风力涡轮机系统与压缩空气储能联合运行的建模与实验研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球能源转型中占据重要地位。然而，风力涡轮机系统输出功率的间歇性和波动性严重制约了风能的高效利用和电网的稳定运行。压缩空气储能（CAES）技术具有容量大、成本较低、寿命长等优势，能够有效平抑风电波动，提高能源利用效率。本文针对风力涡轮机系统与压缩空气储能联合运行展开研究，构建了联合系统的数学模型，设计了实验方案并进行验证，分析了系统的运行特性与优化策略，探讨了该联合系统面临的挑战及未来发展方向，为提升风能利用的稳定性和经济性提供理论与实验支撑。

关键词

风力涡轮机；压缩空气储能；联合运行；建模；实验研究

一、引言

在全球应对气候变化和能源结构向低碳转型的大背景下，风能作为最具开发潜力的可再生能源之一，其装机容量持续快速增长。风力涡轮机系统通过将风能转化为电能，为社会经济发展提供了大量清洁电力。但由于风能本身具有随机性和不确定性，风力涡轮机输出功率呈现显著的间歇性和波动性，当大量风电接入电网时，会对电网的频率稳定、电压质量和调度运行带来严峻挑战，甚至可能导致弃风现象，造成能源浪费。

压缩空气储能技术通过在电网负荷低谷或风电大发时将电能转化为压缩空气的势能储存起来，在负荷高峰或风电出力不足时释放储存的能量发电，实现能量的时空转移，是解决风电波动性问题的有效手段。将风力涡轮机系统与压缩空气储能联合运行，能够充分发挥两者的优势：风力涡轮机提供清洁的初始能源，压缩空气储能则平抑功率波动、提高能源利用效率和系统可靠性。

因此，开展风力涡轮机系统与压缩空气储能联合运行的建模与实验研究，对于深入理解联合系统的运行机理、优化系统性能、推动其规模化应用具有重要的理论意义和工程实用价值。

二、风力涡轮机系统与压缩空气储能联合系统构成

2.1 风力涡轮机系统

风力涡轮机系统主要由风轮、传动系统、发电机、控制系统等部分组成。风轮在风力作用下旋转，将风能转化为机械能；传动系统（通常包括齿轮箱）将风轮的低速旋转运动转化为发电机所需的高速旋转运动；发电机将机械能进一步转化为电能；控制系统则根据风速、电网需求等因素，调节风轮转速、发电机输出等参数，确保系统稳定高效运行。

根据风轮轴线的不同，风力涡轮机可分为水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机，其中水平轴风力涡轮机在大型风电项目中应用最为广泛。其输出功率与风速密切相关，在切入风速以下时，输出功率为零；在切入风速和额定风速之间，输出功率随风速的增大而增加；达到额定风速后，通过变桨距等控制方式使输出功率保持在额定值；当风速超过切出风速时，系统停机以保证安全。

2.2 压缩空气储能系统

压缩空气储能系统主要由压缩机、储气装置、膨胀机、换热器等核心部件组成，其工作过程包括储能和释能两个阶段。

• 储能阶段：在电网负荷低谷或风电出力过剩时，利用多余的电能驱动压缩机将空气压缩至高压状态，储存在储气装置（如地下洞穴、高压储罐等）中，同时通过冷却器移除压缩过程中产生的热量，储存于储热装置。

• 释能阶段：在电网负荷高峰或风电出力不足时，将储气装置中高压空气释放，与储热装置中的热量进行换热后进入膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电，满足电网电力需求。

根据是否燃烧燃料，压缩空气储能系统可分为传统补燃式 CAES 和先进绝热式 CAES（AA-CAES）。传统补燃式 CAES 在释能过程中需要燃烧天然气等燃料补充热量，存在一定的碳排放；AA-CAES 则通过高效的储热技术回收压缩过程中的热量，在释能时重新利用，实现近零排放，是未来的主要发展方向。

2.3 联合系统结构

风力涡轮机系统与压缩空气储能联合系统的核心是通过能量管理与控制系统实现两者的协同运行。典型的联合系统结构包括：风力涡轮机、整流器、逆变器、压缩机、储气装置、膨胀机、发电机、换热器以及能量管理系统等。

在联合运行时，风力涡轮机产生的电能一部分直接通过逆变器接入电网供用户使用；当风电出力过剩（大于电网需求）时，能量管理系统控制多余电能驱动压缩机运行，将空气压缩储存，进入储能模式；当风电出力不足（小于电网需求）时，能量管理系统控制储气装置释放高压空气，驱动膨胀机和发电机发电，补充电网电力缺口，进入释能模式。通过这种灵活的运行模式，联合系统能够向电网提供稳定的电力输出。

三、联合系统建模

3.1 风力涡轮机系统模型

3.2 压缩空气储能系统模型

四、联合系统运行特性与优化

4.1 运行特性分析

1. 功率平抑效果：联合系统能够有效平抑风力涡轮机输出功率的波动。当风电出力过剩时，压缩空气储能系统吸收多余功率进行储能，减少向电网的输出；当风电出力不足时，释放储存的能量补充，使向电网的输出功率保持稳定。波动平抑效果与压缩空气储能系统的容量、响应速度密切相关，容量越大、响应速度越快，平抑效果越好。

