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煤炭与石油等传统化石能源的消费过程，通常伴随着环境污染与温室气体排放等严峻挑战。通过发展可再生能源改善我国的能源消费结构，能够从根本上缓解能源消费面对的严峻挑战。在我国能源消费结构的调整过程中，太阳能发电与风力发电等可再生能源电力的占比将逐步提高，至2020年，全部可再生能源发电装机预计达到0.68 TW，发电量预计达到1.9×103 TWh，可再生能源发电量占全部发电量的27%[1]。
太阳能发电与风电具有间歇性与波动性等特点，其渗透率可达到50%以上，太阳能发电与风电等可再生能源电能的接入对电网安全以及电网电能质量将产生负面影响[2]。由于电网对波动性可再生电能消纳能力的局限性，弃风与弃光问题已较为突出，其中2016年度的全国弃风总电量达到了49.7 TWh，弃光总电量也高达7.0 TWh，随着风电与光电等装机容量的进一步提升，弃风与弃光问题将愈发严峻[3,4]。
为促进可再生能源电能的有效消纳，《关于促进储能技术与产业发展的指导意见(发改能源〔2017〕1701号)》于2017年正式发布[5]。指导意见提出采用储能技术与可再生能源场站共同组成联合体的方式，实现可再生能源电能的输出平滑与电能质量调节，进而提升电网的消纳能力。电能储存技术[6,7]主要包括物理储能(抽水蓄能，压缩空气储能与与飞轮储能)，电化学储能(锂电池储能，铅酸电池储能与液流电池储能等)与电磁储能(超导储能与超级电容器储能)。电化学储能具备充放电效率高的优点，但是储能电池的使用寿命偏短；电磁储能技术主要用于电能质量的瞬间响应，难以实现电能大规模储放；抽水蓄能与压缩空气储能技术属于大规模物理储能技术，机组使用寿命能达到20至30年，运行性能可靠，在我国拥有超过30座抽水蓄能电站，其中广州抽水蓄能电站的装机容量达到了2.4 GW[8]；压缩空气储能技术于1978年、1991年在德国与美国均实现了数百兆瓦级别的商业应用。近年来，国内针对压缩空气储能系统性能优化，进一步开展相关研究工作，以开发适合我国可再生能源电能并网需求的压缩空气储能技术。
可再生能源场站与储能站可通过形成联合体的方式，在对电能输出进行平滑与质量提升之后，接受电网调度，以期达到提升可再生能源电能消纳水平的目标。本文提出分散式风力发电站配置压缩空气储能站来形成联合体的思路，重点针对压缩空气储能系统做功环节储罐与空气膨胀机之间依靠节流降压阀进行调压存在压力能损失的现状，提出依托压力匹配器喷射调压的方式来降低调压损失，重点分析调压方式对压缩空储能站性能的影响。
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压缩空气储能技术是能够实现百兆瓦级别规模化利用的物理储能技术[9,10,11]。在储能阶段，将电网低谷电能或者波动性风光电能转变为压缩空气的压力能进行储存；在对外电能输出阶段，释放带压空气流驱动膨胀机做功，进而驱动发电机输出稳定电能。在储能技术原理上，由于膨胀机入口空气流的温度、压力以及流量都能够精确控制，因而此种物理储能技术的输出电能质量较高。
按照输出电能阶段是否消耗天然气燃料，压缩空气储能技术可划分为补燃式压缩空气储能系统与非补燃式压缩空气储能系统。补燃式压缩空气储能系统配置了天然气燃烧器，将高温空气送入膨胀机内做功，提升了电能输出能力。非补燃式压缩空气储能系统不直接燃烧天然气进行补燃，通过回收储能过程的压缩热或者工厂排放废热等形式提升做功环节空气流的温度。非补燃式压缩空气储能系统不消耗天然气，膨胀机入口空气流的温度相对要低，同等流量与压力配置条件下，膨胀机输出功率较补燃式小。非补燃式压缩空气储能系统虽然输出功率低于补燃式压缩空气储能系统，但是摆脱了对天然气的依赖，实现了二氧化碳温室气体零排放。
国内外压缩空气储能电站的简要情况如表1所示。全球第一座商业化运营的压缩空气储能示范电站于1978年在德国投运，多年的可靠运行充分检验了此项物理储能技术的可行性以及可靠性[12,13]。鉴于可靠的运营检验及国内储能需求，国内压缩空气储能示范电站近年来发展迅速。
Table 1.
