Modeling and Planning Strategy for Centralized-Distributed Hybrid Compressed Air Energy Storage Station

YIN Binxin; MIAO Shihong; LI Yaowang; ZHANG Songyan; ZHAO Haipeng

doi:10.7500/AEPS20220330006

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Modeling and Planning Strategy for Centralized-Distributed Hybrid Compressed Air Energy Storage Station

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Modeling and Planning Strategy for Centralized-Distributed Hybrid Compressed Air Energy Storage Station
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 5, Pages: 53-64(2023)
- 作者机构：
  
  1.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市 430074
  2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北省武汉市 430074
  3.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084
  4.清华四川能源互联网研究院,四川省成都市 610213
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(5419-202199551A-0-5-ZN)
- DOI：10.7500/AEPS20220330006
  CLC：
- Received：30 March 2022，
  
  Revised：2022-09-26，
  
  Published Online：18 November 2022，
  
  Published：10 March 2023
- 稿件说明：
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尹斌鑫,苗世洪,李姚旺等.集中-分布式混合压缩空气储能电站优化规划策略[J].电力系统自动化,2023,47(5):53-64.

YIN Binxin,MIAO Shihong,LI Yaowang,et al.Modeling and Planning Strategy for Centralized-Distributed Hybrid Compressed Air Energy Storage Station[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(5):53-64.
尹斌鑫,苗世洪,李姚旺等.集中-分布式混合压缩空气储能电站优化规划策略[J].电力系统自动化,2023,47(5):53-64. DOI： 10.7500/AEPS20220330006.

YIN Binxin,MIAO Shihong,LI Yaowang,et al.Modeling and Planning Strategy for Centralized-Distributed Hybrid Compressed Air Energy Storage Station[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(5):53-64. DOI： 10.7500/AEPS20220330006.

摘要

针对城镇配电网供电能力不足的问题，设计了一种集中-分布式混合压缩空气储能(CAES）电站的基本架构。该架构依托集中式先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)电站建立分布式液态空气储能电站，可更有效地利用AA-CAES电站大规模储气室的优势，延展AA-CAES电站的功能。然后，建立了集中-分布式混合CAES电站的运行模型。该模型能准确描述混合CAES电站空气压缩、液化、贮存、运输、汽化、膨胀发电等过程中的能量流通、转化、存储和释放机理。基于混合CAES电站的运行模型，结合全寿命周期成本理论，建立了混合CAES电站的优化规划与运行模型。上述模型还包含扩建输电线路、增建燃气轮机、安装电池储能等备选方案的相关约束，以便对比安装混合CAES电站和其他方案的经济效益。最后，通过算例仿真验证了优化规划与运行模型的有效性。

Abstract

Aiming at the problem of insufficient power supply capacity of urban distribution networks

this paper designs a basic architecture of centralized-distributed hybrid compressed air energy storage (CAES) station. This architecture relies on the centralized advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES) station to establish distributed liquid air energy storage stations

which can use the advantages of a large-scale storage chamber of the AA-CAES station more effectively and extend the functionality of the AA-CAES station. Then

the operation model of the centralized-distributed hybrid CAES station is established. The model can accurately describe the energy circulation

conversion

storage and release mechanism in the process of air compression

liquefaction

storage

transportation

gasification

expansion and power generation in a hybrid CAES station. Based on the operation model of the hybrid CAES stations

combined with the theory of life cycle cost

this paper establishes the optimal planning and operation model of the hybrid CAES stations. The model also contains the constraints on the options such as the expansion of transmission lines

additional gas turbines and the installation of battery energy storage

so as to compare the economic benefits of installing hybrid CAES stations and other options. Finally

the effectiveness of the optimal planning and operation model is verified by numerical case simulation.

关键词

Keywords

references

李争博，刘友波，任鹏哲，等 . 考虑地理信息聚类分区的配电网多阶段动态规划方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 38 - 45 .

LI Zhengbo ， LIU Youbo ， REN Pengzhe ， et al . Multi-stage dynamic planning method for distribution network considering clustering and partitioning of geographic information ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 38 - 45 .

范帅，危怡涵，何光宇，等 . 面向新型电力系统的需求响应机制探讨［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 7 ）： 1 - 12 .

FAN Shuai ， WEI Yihan ， HE Guangyu ， et al . Discussion on demand response mechanism for new power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 7 ）： 1 - 12 .

熊铭辉 . 基于河北南部电网电力供应短缺调研的探析［J］. 中国电业， 2019 （ 3 ）： 78 - 79 .

XIONG Minghui . Analysis of power supply shortage in southern Hebei power grid ［J］. China Electric Power ， 2019 （ 3 ）： 78 - 79 .

何姣，王双，宋雯静，等 . 湖南省限电的成因及化解对策［J］. 中国电力企业管理， 2021 （ 1 ）： 18 - 21 .

HE Jiao ， WANG Shuang ， SONG Wenjing ， et al . Causes and countermeasures of power limiting in Hunan Province ［J］. China Power Enterprise Management ， 2021 （ 1 ）： 18 - 21 .

