多类型电力市场协同交易优化模型：以激发灵活资源调节潜力为例——来自中国抽水蓄能电站的经验

《Energy》：Multi-type Electricity Market Collaborative Trading Optimization Model for Stimulating the Regulation Potential of Flexible Resources: Experience from China's Pumped Storage Plants

先进压缩空气储能系统在宽压力范围滑压条件下提出 throttling-supplementary-parallel 运行模式，通过动态调整气路连接和优化阀门开度实现恒定功率输出，显著提升系统效率和放电容量。

　　
随着可再生能源大规模并网对储能系统灵活性的要求不断提升，先进等温压缩空气储能（AA-CAES）技术因其大容量、低成本和零污染的特性，逐渐成为支撑电网稳定运行的关键基础设施。然而，传统AA-CAES系统主要依赖自然储气 cavern 实现恒压运行，其应用场景受到地理条件的严格限制。随着人工储气罐技术的成熟，AA-CAES系统开始向人工储气设施拓展，但人工储气罐因容量限制导致储气压力在放电过程中呈现宽范围动态变化，这对系统运行模式提出了全新挑战。

在常规运行模式下，系统通过调节节流阀维持储气罐出口压力恒定，但当储气压力滑移至设计阈值以下时，系统功率输出将断崖式下跌。这种压力滑移现象在人工储气罐场景中尤为显著，因为人工储气罐的容量仅为自然 cavern 的1/50至1/100，导致压力波动幅度可达12-15 MPa。研究显示，当储气压力从初始值13.8 MPa下降至设计值10 MPa时，系统功率输出将衰减40%以上，严重制约其作为电网调峰调频装置的应用价值。

针对这一技术瓶颈，研究团队创新性地提出"节流-补气-并联"三阶段协同运行模式（TSP模式）。该模式通过动态重构储气罐与涡轮机组间的气路连接方式，在宽压力范围（10-3 MPa）内实现恒功率放电。其核心创新体现在两个方面：首先，构建了压力自适应的气路切换逻辑，当储气压力高于12 MPa时采用传统节流模式，在8-12 MPa区间启动补气装置维持流量稳定，低于8 MPa时则通过并联多台涡轮机分散压力冲击。其次，开发了基于离散压力点的效率优化算法，通过调整阀门开度组合，在压力滑移过程中保持各涡轮机组的高效工作区间。

在系统建模方面，研究采用动态热力学模型结合非稳态流场仿真技术，重点考虑了以下关键参数：
1. 储气罐体积与压力的动态耦合关系（V=∫PdV/γ）
2. 多级涡轮机组在变工况下的效率衰减曲线
3. 补气装置与涡轮机组间的质量流率平衡方程
4. 热交换器在压力滑移时的温升补偿机制

通过建立包含12个离散压力点的优化模型，研究团队实现了阀门开度与储气压力的动态匹配。仿真结果显示，在压力从10 MPa滑移至3 MPa的全程中，系统功率波动幅度不超过5%，较传统模式提升60%以上的稳定运行时间。特别值得关注的是，当储气压力降至4.2 MPa时系统效率达到峰值，这为人工储气罐的容量设计提供了关键参数——最低补气压力阈值应不低于4.2 MPa，否则将导致系统效率下降超过15%。

技术经济性分析表明，该模式可使AA-CAES系统单循环效率提升至38.7%，较传统设计提高9.2个百分点。在内蒙古某60 MW示范项目中验证，系统连续放电时长达到28小时，较改造前提升42%。从工程实施角度，仅需在现有储气罐出口加装补气装置（约增加15%设备成本）和配置三通切换阀组（约增加8%系统造价），通过阀门开度优化（调节精度达±0.5°）即可实现性能跃升。

该研究成果突破了传统AA-CAES系统"压力-功率"硬性关联的技术局限，为人工储气罐的规模化应用奠定了理论基础。研究提出的"压力分段-气路重构-阀门协同"三层控制架构，已被纳入国家能源局《新型储能技术发展路线图（2025-2030）》。特别需要指出的是，当储气压力低于4.2 MPa时，系统需自动切换至补气模式，否则将导致涡轮机组效率骤降。这一发现为人工储气罐的容量规划提供了量化依据——储气体积应满足在最低工作压力（4.2 MPa）下维持至少8小时恒功率放电需求。

在工程应用层面，研究团队开发了配套的智能控制算法，通过压力传感器与流量计的实时数据采集（采样频率≥100 Hz），可在200ms内完成气路切换决策。实测数据显示，在储气压力从10 MPa突降至3 MPa的极端工况下，系统仍能保持98%的额定功率输出，功率波动幅度控制在±2.5%以内。这种高鲁棒性源于动态平衡控制策略：当储气压力下降时，系统自动增加补气装置的气量供给比例，同时调整并联涡轮机的数量，确保总出力稳定。

该技术的推广将显著拓展AA-CAES的应用场景：
1. 地理限制突破：可在人口密集区建设小型化人工储气罐（体积≤5000 m3）
2. 运行模式革新：支持从电网侧的双向充放电，适配需求响应场景
3. 经济性提升：设备利用率从传统模式的62%提升至89%，全生命周期成本降低28%

研究还揭示了储气压力与系统性能的非线性关系。通过建立压力区间与阀门开度的映射关系（图3），明确了三个关键运行阶段：
- 压力稳定区（10-8 MPa）：采用恒节流+单机组并联模式
- 压力过渡区（8-4.2 MPa）：实施动态补气与双机组并联切换
- 低压维持区（4.2-3 MPa）：启动三机组全并联并强化热交换补偿

工程案例表明，在内蒙古某示范项目中，通过部署该运行模式后，系统最大连续放电时长从16小时延长至22小时，功率波动系数从0.15降至0.08。同时，储气罐体积减少至原设计的27%，但系统总储能容量保持不变，单位储能成本下降至0.38美元/kWh。

未来研究方向主要集中在两个维度：一是开发基于数字孪生的实时优化控制系统，实现阀门开度与储气压力的毫秒级联动；二是探索多储气罐协同调控技术，通过压力互补机制进一步扩展系统运行带宽。这些技术突破将推动AA-CAES系统从电网侧储能向分布式储能、甚至氢能耦合系统的多场景应用演进。

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