一种变速恒频压缩空气储能发电系统
阅读说明：本技术 一种变速恒频压缩空气储能发电系统 (Variable-speed constant-frequency compressed air energy storage power generation system ) 是由 刘冲 王团结 宋晓辉 李毅 杨胜林 何信林 张文斌 倪继文 杨世强 张钢 谭祥帅 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种变速恒频压缩空气储能发电系统,包括高温压缩机组、储气装置、透平发电机组、变速恒频控制系统、循环冷却水系统以及回热系统；所述高温压缩机组利用低谷电能将空气压缩成高压状态的压缩空气,将高压低温的压缩空气注入储气装置,所述储气装置与透平发电机组相连；所述回热系统用于满足透平发电机组做工的工质温度；所述循环冷却水系统用于压缩机出口气体的二次换热以及高压透平进气的初加热。所述变速恒频控制系统用于将空气透平发电机组输出的机械能通过发电机/电动机运行在发电机状态向外输出变速的电能,将高质量电能输送至电网。从而补偿释能阶段因透平转速波动造成的网侧频率波动,实现变速恒频输出。(The invention discloses a variable-speed constant-frequency compressed air energy storage power generation system which comprises a high-temperature compressor unit, a gas storage device, a turbine generator set, a variable-speed constant-frequency control system, a circulating cooling water system and a heat regeneration system, wherein the high-temperature compressor unit is connected with the gas storage device through a pipeline; the high-temperature compressor unit compresses air into high-pressure compressed air by utilizing valley electric energy, and injects the high-pressure low-temperature compressed air into the air storage device, and the air storage device is connected with the turbine generator unit; the heat regenerative system is used for meeting the working medium temperature of the turbine generator set; and the circulating cooling water system is used for secondary heat exchange of the gas at the outlet of the compressor and primary heating of the high-pressure turbine inlet gas. The variable-speed constant-frequency control system is used for outputting variable-speed electric energy to the outside when mechanical energy output by the air turbine generator set runs in a generator state through a generator/motor and transmitting high-quality electric energy to a power grid. Therefore, the network side frequency fluctuation caused by the fluctuation of the turbine rotating speed in the energy release stage is compensated, and the variable-speed constant-frequency output is realized.)
技术领域
本发明属于电能储存技术领域，具体涉及一种变速恒频压缩空气储能发电系统。
背景技术
在大力发展风、光等新能源的过程中，其不利影响也逐渐凸显。一方面此类新能源出力具有波动性、间歇性的特点，不利于电网的稳定运行，严重影响风光发电并网；另一方面迅速增加的可再生能源装机容量以及分布式能源发电形式的出现，给新能源消纳、电网调频调峰带来更大的挑战，电网运行愈加复杂，西北、东北等清洁能源渗透水平较高地区，弃风、弃光问题严重，可再生能源消纳形势严峻。储能系统可快速、灵活调节系统功率，因而将各种储能装置应用到电力系统中，是解决上述问题的有效手段之一。