李翠萍，东哲民，李军徽，等 . 提升配电网新能源消纳能力的分布式储能集群优化控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 23 ）： 76 - 83 .

LI Cuiping ， DONG Zhemin ， LI Junhui ， et al . Optimal control strategy of distributed energy storage cluster for prompting renewable energy accomodation in distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 23 ）： 76 - 83 .

黄志强，陈业伟，毛志鹏，等 . 柔性多状态开关与分布式储能系统联合接入规划［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 29 - 37 .

HUANG Zhiqiang ， CHEN Yewei ， MAO Zhipeng ， et al . Joint access planning of soft open point and distributed energy storage system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 29 - 37 .

牛志远，姜欣，谢镔，等 . 电动汽车过充燃爆事故模拟及安全防护研究［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 1 ）： 36 - 47 .

NIU Zhiyuan ， JIANG Xin ， XIE Bin ， et al . Study on simulation and safety protection of electric vehicle overcharge and explosion accident ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 36 - 47 .

李建林，武亦文，王楠，等 . 吉瓦级电化学储能电站信息架构与安防体系综述［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 23 ）： 179 - 191 .

LI Jianlin ， WU Yiwen ， WANG Nan ， et al . Review of information architecture and security system of gigawatt electrochemical energy storage power station ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 23 ）： 179 - 191 .

刘铠诚，钟鸣，曾平良，等 . 一种基于液态空气储能枢纽站的分布式压缩空气储能系统模型预测控制方法［J］. 电测与仪表， 2020 ， 57 （ 20 ）： 121 - 128 .

LIU Kaicheng ， ZHONG Ming ， ZENG Pingliang ， et al . A novel model predictive control method for distributed compressed air energy storage system based on liquid air energy storage hub station ［J］. Electrical Measurement ＆ Instrumentation ， 2020 ， 57 （ 20 ）： 121 - 128 .

郭欢 . 新型压缩空气储能系统性能研究［D］. 北京：中国科学院， 2013 .

GUO Huan . Performance study on novel compressed air energy storage systems ［D］. Beijing ： Chinese Academy of Sciences ， 2013 .

尹斌鑫，苗世洪，李姚旺，等 . 考虑变寿命特性的先进绝热压缩空气储能电站容量规划模型［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 3 ）： 612 - 622 .

YIN Binxin ， MIAO Shihong ， LI Yaowang ， et al . A capacity planning model of advanced adiabatic compressed air energy storage plant considering lifetime varying characteristic ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 612 - 622 .

尹斌鑫，苗世洪，李姚旺，等 . 先进绝热压缩空气储能在综合能源系统中的经济性分析方法［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 19 ）： 4062 - 4075 .

YIN Binxin ， MIAO Shihong ， LI Yaowang ， et al . Study on the economic analysis method of advanced adiabatic compressed air energy storage in integrated energy system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 19 ）： 4062 - 4075 .

梅生伟，李瑞，陈来军，等 . 先进绝热压缩空气储能技术研究进展及展望［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 10 ）： 2893 - 2907 .

MEI Shengwei ， LI Rui ， CHEN Laijun ， et al . An overview and outlook on advanced adiabatic compressed air energy storage technique ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 10 ）： 2893 - 2907 .

郭祚刚，马溪原，雷金勇，等 . 压缩空气储能示范进展及商业应用场景综述［J］. 南方能源建设， 2019 ， 6 （ 3 ）： 17 - 26 .

GUO Zuogang ， MA Xiyuan ， LEI Jinyong ， et al . Review on demonstration progress and commercial application scenarios of compressed air energy storage system ［J］. Southern Energy Construction ， 2019 ， 6 （ 3 ）： 17 - 26 .

Goderich energy storage facility — world’s first commercial A-CAES facility & Energy Storage North America （ESNA） 2019 innovation award recipient ［EB/OL］. ［ 2022-03-30 ］. https：//www.hydrostor.ca/goderich-a-caes-facility https://www.hydrostor.ca/goderich-a-caes-facility .

清华电机系合作研发的金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目并网试验成功［EB/OL］.（ 2021-10-02 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.tsinghua.edu.cn/info/1181/87521.htm https://www.tsinghua.edu.cn/info/1181/87521.htm .

The grid connection test of Jintan salt cavern compressed air energy storage national test demonstration project jointly developed by Department of Electric Machinery ， Tsinghua University was successful ［EB/OL］. （ 2021-10-02 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.tsinghua.edu.cn/info/1181/87521.htm https://www.tsinghua.edu.cn/info/1181/87521.htm .

吴皓文，王军，龚迎莉，等 . 储能技术发展现状及应用前景分析［J］. 电力学报， 2021 ， 36 （ 5 ）： 434 - 443 .

WU Haowen ， WANG Jun ， GONG Yingli ， et al . Development status and application prospect analysis of energy storage technology ［J］. Journal of Electric Power ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 434 - 443 .

