典型園區冷熱電儲能系統特性分析與建模

丁愛飛

（1.國電南瑞吉電新能源（南京）有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

為滿足我國的“30·60”碳達峰、碳中和目標[1]，解決能源供應問題，增加新能源消費比例、提高能源綜合利用率至關重要。儲能技術是實現新型電力系統和“30·60雙碳目標”的核心技術，也是綜合能源系統中的關鍵技術環節。雖然分布式能源在能效使用、損耗減少、環境污染減輕、運作靈活性方面具有優勢，但在其發展中也面臨著能源供應不穩定和能源利用效益低的問題[2]。儲能被認為是解決這些問題的有效方式，具有快速響應和精確補償的優點[3]，能夠有效解決分布式能源的一系列問題。然而，儲能系統的實際應用卻面臨很多挑戰。首先，由于應用環境的多樣性和復雜性，因此每個不同的應用場景都有其獨特需求。其次，如何有效地組合和配置各類能源形式并優化其運行策略，以最大程度發揮其效益，也是一個亟待解決的問題。

針對這些問題，該文對典型園區冷熱電儲能系統的特性進行了深入分析，并以此為基礎，建立各元件冷-熱-電能源形式的等效模型，為園區冷熱電儲能系統的應用提供重要的理論依據和技術支持。

1 典型儲能系統特性分析

分布式儲能的運行情況對其被應用的場景環境有顯著的依賴性[4]，例如熱電聯供場景、消耗可再生能源場景、削峰填谷和后備電源等場景。該文選取預制艙式儲能系統、高溫相變復合儲熱系統和液化空氣儲能系統進行分析，建立典型儲能系統數據庫，在不同的應用場景中配置適合的儲能可以最大限度地發揮其作用。

1.1 預制艙式儲能系統

預制艙因其緊湊的結構和占地面積小的特點，在儲能系統多樣化的應用場景中具有較大優勢。預制艙還能夠實現“工廠化預制、模塊化建設”，縮短建設周期。

預制艙儲能系統一體化安全管控策略主要考慮如下方面：1）針對熱失控問題，可以采用物理降溫方式控制燃爆方向發展。2）加強電管理，包括電池荷電狀態（SOC）、電池健康狀態（SOH）、電池功率狀態（SOP）等，基于大量試驗數據做人工智能算法，進行狀態估計，并在使用過程中用算法進行優化。3）熱管理方面，將冷卻介質和滅火器深入一些模組里，以加強熱管理并達到冷卻效果。4）防護方面，利用相關的電池阻燃隔熱方式。5）消防方面，采用氣液復合方式降溫并可抑制復燃。除針對電池儲能內部整體安全進行保護防控外，預制艙外部還采用復合材料包覆，內部增加阻隔，以此盡量減少相互影響。

預制艙式儲能系統由多套混合儲能系統組成，每套混合儲能系統都包括儲能單元和相應的配電單元，共同放置在一個集裝箱內。超級電容儲能裝置由超級電容模組、超級電容管理系統（CMS）、機柜及控制回路等部分組成。鋰電池儲能系統由電池組、電池管理系系統（BMS）和總控柜組成。超級電容顯影速度快，但能量密度低；鋰電池相應速度慢，但能量密度高。由超級電容儲能裝置和鋰電池儲能系統構建的混合儲能系統[5]能夠有效滿足小型電網系統對能量和功率特性的雙重要求，同時解決電網中電壓和頻率的波動問題。采用濾波器將波動的儲能系統整體功率指令分解為高頻分量和低頻分量，并采用計劃功率差額控制策略，通過對功率變化的頻率檢測，確定功率指令由電池儲能系統或超級電容儲能系統執行，從而達到協調2 種儲能平抑功率的目的。

1.2 高溫相變復合儲熱系統

相變蓄熱是一種建立在相變儲能材料上的先進儲能技術，主要類別包括顯熱蓄熱、熱化學蓄熱以及相變蓄熱，其儲熱密度遠超顯熱蓄熱。因為其能有效解決能源供應時間和空間的沖突，所以被認為是提升能源效率的關鍵方式之一，尤其在熱能供應不連續或供需匹配問題上，它的優勢尤為明顯。得益于其穩定的溫度表現和高蓄熱密度，該系統受到了廣泛的關注和研究。