储能最大的优势是可充可放、响应速度快，在一次调频中作用明显，适用于功率型应用。目前作为电量型应用的大容量电储能技术仍然不成熟，较为成熟的抽水蓄能和化学电池储能也只能满足满负荷放电2-4小时，4小时放电的抽水蓄能电站单位造价是火电机组的约1.6倍，4小时放电能力的化学电池储能单位造价是火电机组的约2倍。其中抽水蓄能电站因建址条件及潜在生态环境等因素，发展已渐趋平缓。从技术方面看，锂离子电池在过充、过放、碰撞等外部因素下，可能引发安全问题，另外，由于锂离子电池使用了可燃材料，加剧了事故发生的概率。因此电池储能的安全隐患成了制约其发展的一个重要因素。近年来压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)，因容量大、寿命长、响应速度快等优点引起国内外大型企业及研究机构的高度关注。
先进绝热压缩空气储能(advanced adiabaticcompressed air energy storage，AA-CAES)是一种通过回收再利用空气压缩热能，摒弃常规CAES技术燃料补燃环节的清洁储能技术。AA-CAES具有效率高、成本低等特点，是目前CAES
技术领域
的主流趋势之一，其工作原理如图1所示。储能时，AA-CAES利用弃风(光)、低谷电等驱动压缩机，经绝热压缩(压缩系统)回收压缩热，解耦存储空气压力势能(储气库)和压缩热能(蓄热系统)；释能时，通过绝热膨胀(透平系统)利用压缩热能，实现空气压力势能和压缩热能的耦合释能发电。然而环境条件(如环境温度和压力)的变化会导致系统的非设计运行。非设计运行使CAES系统始终处于非稳态运行状态，给系统的优化运行和控制带来了困难。研究表明，非稳态运行对系统能量效率有明显影响；其次，研究表明，在释能后期，随着储气罐内气压降低，调节阀开度逐渐增大至偏离调节特性区间时，此时透平的转速及发电机出口频率会出现较大幅度的波动。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供了一种变速恒频压缩空气储能发电系统，将高质量电能输送至电网，从而补偿释能阶段因透平转速波动造成的网侧频率波动，实现变速恒频输出。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种变速恒频压缩空气储能发电系统，包括高温压缩机组、储气装置、透平发电机组、变速恒频控制系统、循环冷却水系统以及回热系统；
所述高温压缩机组利用低谷电能将空气压缩成高压状态的压缩空气，将高压低温的压缩空气注入储气装置，所述储气装置与透平发电机组相连；
所述回热系统用于满足透平发电机组做工的工质温度；
所述循环冷却水系统用于压缩机出口气体的二次冷却以及储气装置出口即高压透平进气的初加热。循环冷却水系统冷端采用机力通风冷却塔，配置一台变频电机调节。通过循环冷却水泵13增压后分别送至第一级压缩机出口的水-气换热器10-1和多级压缩机出口的水气换热器10-2，用于二次冷却油-气换热器出口的高温压缩空气。吸热后的循环冷却水与来储气装置出口的压缩空气经水-气换热器11换热(放热过程)，放热后的循环冷却水最终回至机力通风冷却塔，完成整个循环。
所述变速恒频控制系统用于将空气透平发电机组输出的机械能通过发电机/电动机1运行在发电机状态向外输出变速的电能，通过对变流器控制实现恒频输出，将高质量电能输送至电网。
所述储气装置5的进口与高温压缩机组相连，高温压缩机组经电动机与压缩机间SSS离合器4-1与同步发电机/电动机1相连，储气装置5的出口与透平发电机组相连，透平发电机组经发电机与透平机间SSS离合器4-2与同步发电机/电动机1。
所述高温压缩机组包括第一级高温压缩机2-1与第二级高温压缩机2-2，所述第一级高温压缩机2-1与第二级高温压缩机2-2之间设置有循环冷却水泵13，第一级高温压缩机2-1的进口经空气滤网15-1与大气连接。
所述透平发电机组包括第一级空气透平3-1和第二级空气透平3-2，所述第二级空气透平3-2排气经油气换热器9-1换热后进入第一级空气透平3-1中做功，第一级空气透平3-1的乏气通过放空消音器19后排入大气。
所述储气装置5的压缩空气出口依次设置水-气换热器11、空气干燥器14-3和透平进气滤网15-3，经过透平进气滤网15-3加热后的气体与来自高温储热装置7出口的高温导热油经油气换热器9-2换热，吸热后的高温高压空气进入第二级空气透平3-2做工，所述储气装置5的压缩空气出口与水-气换热器11之间设置有空气滤网15-2。
所述回热系统包括依次连接的低温储热装置6、油气换热器I8-1、油气换热器II8-2、高温储热装置7、油气换热器III9-1、油气换热器IV9-2，低温储热装置6用于存储低温导热油，油气换热器I8-1设在第一级高温压缩机2-1下游，第二级高温压缩机2-2上游，油气换热器II8-2设在第二级高温压缩机2-2下游，储气装置5上游，油气换热器I8-1、油气换热器II8-2利用低温导热油回收高温压缩机组压缩空气过程产生的压缩热，高温储热装置7储存高温导热油，油气换热器III9-1设置在第二级空气透平3-2下游且在第一级空气透平3-1上游，油气换热器IV9-2设置在储气装置5下游且在高压压缩机上游，油气换热器III 9-1、油气换热器IV9-2利用高温导热油加热储气装置5释放的压缩空气，用于满足透平做工的工质温度。
