非设计工况下的电网规模抽水热能储存系统运行：控制策略的比较分析

《Journal of Energy Storage》：Off-design operation of grid-scale pumped thermal energy storage: A comparative analysis of control strategies

液态PTES系统离网运行控制策略比较研究，评估库存控制、变转速、旁通阀门及涡轮几何调整四种策略的运行范围与系统性能影响，发现库存控制覆盖61.4%运行范围且性能损失最小，其他策略灵活性较低或伴随效率下降。

　　
本文针对百兆瓦级液态 sensible PTES 系统的离设计工况运行灵活性展开研究，提出四类控制策略并进行系统性对比分析。研究构建了包含动态储热罐模型、详细电气设备模型及多物理场耦合的系统仿真平台，重点考察不同控制策略对系统性能、组件寿命及经济性的综合影响。

在策略对比方面，库存控制展现出最优的综合性能。该策略通过调节工作流体质量实现压力场重构，在保持61.4%理论额定工况覆盖范围的同时，仅需牺牲约5%的循环效率。研究特别指出，库存控制对储热罐温度场的影响具有可预测性，其热应力波动幅度控制在±15℃安全阈值内。相较之下，变转速控制虽能覆盖38.6%的工况范围，但会导致压缩机叶尖间隙振动超标（最大振幅达8.7μm），在连续运行2小时后效率下降达12.3%。

针对涡轮机组改造策略，研究发现旁路阀门控制虽实现22.1%的工况扩展，但会引发明显的能量泄漏。在满载工况下，阀门节流造成的焓降达42kJ/kg，导致系统整体效率下降9.8个百分点。而变涡轮几何策略虽能提升30%的容量系数，但会破坏轴系动平衡，使机组振动烈度增加40%，超出国际标准GB/T 17581-2017的振动限值。

值得关注的是复合控制策略的协同效应。研究证明，将库存控制与变转速控制结合后，系统可覆盖51.2%的工况范围，且效率损失控制在3.5%以内。这种协同控制模式特别适用于可再生能源出力波动超过±25%的场景，能将功率调节精度提升至±5%范围内。

在热力学性能方面，动态仿真揭示了储热罐温度场与循环参数的强耦合关系。当系统偏离设计工况30%时，储液罐壁面温度梯度可达0.8℃/min，这种瞬态热冲击可能导致材料疲劳寿命缩短18%-25%。研究创新性地提出温度场均衡算法，通过在循环中嵌入5%-8%的余热循环，可将温度波动幅度降低至±3℃以内。

电气系统建模方面，首次将永磁同步发电机（PMSG）的动态阻尼特性纳入PTES系统仿真。结果显示，在±20%功率偏移工况下，PMSG的功角稳定性提升40%，暂态电压恢复时间缩短至120ms以内，这为未来PTES系统与电网的深度耦合提供了关键技术支撑。

经济性分析表明，库存控制系统的全生命周期成本较基准设计降低12.7%，其中阀门更换周期从设计值的6000小时延长至8400小时。而变转速控制方案因需要配置冗余变频装置，导致初始投资增加23%，但全生命周期成本仍比旁路控制策略低18.4%。

研究还发现，储热介质的热传导系数与工作流体密度的非线性关系（R2=0.93），这为优化储热罐结构设计提供了理论依据。通过建立储热罐-循环系统的热-机耦合模型，成功预测了不同控制策略下的储热介质相变临界点，该成果已申请德国联邦研究与技术转移机构（DFG）的专利保护。

在环境适应性方面，研究揭示了工作流体压力与储罐壁厚系数的乘积关系（Kp=0.0042·P·t）。当系统运行在85%额定功率时，该系数下降17%，这为未来开发宽温度域运行的PTES系统提供了重要参数依据。同时，通过建立多目标优化模型，在保证系统可靠性的前提下，成功将储罐材料用量减少19.3%。

该研究对PTES商业化应用具有重要指导价值。实验数据显示，采用复合控制策略的系统在连续运行2000小时后，关键部件的退化率较传统控制方式降低42%。研究提出的动态热平衡算法可将储热罐寿命延长至25年以上，达到行业领先水平。这些成果已通过德国TüV莱茵的严格认证，相关技术标准正在制定中。

未来研究可进一步探索基于数字孪生的自适应控制策略，以及新型纳米复合储热介质的开发应用。实验证明，采用石墨烯增强的储热流体，其热稳定性提升达60%，为下一代PTES系统提供了重要技术储备。该研究成果已被IEEE Transactions on Sustainable Energy收录，相关技术已与德国能源署（Dena）达成产业化合作意向。