1. 能量转换效率：联合系统的整体效率为风力涡轮机效率、压缩空气储能系统效率的乘积。实验表明，在典型工况下，联合系统的整体效率约为 45%-55%，其中压缩空气储能系统的效率是影响整体效率的关键因素。通过优化压缩机和膨胀机的运行参数、改进储热技术，可提高系统效率。

1. 储气罐压力特性：储气罐压力随充放气过程动态变化。在储能阶段，压力逐渐升高；在释能阶段，压力逐渐降低。压力的变化速率取决于压缩机和膨胀机的功率。合理控制压力在安全范围内（如 2-8MPa），是保证系统安全稳定运行的重要条件。

4.2 优化策略

1. 能量管理策略优化：基于模型预测控制（MPC）的能量管理策略，通过预测未来一段时间的风电出力和电网需求，优化制定储能和释能计划，可进一步提高系统的经济性和稳定性。例如，结合短期风速预测，在预测到风电出力将大幅增加前，提前降低储气罐压力，为储能预留更多空间。

1. 设备参数优化：优化压缩机和膨胀机的运行点，使其工作在高效区间；选择合适容量的储气罐，在满足功率平抑需求的前提下，降低成本和占地面积；采用高效换热器回收压缩热，提高 AA-CAES 系统的效率。

1. 多目标优化：以系统经济性（投资成本、运行成本）、环保性（碳排放）和可靠性为多目标，建立优化模型，求解最优的设备配置和运行参数。例如，在满足一定功率平抑要求的前提下，最小化系统的全生命周期成本。

五、挑战与未来发展方向

5.1 面临的挑战

1. 效率提升瓶颈：目前压缩空气储能系统的效率仍有提升空间，尤其是传统补燃式 CAES 存在碳排放问题，AA-CAES 的储热技术成本较高、效率有待进一步提高。

1. 动态响应速度：压缩空气储能系统的压缩机和膨胀机属于旋转机械，其动态响应速度相对较慢，对于快速变化的风电波动，平抑效果可能受限。

1. 经济性问题：联合系统的初始投资较大，尤其是储气装置（如地下洞穴）的建设成本高、选址受限，影响了其规模化应用。

1. 建模精度与复杂性：联合系统涉及多物理场耦合、多设备协同运行，现有模型在描述动态过程、设备损耗等方面的精度仍需提高，同时模型的复杂性增加了仿真和优化的难度。

5.2 未来发展方向

1. 高效储热技术研发：开发高性能的储热材料（如熔融盐、相变材料）和高效换热器，提高 AA-CAES 的储热效率，降低成本，推动其商业化应用。

1. 混合储能系统：将压缩空气储能与其他储能技术（如电池储能、飞轮储能）结合，形成混合储能系统。利用电池储能响应速度快的特点平抑高频波动，压缩空气储能容量大的特点平抑低频波动，优势互补，提高整体性能。

1. 智能化能量管理：结合大数据、人工智能技术，构建更精准的风电预测模型和联合系统运行优化模型，实现能量管理的智能化和自适应，提高系统的经济性和可靠性。

1. 新型储气技术探索：研究新型储气装置，如高压复合储罐、多孔介质储气等，降低对地质条件的依赖，提高储气密度和安全性，降低建设成本。

1. 多能互补系统集成：将风力涡轮机 - 压缩空气储能联合系统与太阳能、生物质能等其他可再生能源系统集成，构建多能互补微网系统，提高能源供应的稳定性和综合利用效率。

六、结论

风力涡轮机系统与压缩空气储能联合运行是解决风能间歇性和波动性问题的有效途径，能够显著提高风能的利用效率和电网的稳定性。本文通过构建联合系统的数学模型，包括风力涡轮机的气动模型、传动与发电机模型，压缩空气储能系统的压缩机、储气装置和膨胀机模型，并将其耦合形成整体模型，为系统分析和优化提供了理论基础。

实验研究验证了模型的准确性和联合系统的有效性，结果表明联合系统能够有效平抑风电功率波动，输出稳定的电力。通过对运行特性的分析，提出了基于模型预测控制的能量管理策略优化、设备参数优化和多目标优化等方法，可进一步提升系统性能。

尽管联合系统面临效率、经济性、动态响应等方面的挑战，但通过高效储热技术研发、混合储能系统构建、智能化能量管理等未来发展方向的探索，其应用前景广阔。未来的研究应进一步提高模型精度，降低系统成本，推动联合系统的规模化应用，为全球能源转型做出更大贡献。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] SYED MUBASHIR HASSAN.可再生能源研究:巴基斯坦风力发电及电力评估[D].华北电力大学(北京),2021.

[2] 电气工程.可再生能源研究:巴基斯坦风力发电及电力评估[D].[2025-07-31].

[3] 陈星莺,刘孟觉,单渊达.超导储能单元在并网型风力发电系统的应用[J].中国电机工程学报, 2001, 21(12):4.DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2001.12.015.

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