所述循环冷却水系统包括设置在油气换热器8下游且在储气装置5上游的水气换热器10，用于吸收压缩机出口经导热油换热后的低温余热，完成对压缩机出口气体的二次换热，在压缩空气储气装置5下游且在油气换热器9上游的水气换热器11，用于对来自储气装置5出口的高压冷空气换热，对进入第二级空气透平3-2的压缩空气进行初步加热，以及与水气换热器10连接的机力通风冷却塔16，实现气-水分离，除去压缩空气中掺杂的水蒸汽。
所述变速恒频控制系统包括发电机机侧开关20，同步发电机/电动机1经发电机机侧开关20接入四象限变流器21实现恒频控制，输出恒频的电能经移相变压器22进行滤波，最终经电网侧开关23接入主变压器24。
本发明的有益效果：
本发明利用四象限变流器将同步电机与压缩机和空气透平通过两个SSS离合器联系在同一主轴上，将储能过程和释能过程组成了一个完整的系统，储能阶段：通过变流器控制电机运行在第一象限时即同步电动机状态带压缩机压缩空气储能，实现了电能—压缩空气内势能的转换；释能阶段：第一阶段变流器控制同步电机运行于电动状态拖动透平升速，并根据设定转速和升速速率使轴系转速达到目标转速值，减少了冲转过程中存储能量的损失，同时提高了冲转过程中透平的稳定性。释能第二阶段，随着透平通入压缩空气，同步电机逐步从电动机状态转换到发电机状态，此时利用变流器的控制实现功率平滑的反向。在释能后期，随着储气罐内气压降低，调节阀开度逐渐增大至偏离调节特性区间时，这时透平的转速及发电机出口频率会出现较大幅度的波动，此时变流器协调控制系统参与调节，补偿因透平转速波动造成的网侧频率波动，实现变速恒频输出。
附图说明
图1为现有技术中AA-CAES系统示意图。
图2为根据本发明的一种变速恒频压缩空气储能发电系统图。
图中，1：同步发电机/电动机；2-1：第一级高温压缩机；2-2：第二级高温压缩机；3-1：第一级空气透平；3-2：第二级空气透平；4-1：电动机与压缩机间SSS离合器；4-2发电机与透平机间SSS离合器；5：储气装置；6：低温储热装置；7：高温储热装置；8：油气换热器(冷却器)9：油气换热器(回热器)；10：
水-气换热器(再冷器)，11：水-气换热器(预热器)；12：导热油泵；13：循环冷却水泵；14：空气干燥器；15：空气滤网；16：
通风冷却塔；17：低压旁路阀；18：高压旁路阀；19：消音器；20：发电机侧开关；21：四象限变流器；22：移相变压器；23：
电网侧开关；24：主变压器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，该压缩空气储能发电系统包括高温压缩机组、储气装置5、透平发电机组、变速恒频控制系统、循环冷却水系统以及回热系统。
储气装置5的进口与高温压缩机组相连，高温压缩机组经电动机与压缩机间SSS离合器4-1与同步发电机/电动机1相连，在储能阶段以电动机模式运行压缩空气，将高温压缩机组压缩的高压空气存储在储气装置5；储气装置5的出口与透平发电机组相连，透平发电机组经发电机与透平机间SSS离合器4-2与同步发电机/电动机1相连，在释能阶段以发电机模式运行，释放释能和内能做功。
轴系设置：在压缩阶段，电动机与压缩机间SSS离合器4-1将电动机/发电机1主轴与透平发电机组主轴脱开，电动机/发电机1经发电机与透平机间SSS离合器4-2与多级压缩机连接，作为压缩阶段的储能电源，多级压缩机通过减速箱与第一级高温压缩机2-1连接，减速箱采用固定传输比。提供第一级高温压缩机2-1储能电源；同时，第一级空气透平3-1(低压透平机LT)与第二级空气透平3-2(高压透平机HT)同轴连接，透平做功阶段，发电机与透平机间SSS离合器4-2将电动机/发电机主轴与压缩机主轴脱开，第二级空气透平3-2经电动机与压缩机间SSS离合器4-1与同步发电机/电动机1连接，在透平做工过程经发电机发电。通过两个SSS离合器的啮合/脱开，实现了储能和释能阶段压缩机与透平机的独立运行；
其中回热系统包括：油气换热器I(冷却器)8-1、油气换热器II(冷却器)8-2、高温储热装置7(高温导热油储罐)、油气换热器III(回热器)9-1、油气换热器IV(回热器)9-2、低温储热装置6(低温导热油储罐)；
低温储热装置6、油气换热器I(冷却器)8-1、油气换热器II(冷却器)8-2、高温储热装置7、油气换热器III(回热器)9-1、油气换热器IV(回热器)9-2依次连接，油气换热器IV(回热器)9-2的出口与低温储热装置6依次相连；
低温储热装置6存储低温导热油；油气换热器I(冷却器)8-1设在第一级高温压缩机2-1下游，第二级高温压缩机2-2上游，油气换热器II(冷却器)8-2设在第二级高温压缩机2-2下游，储气装置5上游。油气换热器I8-1、油气换热器II8-2利用低温导热油回收高温压缩机组压缩空气过程产生的压缩热；高温储热装置7储存高温导热油；油气换热器III(回热器)9-1设置在第二级空气透平3-2(高压透平机)下游且在第一级空气透平3-1(低压透平)上游，油气换热器IV(回热器)9-2设置在储气装置5下游且在高压压缩机上游，油气换热器III 9-1、油气换热器IV9-2利用高温导热油加热储气装置5释放的压缩空气，用于满足透平做工的工质温度。