蓄熱技術是提升能源效率和環保的關鍵技術，它解決了熱能供需失配的問題，廣泛應用于太陽能利用、電力調峰、廢熱、余熱的回收利用和工業、民用建筑的節能。其主要方法包括顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學反應蓄熱。顯熱蓄熱通過物質溫度升高來儲存熱量，簡單且成本低，但儲熱量小。化學反應蓄熱利用可逆化學反應儲存熱能，是一種高密度高能量的蓄熱方式，儲能密度高于顯熱和潛熱。潛熱蓄熱利用物質相變過程吸收或放出潛熱儲存能量，儲熱量非常大且放熱溫度恒定，但儲熱介質可能存在過冷、相分離且易老化等問題。

根據應用溫度的區間，潛熱蓄熱材料（也稱為相變蓄熱）可以被分類為高溫、中溫和低溫3 個種類。高溫的相變材料顯示出一定的高溫抗腐蝕特性，通常需要進行封閉式包裝保護處理。這種經封裝處理的相變材料擁有眾多優勢[6]，受到廣泛研究，具有廣闊的應用前景。

裝置采用自主研發的高溫相變儲熱材料，相變溫度710℃、平均儲熱密度1077kJ/kg。工程首次采用相變蓄熱技術吸收式制冷技術，以實現熱能的高密度存儲與綜合利用，其控制功能先進，具有氣候自動補償、分時段控制等控制功能，可進行熱、冷的按需供應，提升系統運行經濟性。

高溫相變儲熱裝置分為夏季供冷和供給供暖2 種工況，提高了設備利用率和效益，并以熱能高效存儲為核心，可實現用戶用冷、用熱負荷的靈活可控，發揮移峰填谷作用；使負荷跟蹤新能源出力，提高新能源消納能力；推進再電氣化，服務新能源發展。項目對解決燃煤燃氣帶來的大氣環境污染問題、提高電力清潔供暖的經濟性和技術推廣性具有較好的借鑒意義。

1.3 液化空氣儲能系統

目前儲存可再生能源的方式較多，但絕大多數儲能技術在存儲間歇性可再生能源方面均面臨巨大挑戰，同時也會受地理環境條件的制約。而液化空氣儲能技術是一種解決可再生能源間歇性存儲問題的有效方法。

液化空氣儲能系統的運行主要分為3 個階段：液化階段、儲能階段和電力恢復階段。1）液化階段。空氣液化裝置對環境中的空氣進行清潔和壓縮，并在熱交換器中與源于氣液分離器和蓄冷裝置的冷空氣進行熱交換冷卻。然后經過膨脹機和節流閥，在氣液分離器中將該過程中分化產生的氣態和液態進行分離。分離后的冷空氣會返回熱交換器中，用于冷卻由壓縮機壓縮的空氣。2）儲能階段。經分離得到的液態形式空氣流入液化空氣儲罐，使消耗的電能轉化為冷能的形式進行儲存。3）電力恢復階段。儲存在低溫儲罐中的液態空氣被引出，經過低溫泵加壓后送入氣化熱交換器吸收熱能并轉化為氣體，進入熱交換器進一步進行升溫升壓。然后高壓氣體流入透平，從而驅動發電機發出電能。從透平中出來的高溫空氣經熱交換器和氣化熱交換器冷卻后流入蓄冷裝置，與熱交換器中被壓縮機壓縮的空氣進行熱能交換。基于液化空氣儲能的冷熱電氣綜合利用裝置流程如圖1 所示。

圖1 基于液化空氣儲能的冷熱電氣綜合利用裝置流程

液化空氣儲能循環是林德循環（液化階段）和朗肯循環（電力恢復階段）的結合，但液化階段并非完全符合傳統的林德循環，膨脹機出口的冷空氣和在朗肯循環中損耗的部分有效能被用于冷卻膨脹機的入口空氣。因此，林德循環的有效能輸入來自朗肯循環和壓縮機。實際的功效受外部環境的影響和實際循環效率的制約而降低。除去內部循環的不可逆損耗，林德循環出口的有效能以液態空氣的形式存在。在朗肯循環中，透平的輸出功不僅源于液化階段的能量輸入，還包括來自外部環境的熱量輸入，同時也會有有效能的損耗，其大小超過輸入熱交換器中的有效能，因此需要充分利用熱交換器中的有效能，以提升循環效率。朗肯循環的有效能損耗會受透平入口壓力的影響，高壓會導致低損失。在高壓、高飽和溫度下，有效能損失較小。液化空氣儲能循環表明，液化過程所需功大于液態空氣膨脹做的功，即使絕熱膨脹。因此，需要通過聯合液化和膨脹過程，使用熱力恢復來提升整體效率。

