液态压缩空气储能对电力系统调峰调频的影响及优化

引言

随着可再生能源技术的发展，其普及程度将达到前所未有的高水平，而如何更好的与电力市场相匹配就成了重中之重。可再生能源发电在电网传输电力中的占比不断攀升，并网成本对其总成本的影响持续加大。目前我国电力主要依靠煤、油和天然气生产，火电可调节供需平衡，但其装机容量比重呈逐年下降趋势且长期保持，发电量占比将持续降低，难以满足调峰调频需求，储能因而成为平衡电力供需的必经之路。

一、液态压缩空气储能对电力系统调峰的影响

（一）系统核心参数对调频性能的基础影响

系统核心参数对调频性能的基础影响显著，储气罐压力与液压马达排量是其中关键。储气罐压力直接关联液压马达工作压力，而工作压力又影响马达输出转矩，最终作用于转速。借助控制变量方式仿真可见，在液压马达排量固定为 75mL/r 时，储气罐压力为 4.0、4.5、5.0MPa 的情况下，压力升高会使马达转速的峰值、谷值同步增大，稳定时的转速也随之提升。这种压力引发的转速波动，会直接传递至同步发电机，造成输出频率变化，干扰电力系统调频稳定1-1251-126。液压马达排量对调频性能的影响同样不可忽视。马达转速与排量、流量存在关联，排量变化会改变油缸内空气体积变化量，进而影响空气压力与马达进口压力，最终作用于转速。仿真显示，储气罐压力固定为 5MPa 时，排量 55、65、75mL/r 的情况下，排量增加会使转速升高，其中 65mL/r时转速峰值接近 100r/s，与目标的 50r/s 偏差较大，难以满足调频对频率稳定的要求1-137。可见，储气罐压力与液压马达排量的取值，通过影响马达转速直接作用于调频性能，合理选取这些参数是保障系统调频能力的基础。

（二）转速波动对调频的直接限制

转速波动对调频的直接限制体现在其与同步发电机输出频率的强关联性上。同步发电机与液压马达同轴连接，二者转速保持一致，马达转速直接决定发电机输出电流的频率 1-87。我国电网频率固定为 50Hz，从电能质量考量，允许的频率偏差不得超过 ±0.2Hz ，这意味着发电机转速需稳定在 （50±0.2） r/s 的范围内1-118。在未施加控制措施的情况下，液压马达转速波动显著。仿真数据显示，此时转速在 49.5＼～51.3r/s 区间内大幅变动，远超规定的偏差范围1-145。这种大幅波动直接导致同步发电机输出频率偏离电网标准，使得电力系统无法维持稳定的频率水平，进而丧失有效参与调频的能力。转速的不稳定会引发电网频率的持续震荡，破坏电力供需的动态平衡，这一问题成为液态压缩空气储能系统融入电力系统调频环节的主要障碍。若无法将转速波动控制在允许范围内，系统即便具备调峰潜力，也难以在调频任务中发挥实际作用。

二、液态压缩空气储能对电力系统调峰调频的影响优化策略

（一）关键参数的优化选取

关键参数的优化选取是提升液态压缩空气储能系统调峰调频能力的基础，核心在于合理确定储气罐压力与液压马达排量。储气罐压力直接关联油缸内空气压力，进而影响液压马达进口压力与输出转速。仿真中，固定液压马达排量为 75mL/r 时，储气罐压力为 4.0、 、5.0MPa 的情况下，压力升高会使马达转速峰值、谷值及稳定转速同步增大1-1251-126。据此，选取储气罐压力需兼顾系统所需转速范围，避免压力过高引发转速波动超出调频允许区间，同时保证足够能量输出以支撑调峰需求。液压马达排量的选取同样关键，其与流量、油缸内空气体积变化存在联动，排量变动会改变空气压力与马达转矩，最终作用于转速。控制储气罐压力为 5MPa 时，排量 55、65、75mL/r 的仿真结果显示，排量增加会导致转速上升，其中 65mL/r 时转速峰值接近 100r/s，远超 50±0.2r/s 的目标范围1-1331-137。因此，排量选取需匹配储气罐压力，以目标转速为基准，通过参数协同设计，在满足能量转换效率的同时，减少初始转速波动，为后续控制策略发挥作用奠定基础。

（二）基于 PID 的转速闭环控制优化

基于 PID 的转速闭环控制优化旨在解决液压马达转速波动过大阻碍调频的问题，核心逻辑是通过动态调节马达排量稳定转速。系统运行中，液压马达轴上的转速传感器实时捕捉实际转速，将其与 50r/s 的给定转速比对形成偏差，PID 控制器依据这一偏差输出调节信号，改变变量马达的排量1-120。仿真数据显示，未启用 PID控制时，马达转速在 49.5＼～51.3r/s 区间大幅波动，超出电网频率允许的 ±0.2Hz 偏差范围；启用 PID 控制后，转速稳定在 50r/s 左右，完全满足并网发电对频率稳定的要求1-145。控制器参数选取为 Kp=1、Ki=1、Kd=0 时，能有效响应油缸内压力突变，如充气阶段压力从 0.8MPa 骤增至 5MPa 的情况，通过快速调整马达排量抵消压力波动对转速的影响 1-140。其将转速波动控制在极小范围，既保障同步发电机输出频率稳定，也为系统参与电力系统调频提供可靠支撑，显著提升了液态压缩空气储能系统的调频适配性。

（三）物理设备的协同调节策略

物理设备的协同调节策略聚焦于降低系统对液压马达响应速度的依赖，通过设备间动作配合稳定输出。充气阶段，油缸内压力从 0.8MPa 骤 达排量大幅变动 此时可优化导流阀与截止阀的启闭节奏，减缓压力上升速率，避免压 借助液体活塞 7 和 8 的交替工作特性，协调液压泵与液压马 另一油缸由液压泵充液复位，通过换向阀的精准切换，保证油液流 -471-48。此外，调整油缸容积与高压储气罐的匹配关系，结合传热层的温控作用，减少空气膨胀或压缩时的温度剧烈变化，间接稳定空气压力。

三、结语

本研究在液态压缩空气储能技术背景下，探究其对电力系统调峰调频的影响及优化路径。通过建立相关模型并仿真，分析储气罐压力、马达排量的影响，优化参数与 PID 控制策略以提升调峰调频性能。但该优化对设备响应要求较高，后续需结合实际工况调节物理设备，降低对设备响应的依赖。

参考文献

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