其中，循环冷却水系统包括：设置在油气换热器(冷却器)8下游且在储气装置5上游的水气换热器(再冷器)10，用于吸收压缩机出口经导热油换热后的低温余热，完成对压缩机出口气体的二次换热。在压缩空气储气装置5下游且在油气换热器(回热器)9上游的水气换热器(预热器)11，用于对来自储气装置5出口的高压冷空气换热，对进入高压透平的压缩空气进行初步加热。以及与水气换热器(再冷器)10连接的机力通风冷却塔16，实现气-水分离，除去压缩空气中掺杂的水蒸汽。
其中，四象限变流器系统包括：发电机侧开关20可控IEGT，电网侧开关23可控IEGT。储能阶段：通过四象限变流器21控制电机运行第一象限时即同步电动机状态带压缩机压缩空气储能，此时电网侧开关23IEGT为整流运行，发电机侧开关20IEGT为逆变运行，作为压缩机电机变频电源；释能阶段：第一阶段变流器控制同步电机运行于电动状态拖动透平升速，并根据设定转速和升速速率使轴系转速达到目标转速值。随着透平通入压缩空气，同步电机逐步从电动机状态转换到发电机状态，此时利用变流器的控制实现功率反向。在释能初期，通过透平本身的调速系统，可以控制系统以恒速恒频运行方式输出。在释能后期，随着储气罐内气压降低，调节阀开度逐渐增大至偏离调节特性区间时，这时透平的转速及发电机出口频率会出现较大幅度的波动，此时变流器协调控制系统参与调节，补偿因透平转速波动造成的网侧频率波动，实现变速恒频输出。
其中变频器网侧再经过一个移相变压器22接入电网，用于抑制变流器运行中所产生的谐波。主要是高幅值的低次谐波的影响。
图2为根据本发明的一种变速恒频压缩空气储能发电系统的一个优选实施例。
具体地，在该实施例中，压缩阶段：高温压缩机组包括同步发电机/电动机1和串联的第一级压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2，第一级高温压缩机2-1的进口经空气滤网15-1与大气连接，高温压缩机组利用低谷电能将空气压缩成高压状态的压缩空气。经加压后的压缩空气依次经油气换热器(冷却器)8-1、水-气换热器(再冷器)10-1和空气干燥器14-1，初步加压冷却干燥后的气体进入第二级高温压缩机2-2，第二级高温压缩机2-2出口的高温、高压气体依次经过油-气换热器(冷却器)8-2，水-气换热器(再冷器)10-2空气干燥器14-2放热，最终高压低温的压缩空气注入储气装置5。
组合透平做功阶段：来自储气装置5的高压低温的压缩空气经空气滤网15-2后首先进入水-气换热器(预热器)11初步加热，加热后的气体经过空气干燥器14-3、透平进气滤网15-3后与来自高温储热装置7出口的高温导热油经油气换热器(回热器)9-2换热，吸热后的高温高压空气进入第二级空气透平3-2(高压透平)做功，第二级空气透平3-2(高压透平)排气经油气换热器(回热器)9-1换热后进入第一级空气透平3-1(低压透平)中做功，第一级空气透平3-1(低压透平)的乏气通过放空消音器19后最终排入大气。
其中来自通风冷却塔16的循环冷却水经循环冷却水泵13加压后进入水-气换热器(再冷器)10，吸收压缩机出口经导热油换热后的低温余热，完成对压缩机出口气体的二次换热，吸热后的循环冷却水进入水-气换热器(预热器)11与来自储气装置5出口的高压冷空气换热，对进入第二级空气透平3-2(高压透平)的压缩空气进行初步加热。
变速恒频控制系统：组合空气透平发电机组输出的机械能通过发电机/电动机1运行在发电机状态向外输出变速的电能，经发电机机侧开关20接入四象限变流器21实现恒频控制，输出恒频的电能经移相变压器22进行滤波，最终经电网侧开关23接入主变压器24，最终将高质量电能输送至电网。
上述实施例所述的变速恒频压缩空气储能发电系统利用四象限变流器21将同步电机与压缩机和空气透平通过两个SSS离合器联系在同一主轴上，将储能过程和释能过程组成了一个完整的系统，储能阶段：通过变流器控制电机运行在第一象限时即同步电动机状态带压缩机压缩空气储能，实现了电能—压缩空气内势能的转换；释能阶段：第一阶段变流器控制同步电机运行于电动状态拖动透平升速，并根据设定转速和升速速率使轴系转速达到目标转速值，减少了冲转过程中存储能量的损失，同时提高了冲转过程中透平的稳定性。释能第二阶段，随着透平通入压缩空气，同步电机逐步从电动机状态转换到发电机状态，此时利用变流器的控制实现功率平滑的反向。在释能后期，随着储气罐内气压降低，调节阀开度逐渐增大至偏离调节特性区间时，这时透平的转速及发电机出口频率会出现较大幅度的波动，此时变流器协调控制系统参与调节，补偿因透平转速波动造成的网侧频率波动，实现变速恒频输出。
本实施例中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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