液化空氣儲能使用的能量存儲媒介沒有化石能源的參與，使用的是環境空氣。通常，環境空氣與液態空氣的轉化比為700 ∶1，因此以液態空氣作為媒介具有較高的能量存儲密度。

液化空氣儲能系統具有如下特點：1）通過蓄熱、蓄冷等技術實現園區冷熱電氣的綜合供給，滿足用戶多樣化能源需求。2）利用超低溫蓄冷技術，儲冷溫度可達負150℃。3）采用低損耗換熱技術設計了高效蒸發器，以實現高壓力、小溫差換熱。4）采用高負荷、寬工況級間再熱膨脹發電機組設計，解決透平膨脹機偏離額定工況時的效率下降問題，使調節高效、靈活。

該系統以壓縮空氣儲能裝置為核心，利用園區內光伏、光熱和風電等新能源，實現用戶用冷、用熱負荷的靈活可控，發揮移峰填谷作用。

2 典型儲能系統的等效模型

在特性分析的基礎上建立預制艙式儲能系統、高溫相變復合儲熱系統和液化空氣儲能系統的等效模型。

2.1 預制艙式儲能系統模型

預制艙式儲能系統由多個混合儲能系統構建而成，由超級電容儲能系統和鋰電池儲能系統組成的混合儲能系統包括儲能單元和相應的配電單元，二者共同放置于一個集裝箱內，其等效模型如公式（1）～公式（4）所示。

2.2 高溫相變復合儲熱系統模型

在電力使用的低峰時段，高溫相變蓄熱復合系統通過電熱元件將電能轉化為高溫熱能，并將其儲藏在復合相變蓄熱物質單元中。當熱能需求增加時，通過板式熱交換器進行熱交換，并將其傳遞到用戶側。高溫相變復合儲熱系統等效模型如公式（5）～公式（12）所示。

高溫相變儲熱裝置的工作流程分為儲熱和釋熱。1）儲熱過程：啟動電加熱元件，將電能轉化為熱能，存儲于高溫相變磚。2）釋熱過程：關閉電加熱元件，通過空氣將相變磚內的熱量導出，利用氣-水換熱器進行熱交換，達到供熱目的。

高溫相變儲熱裝置的運行工況分為夏季模式和冬季模式。1）夏季模式：蓄熱電鍋爐與溴化鋰機組聯合運行可實現制冷，蓄熱電鍋爐輸出功率240kW，供水/回水溫度120℃/69℃，供水壓力200kPa。2）冬季工況：蓄熱電鍋爐單獨運行，為區域用戶供暖，額定輸出功率167kW，供暖水出水/回水溫度60℃/50℃。

2.3 液化空氣儲能模型

液化空氣儲能系統擁有供電、供熱和供冷3 種運行模式。在供電模式下，系統存熱全部用于提升膨脹發電機的輸出電能；在供熱和供冷模式下，系統利用高溫熱水儲熱，然后通過溴化鋰冷雙供機組向區域供熱或供冷。當溴化鋰機組制冷不足時，則通過膨脹發電機組減少部分發電量，進而膨脹空氣來制冷。液化空氣儲能系統的等效模型如公式（13）～公式（22）所示。

式中：PLAS，t代表壓縮機所耗用的電能；代表生成的熱能（流入儲熱罐的熱能）；kcom代表壓縮機的壓縮比；代表儲熱罐流出的熱能量總和；SLAS，t代表儲熱罐中儲存的熱能量；kL代表熱損耗系數；代表儲熱罐能量存儲最大值；代表儲熱罐的雙態狀態變量；HHST_EG，t和HHST_LB，t分別代表從儲熱罐轉移至膨脹發電機和溴化鋰機組的熱能量；ηEG、ηEG_E和ηEG_C分別代表膨脹發電機熱能轉換效率、熱電轉換效率和熱冷轉換效率；PEG，t和QEG，t分別代表輸出的電能和冷能；ηLB、ηLB_H和ηLB_C分別代表溴化鋰機組熱能轉換效率、熱轉換效率和冷轉換效率；HLB，t和QLB，t分別代表轉換的熱和冷。

3 結語

該文首先分析了預制艙式儲能系統、高溫相變復合儲熱系統和液化空氣儲能系統這3 種典型儲能的運行特性，并針對不同應用場景和需求建立典型應用場景庫。其次構建了典型儲能系統等效模型，在應用層面為園區冷熱電儲能系統提供理論依據和技術支持。