Brief information of CAES system around the world
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风力发电场输出的电能质量受风资源直接影响，电能输出具有间歇性与波动性。如图1所示，通过构建“分散式风力发电站与储能站”联合体的方式，可以结合储能站对风电出力进行平滑。
Figure 1. United-power plant consist of distributed wind power plant and CAES system
储能站在风电输出处于波峰时，进行电能储存；在风电输出降低时，通过储能站释放电能的形式进行补充，从而达到平滑风电出力，实现电能平滑的功能，减少风电对电网的冲击影响。
在本文分析中，分散式风力发电站的装机容量暂按30 MW进行设置，储能站容量按照15%进行配置，配置储能规模为4.5 MW级非补燃式压缩空气储能站，首次储能时间2 h。
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本文中的非补燃式压缩空气储能系统充分利用储能过程产生的压缩热，将此部分热能用于加热膨胀机入口空气气流，提升做功能力。非补燃式压缩空气储能站包括压缩机模块、换热器及储热模块、储气模块以及膨胀机做功模块。相应模块的计算方法及参数配置分小节进行简述。
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压缩空气储能站的空气压缩过程为多变过程，多变指数用γ表示(取值1.46)，压缩单元入口空气温度(压力)记为Ti(Pi)，出口空气的温度(压力)记为Ti＋1(Pi＋1)，增压比记为βi。压缩单元入口气流的焓值记为hi，出口气流的焓值记为hi＋1，空气的质量流量计为qm，依据多变热力学过程空气各热力学参数之间的关系，可得：
((1)) ((2)) 空气压缩过程中单一压缩单元的压缩耗功wi计算方法为：
((3)) 对于多级压缩过程的机械效率取ζC＝93%，总体耗功WC记为：
((4)) -
换热器及储热模块将空气压缩过程产生的压缩热进行储存，在膨胀机做功时用于加热膨胀机入口空气。储热模块内储热介质选择加压水，以循环泵驱动储热介质流动与循环。
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本文设计的储能站储能功率4.5 MW，空气质量流速为8.24 kg/s，首次自常压储能至8.0 MPa允许时间为2 h，暂配置750 m3储气空间，在5.5～8.0 MPa压力区间比较不同调压方式下储能站性能。
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压缩空气储能站为了维持较长的对外输出电能时间，储气空间内压缩空气储存压力大于膨胀机入口需求的空气压力。依托传统降压阀进行直接降压的情况下，会产生较大的空气节流压力能损失。本文将对比相同初始储气压力条件下，“传统节流降压阀”、“喉部通流面积固定的压力匹配器”以及“喉部通流面积可调节的可调式压力匹配器”这三类调压方式在压缩空气储能站中的应用，同时比较三种调压方式对压缩空气储能站性能的影响。
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电能释放过程中，利用膨胀机输出的轴功来驱动发电机输出稳定电能。空气在膨胀机内经历多变过程将内能转变为膨胀机轴功输出。膨胀机输出轴功记为WT，多变指数用n表示(取值1.36)，膨胀单元入口空气温度(压力)记为Ta(Pa)，出口空气的温度(压力)记为Ta＋1(Pa＋1)，膨胀比记为βa。
则有：
((5)) ((6)) 设定空气膨胀过程的空气质量流量qm等于压缩过程的质量流量qm，单一膨胀单元的膨胀输出功wa计算方法为：
((7)) 对于多级膨胀过程的机械效率取ζT＝95%，总体膨胀功WT记为：
((8)) -
储能站电能转换效率η定义为稳定运行区间内，膨胀机输出功与压缩机消耗功的百分比：
((9))
3.1 压缩机模块
3.2 换热器及储热模块
3.3 储气模块
3.4 储罐出口压缩空气的压力调节
3.5 膨胀机做功模块
3.6 储能站电能转换效率
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非补燃式压缩空气储能站流程如图2所示，在储能过程空气经过多级压缩提升压力后储存备用，压缩热通过加压高温水的形式同步储存；对外输出电能阶段，储气室内释放空气经过换热器加热后进入膨胀机做功，驱动发电机输出电能。
Figure 2. Schematic diagram of non-supplementary fired CAES system
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如表2所示，储能阶段采用四级压缩，首级压缩单元从大气环境吸入空气进行压缩，吸入空气的温度取25 ℃，压力取0.101 MPa。末级压缩单元出口压力为7.96 MPa，储能阶段空气质量流量为8.24 kg/s，设置换热器对压缩单元出口空气流携带热量进行回收。
多级膨胀 入口T/P/(℃·MPa-1) 出口T/P/(K·MPa-1) 轴功率/kW 一级压缩 25/0.101 170/0.35 1 278.43 二级压缩 40/0.35 170/1.06 1 147.56 三级压缩 40/1.06 170/3.18 1 147.56 四级压缩 40/3.18 145/7.96 928.61 Table 2.
Parameters of multistage air compression section 多级膨胀单元的入口参数配置如表3所示，采用压缩热将膨胀单元入口空气加热至152 ℃，膨胀单元与膨胀单元之间采用换热器进行级间加热，提高压缩空气流的做功能力。
多级膨胀 入口T/P/(℃·MPa-1) 出口T/P/(K·MPa-1) 焓降/(kJ·kg-1) 一级膨胀 152/3.50 57/1.35 94.85 二级膨胀 152/1.35 24/0.35 127.81 三级膨胀 152/0.35 33/0.102 118.46 Table 3.
