[发明专利]风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源利用的发电领域，特别涉及一种风力发电和压缩空气 储能的一体化系统及集成方法。具体说，主要利用风电场过剩的剩余电力进行压 缩空气储能，在用电高峰时释放出来驱动燃气透平发电。从而实现风能发电的优 化利用。

技术背景

风能是清洁的可再生能源，其发电成本低，我国风能资源量丰富，且风电技术 较为成熟，截至2010年底我国的风力发电装机以4183万千瓦超越美国成为全球 第一风电大国。根据国家《新能源产业振兴规划《草案，2020年我国风电总装机 容量将达1.5亿千瓦，因此未来风电将是我国重点发展的可再生能源发电方式， 其发展的规模与速度，将直接关系到我国节能减排战略和国家关于调整和优化能 源结构，提高可再生能源比例的目标。

然而，在风电快速发展中，暴露出诸多问题，风能作为可再生能源之一，存 在间歇性和稳定性差两个致命的问题，在电网的高负荷需求时期，风电是不可靠 的，在低负荷时期却可能发出大量电网难以消纳的功率。这样，大规模依赖风能 发电的电网可能会产生严重的安全性与稳定性问题，大规模风电送出消纳的矛盾 日益突出，“弃风”的问题逐渐严重。据统计，近年来风电企业弃电量约占应发电 总量的1/3，造成巨量的资源浪费，同时对电网安全稳定运行和风电的可持续发 展提出双重挑战。由于风力资源的不稳定性，电力蓄能是制约风电大规模利用的 最主要瓶颈之一。如何利用蓄能技术将这些间歇式能源“拼接”起来，并稳定地输 出，是提高可再生能源比例和可再生能源大规模利用必须解决的问题。

通过使用蓄能系统可极大地避免以上缺点。然而电能的储蓄是困难而又昂贵 的，如使用最常用的蓄电方式-铅酸电池，虽然其技术已达到相当成熟的阶段， 然而规模、成本等因素限制了其在远程独立程序中的应用，其每千瓦时的成本为 几百美元，用于大功率储能几乎不可能。此外，电池维护和自放电也是与之相关 的技术瓶颈，同时还会对环境造成威胁。

压缩空气储能(CAES)是一种公认的有潜力的大规模储能方式，它的储能 成本较低，对环境的污染很小。在一个典型的压缩空气系统中，在电网的低负荷 时期，一部分电能用来驱动空气压缩机。压缩的空气储存在某种特定的空间(如 地下溶洞或人造的储气室等)里。然后，在用电高峰时期，压缩的高压空气被释 放出来，经过膨胀驱动透平发电。压缩空气蓄能系统要使用气体燃料，通常是天 然气，与在压缩空气中燃烧以提高压缩空气的温度，从而提高系统的效率。与传 统的燃气轮机发电不同，CAES系统通过储气室提供压缩空气，减少了机组运行 时的燃料需求。

我国风能储备丰富，且分布均匀，为了实现风力发电的优质利用，提出一种 风力发电和大规模蓄能的一体化系统及集成方法是非常重要的，这种系统当电网 处于用电低谷时，通过风电与压缩空气储能系统的集成，用部分或全部的风电驱 动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存起来；在用电高峰时，释放出来 驱动燃气透平发电供给电网。这样的系统大大地提高了风能的利用率与效益、同 时也大幅提高了电网的安全性与稳定性。

发明内容

本发明的目的提出一种风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法， 其特征在于：

1)首先将风电场与压缩空气系统结合，构成风力发电与压缩空气储能一体 化系统；

2)当电网处于用电低谷时，通过风力发电与压缩空气储能一体化系统，用 部分或全部的风力发电驱动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存于大型 储气室，形成压缩空气储能(CAES)；

3)在用电高峰时，将大型储气室的高压空气释放出来，驱动燃气透平发电， 供给电网；由于燃气轮机本身就具有启动快、容量的特点，而CAES中由于压气 机和燃气透平不同轴，可进一步加快燃气透平的加负荷速度；可实现在数分钟内 启动加满负荷，因此其调峰能力大、可大幅提高电网调峰能力和电网安全性；同 时，燃气轮机所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40-60％。

所述风电场与压缩空气系统结合的关键在于风电场与压气机的耦合作用，所 述的压气机系统分为三级压缩，每级压比近似相等，为3-7；采用容积式压缩机， 各级之间通过压气机台数和转速比的不同设置来适应整个压气过程中空气容积 的变化。