电转气制氢与长时储能技术压缩空气储能相结合，共用释能装置，形成氢电耦合的异质跨尺度复合储能系统。该系统可实现宽时间尺度范围内的大规模能量可控转移，对于消纳高比例可再生能源、建设新型电力系统具有重要意义和科学价值。
26.进一步地，本发明系统不仅具备跨时间尺度(长时间尺度与超长时间尺度)、异质储能(储氢与储电)与零碳排放(燃氢)特征，而且还可使得压缩空气储能系统在原先储能和释能空闲模式基础上，增加了简单发电模式，加之电转气制氢属于柔性电力负载，使得该系统具备更宽的调节范围与更灵活的运行特性。
27.进一步地，通过连接气网，本发明系统除在极端情况下使用天然气外，其他时间均
采用氢气补燃，可以实现零碳排放，还可以提高释能阶段的透平进口温度以提升释能功率等级，还可通过燃空比改变来调节透平进口温度实现宽范围的释能功率调整。
28.进一步地，本发明的电转气制氢方式除了在时间尺度上能够实现能量波动管理，还在空间尺度上因氢介质的存在能够通过氢输运(液氢运输或天然气管道掺氢输送)实现能量的空间转移与更宽地域范围内的能量供需平衡，可有效缓解输电网络阻塞，降低对电网的升级需求。另外，氢介质的存在使得系统具备与多种系统耦合的潜力，不仅可实现综合能源系统中的电网-气网解耦，还可以通过进一步的化工过程制备甲烷、氨或其他液体燃料等介质，实现更广范围内的能量储存与综合利用。
附图说明
29.说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明的一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统结构示意图。
31.其中，1、第一离合器；2、第二离合器；3、电机；4、低压压缩机；5、中冷器；6、高压压缩机；7、后冷器；8、储气容积；9、预热器；10、高压燃烧器；11、高压透平；12、低压燃烧器；13、低压透平；a1、水电解槽； a2、氧气压缩机；a3、氢气压缩机；a4、氧气储罐；a5、氢气储罐。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明实施例做详细描述：
33.本发明将压缩空气储能技术与电转气制氢技术进行耦合，通过借鉴燃氢燃气轮机技术，共用压缩空气储能系统的释能装置，形成一种基于压缩空气储能且氢电耦合的异质跨尺度复合储能系统。该系统具备储能、释能和简单发电等三种运行模式。
34.本发明系统包含压缩空气储能子系统、电转气制氢子系统和其他能量/ 物质接口。其中，压缩空气储能子系统包括空气压缩机、气体冷却器、储气容积、气体预热器、燃氢燃烧器、透平、离合器及发电机/电动机等核心部件；电转气制氢子系统包含水电解槽、氢气压缩机、氧气压缩机、氢气储罐和氧气储罐等核心部件；另外还包括可扩充热能接口、氧气接口、氢气移动运输端和氢气掺混经气网输送接口等，同时极端情况下可提供燃料气的气网输入端口。
35.用户负荷需求与电力系统电能供应作差后形成的具备正负交替特征的电能不平衡量，若为负电能不平衡量，存在多余电能，系统运行于储能模式，反之运行于释能模式。同时，电能不平衡量通过分频算法，如频谱分解、小波分解等，提取电能不平衡量的不同时间尺度波动特征，以制定在储能/释能过程中系统内不同子系统的储能/释能序列。
36.当运行于储能模式时，分配给压缩空气储能子系统的储能电功率序列驱动压缩机旋转，环境空气被压缩且在空气冷却器中降温后存入储气容积，使得储气容积内的空气总量和气压升高。同时，分配给电转气制氢子系统的储能电功率序列通入电解水槽进行水电解，制取氧气和氢气，分别经氧气压缩机和氢气压缩机压缩后存储于氧气储罐和氢气储罐内。
37.当运行于释能模式时，分频算法确定的子系统释能序列可确定对应的空气流量与氢气流量。压缩空气储能子系统储气容积中的高压空气根据空气流量需求进入空气预热器
吸收透平排气余热进行预升温，随后在燃氢燃烧器中与电转气制氢子系统中氢气储罐送来的氢气共同燃烧，空气进一步升温后进入透平膨胀做功。做功排气在空气预热器中将余热交换给从储气容积流出的高压冷空气后排空。
38.当储气容积无可用压缩空气但需要电能输出时，该复合储能系统运行于简单发电模式，即燃气轮机运行模式，此时系统以电转气制氢子系统的氢气储罐氢气或气网天然气为燃料，按燃气轮机原理运行发电。
39.本发明的复合储能系统不仅具备跨时间尺度(长时间尺度与超长时间尺度)、异质储能(储氢与储电)与零碳排放(燃氢)特征，而且还可使得压缩空气储能系统在原先储能和释能空闲模式基础上，增加了简单发电模式，加之电转气制氢属于柔性电力负载，使得该系统具备更宽的调节范围与更灵活的运行特性。
40.本发明复合储能系统除在极端情况下使用天然气外，其他时间均采用氢气补燃，可以实现零碳排放，还可以提高释能阶段的透平进口温度以提升释能功率等级，还可通过燃空比改变来调节透平进口温度实现宽范围的释能功率调整。