Parameters of multistage air expansion section -
压缩空气储能站完成预定储能过程后，压缩空气钢质储罐内压力约8.0 MPa，为维持储能站较长时间的稳定电能输出时间，第一级膨胀单元入口压力设定为3.5 MPa，起始压差约4.5 MPa。
储能站运行过程中，分别设置“节流降压阀调压(后续简称：节流阀调压)”、”节流阀＋固定压力匹配器调压(后续简称：固定式匹配器调压)“以及”喉部通流面积可调整的可调式压力匹配器调压(后续简称：可调式匹配器调压)“三种调压方式，对比分析相应压缩空气储能站的性能。
国内外现有投建的压缩空气储能站采用传统的节流阀完成降压调节过程，如德国Huntorf电站储气压力为7.0 MPa，首台膨胀机入口压力为4.0 MPa，调压过程引起的节流压损为3.0 MPa[12]。如图3所示的节流阀调压过程，其优点在于操作简单，场景适应能力强，缺点在于节流过程存在较大的压力能损失。
Figure 3. Schematic diagram of air pressure regulating process with regulating valve
鉴于储能站做功阶段节流阀降压过程存在较大的压力能损失，本文作者结合燃煤与燃气发电厂凝汽器抽真空过程采用”抽汽器真空维持系统“启发，将压力匹配器技术引入压缩空气储能站，优化调压过程，融合压力匹配器调压的压缩空气储能系统已经获得多项国家发明专利授权[20,21]。压力匹配器产品的生产工艺已经较为成熟，国内的生产厂家包括青岛高远热能动力设备有限公司、辽宁飞鸿达蒸汽节能设备有限公司、西安千和能源科技有限公司与杭州杭辅电站辅机有限公司等。
如图4所示的固定式匹配器调压方式，在固定式压力匹配器入口配置节流阀，实现”节流阀＋固定式压力匹配器“联动调压，相比于单独的节流阀调压方式，能够较好回收压力能损失，提高储能站效率。
Figure 4. Schematic diagram of air pressure regulating process with fixed ejector
如图5所示，在固定式压力匹配器基础上发展起来的可调式压力匹配器，能够通过匹配器喉部通流面积的自动调整，实现全程自动控制。可调式压力匹配器因入口无需节流阀的联动配合，因而调节灵活性更强，调压过程压力能回收更加彻底。
Figure 5. Schematic diagram of air pressure regulating process with adjustable ejector
作者早期论文已经对融合压力匹配器的压缩空气储能系统进行了相关报道[9]，本文结合压力匹配器的性能分析方法，进行匹配器在工作参数下的性能计算，获得如图6所示性能结果曲线。
Figure 6. Air flow relationship curves under different air pressure regulating styles for the first air expander
三种调压方式对首台膨胀机做功气流的系数结果显示：假定采用“节流阀调压”模式作为参考，首台膨胀机做功气流系数设定为1，高压气流通过直接节流变为3.50 MPa的首台膨胀机入口气流。“固定式匹配器调压”入口采用节流阀将高压空气节流稳压至5.50 MPa，利用5.50 MPa的高压气流引射首台膨胀机1.35 MPa的乏气，获得3.50 MPa的首台膨胀机入口气流，整个调压过程的压力匹配器引射系数恒定为0.02，因而整个调压过程做功气流系数提升至1.02。“可调式匹配器调压”模式能够实现8.0 MPa至5.50 MPa的全程自动压力跟踪与调节，可调式压力匹配器在入口滑压运行过程中的平均引射系数为0.041，首台膨胀机入口做功气流系数达到了1.041。
三类调压方式对应的压缩空气储能站效率如表4所示。储能站在储能阶段的储能功率为4.502 MW，在配置节流阀进行降压时，储能站效率为59.26%；在采用“节流阀＋固定压力匹配器”进行联动降压时，较大程度回收了节流压损，储能站效率提升至59.60%；当采用“可调式匹配器”进行降压时，通过可调式压力匹配器的自动调节，实现压缩空气降压过程的全自动跟踪及压力能回收，储能站效率提高至59.97%。
储能站类别 储能功率/MW 放电功率/MW 储能效率/% 节流阀调压 4.502 2.668 59.26 固定式匹配器调压 4.502 2.683 59.60 可调式匹配器调压 4.502 2.700 59.97 Table 4.
Performance parameters of three types of CAES system
4.1 多级压缩及膨胀参数配置
4.2 调压方式及其对储能站性能影响
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在国家大力发展风电等可再生能源战略背景下，削减新能源电能接入对电网的冲击，维持电网稳定与可靠运行十分重要。本文结合国家储能行业指导意见中关于“新能源场站与储能站联合体”的构想，设置了由分散式风力发电站与压缩空气储能站组成的联合体并重点分析了储能站的性能。
通过非补燃式压缩空气储能站的调压优化及储能站性能结果对比分析，节流阀调压下储能站效率为59.26%，固定式匹配器调压下储能站效率为59.60%，可调式匹配器调压下储能站效率提高至59.97%。“固定式匹配器调压”与“可调式匹配器调压”均能较好的回收传统节流降压阀面临的压力能损失，将节流阀中损失的压力能转变为空气膨胀机的额外做功气流，提升总体电能输出量，进而在一定范围内提升压缩空气储能站性能。
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