41.本发明的复合储能系统的电转气制氢方式除了在时间尺度上能够实现能量波动管理，还在空间尺度上因氢介质的存在能够通过氢输运(液氢运输或天然气管道掺氢输送)实现能量的空间转移与更宽地域范围内的能量供需平衡，可有效缓解输电网络阻塞，降低对电网的升级需求。另外，氢介质的存在使得系统具备与多种系统耦合的潜力，不仅可实现综合能源系统中的电网
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气网解耦，还可以通过进一步的化工过程制备甲烷、氨或其他液体燃料等介质，实现更广范围内的能量储存与综合利用。
42.本发明系统借鉴燃氢燃气轮机技术，将超长时储能技术电转气制氢与长时储能技术压缩空气储能相结合，共用压缩空气储能的释能装置，有助于对不同时间尺度的可再生能源波动进行平抑，对于建设新型电力系统、实施双碳目标具有重要的现实意义。
43.实施例
44.一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统，参见图1。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
45.参照图1，一种氢电耦合的异质跨时间尺度复合储能系统示意图来详细描述其工作原理。该系统主要由压缩空气储能子系统、电转气制氢子系统和相关能量/物质接口组成。其中，压缩空气储能子系统含有低压压缩机4、中冷器5、高压压缩机6、后冷器7、储气容积8、预热器9、高压燃烧器10、高压透平11、低压燃烧器12、低压透平13、第一离合器1、第二离合器2 和电机3等部件，电转气制氢子系统包括水电解槽a1、氧气压缩机a2、氢气压缩机a3、氧气储罐a4和氢气储罐a5。
46.主要工作原理描述如下：
47.用户负荷需求与电力系统电能供应相减后形成的电能不平衡量不仅具备正负交替特征，而且还具备多时间尺度波动特征。根据电能不平衡量的正负交替特征，该异质跨时间尺度复合储能系统工作过程可分为储能过程和释能过程。
48.当用户负荷需求低于电力系统电能供应时，电能不平衡量为负，存在多余电能，异质跨时间尺度复合储能系统运行于储能过程。此时，电能不平衡量序列通过分频算法，提取电能不平衡量的不同时间尺度波动信息，并确定分配给压缩空气储能子系统和电转气制氢子系统的储能序列。对于压缩空气储能子系统，第一离合器1啮合，第二离合器2断开，电机3
运行于电动机模式。分配给该子系统的储能电功率序列驱动压缩机旋转，环境空气首先在低压压缩机4中被升压后流入中冷器5，冷却介质将压缩过程热带走后空气被冷却，随后空气被送入高压压缩机6继续升压，升压后的空气在后冷器7 中将压缩过程热传递给冷却介质后被冷却，随后存入储气容积8，使得储气容积8内的空气总量和气压升高。对于电转气制氢子系统，分配给该子系统的储能电功率序列通入电解水槽a1进行水电解，制取氧气和氢气，分别经氧气压缩机a2和氢气压缩机a3压缩后存储于氧气储罐a4和氢气储罐a5。
49.当用户负荷需求高于电力系统电能供应时，电能不平衡量为正，存在电能缺口，异质跨时间尺度复合储能系统运行于释能过程。此时，电能不平衡量序列通过分频算法，提取电能不平衡量的不同时间尺度波动信息，并确定压缩空气储能子系统和电转气制氢子系统的释能序列及对应的空气流量与氢气流量。对于压缩空气储能子系统，第一离合器1断开，第二离合器2啮合，电机3运行于发电机模式。储气容积8中的高压空气根据空气流量需求进入预热器9吸收透平排气余热进行预升温后进入高压燃烧器10中，与电转气制氢子系统中氢气储罐a5送来的一股氢气共同燃烧生成高温高压燃气，随后高温高压燃气流入高压透平11膨胀做功，降温降压后的排气进入低压燃烧器 12，再次同氢气储罐a5送来的另一股氢气共同燃烧升温后，被送入低压透平13中膨胀做功，做功排气在预热器9中将余热交换给从储气容积8流出的高压空气后排空。同轴布置的高压透平11和低压透平13驱动发电机进行发电，弥补电能缺口。另外，送入高压燃烧器10和低压燃烧器12的氢气流量总和等同于分频算法计算值。
50.当储气容积8无可用压缩空气但需要电能输出时，系统运行于简单发电模式，第一离合器1和第二离合器2均啮合，电机3运行于发电机模式。电转气制氢子系统中氢气储罐a5送来的氢气或气网送来的天然气送入燃烧器，压缩空气储能子系统按照燃气轮机循环运行发电。
51.本发明的异质跨时间尺度复合储能系统存在多种能量/物质接口。压缩空气储能子系统在储能阶段的压缩过程热在中冷器5和后冷器7中被冷却介质带走，此部分热能可进一步使用。电转气制氢子系统储存在氢气储罐a5中的氢气可以送往异地利用，如通过氢运输或利用天然气网络输送等；同时，在极端情况下该异质跨时间尺度复合储能系统也可利用气网的燃料气体实现释能。
52.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。