重大进展：国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目顺利并网［EB/OL］.（ 2022-01-01 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.sohu.com/a/513652446_121258656 https://www.sohu.com/a/513652446_121258656 .

Major progress： successful integration of the first international 100 MW advanced compressed air energy storage national demonstration project ［EB/OL］.（ 2022-01-01 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.sohu.com/a/513652446_121258656 https://www.sohu.com/a/513652446_121258656 .

全球能源互联网 . 世界首例！5 MW/15 MW·h液态空气储能技术项目在英国投运［J］. 云南电力技术， 2018 ， 46 （ 5 ）： 42 .

Global Energy Interconnection . World first case！5 MW/15 MW·h liquid air energy storage technology project in UK ［J］. Yunnan Electric Power ， 2018 ， 46 （ 5 ）： 42 .

英国大曼彻斯特郡开始部署 50 MW/ 250 MW·h液态空气储能设施［EB/OL］.（ 2020-11-09 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.sohu.com/a/430550552_465261 https://www.sohu.com/a/430550552_465261 .

Greater Manchester County in the UK began to deploy 50 MW/ 250 MW·h liquid air energy storage facilities ［EB/OL］. （ 2020-11-09 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.sohu.com/a/430550552_465261 https://www.sohu.com/a/430550552_465261 .

徐桂芝，宋洁，王乐，等 . 深冷液化空气储能技术及其在电网中的应用分析［J］. 全球能源互联网， 2018 ， 1 （ 3 ）： 330 - 337 .

XU Guizhi ， SONG Jie ， WANG Le ， et al . Cryogenic liquefied air energy storage technology and application analysis in power grid ［J］. Journal of Global Energy Interconnection ， 2018 ， 1 （ 3 ）： 330 - 337 .

KANTHARAJ B ， GARVEY S ， PIMM A . Compressed air energy storage with liquid air capacity extension ［J］. Applied Energy ， 2015 ， 157 ： 152 - 164 .

PIMM A J ， GARVEY S D ， KANTHARAJ B . Economic analysis of a hybrid energy storage system based on liquid air and compressed air ［J］. Journal of Energy Storage ， 2015 ， 4 ： 24 - 35 .

LUO X ， WANG J H ， KRUPKE C ， et al . Modelling study， efficiency analysis and optimisation of large-scale adiabatic compressed air energy storage systems with low-temperature thermal storage ［J］. Applied Energy ， 2016 ， 162 ： 589 - 600 .

GUIZZI G L ， MANNO M ， TOLOMEI L M ， et al . Thermodynamic analysis of a liquid air energy storage system ［J］. Energy ， 2015 ， 93 ： 1639 - 1647 .

何青，王立健，刘文毅 . 深冷液化空气储能系统的热力学建模及㶲分析［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2018 ， 46 （ 10 ）： 127 - 132 .

HE Qing ， WANG Lijian ， LIU Wenyi . Thermodynamic model and exergy analysis of cryogenic liquefied air energy storage system ［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2018 ， 46 （ 10 ）： 127 - 132 .

张远 . 风电与先进绝热压缩空气储能技术的系统集成与仿真研究［D］. 北京：中国科学院， 2014 .

ZHANG Yuan . Study on system integration and simulation of wind power and advanced adiabatic compressed air energy storage technology ［D］. Beijing ： Chinese Academy of Sciences ， 2014 .

刘佳 . 超临界空气蓄热蓄冷数值与实验研究［D］. 北京：中国科学院， 2012 .

LIU Jia . Numerical and experimental study on heat and cold energy storage using supercritical air ［D］. Beijing ： Chinese Academy of Sciences ， 2012 .

仲华 . 超临界压缩空气堆积床蓄冷器储/释冷性能研究［D］. 北京：华北电力大学， 2020 .

ZHONG Hua . Study on thermal performance of packed bed cold storage system with supercritical compressed air ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2020 .

李姚旺，苗世洪，尹斌鑫，等 . 考虑先进绝热压缩空气储能电站备用特性的电力系统优化调度策略［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5392 - 5404 .

LI Yaowang ， MIAO Shihong ， YIN Binxin ， et al . Power system optimal scheduling strategy considering reserve characteristics of advanced adiabatic compressed air energy storage plant ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5392 - 5404 .

丁逸行，徐青山，吕亚娟，等 . 考虑需量管理的用户侧储能优化配置［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 4 ）： 1179 - 1186 .

DING Yixing ， XU Qingshan ， LÜ Yajuan ， et al . Optimal configuration of user-side energy storage considering power demand management ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 4 ）： 1179 - 1186 .

ANAND H ， NARANG N ， DHILLON J S . Unit commitment considering dual-mode combined heat and power generating units using integrated optimization technique ［J］. Energy Conversion and Management ， 2018 ， 171 ： 984 - 1001 .

蔡杰，张松岩，杜治，等 . 含光热集热模块的先进绝热压缩空气储能系统容量配置策略［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 7 ）： 165 - 176 .

CAI Jie ， ZHANG Songyan ， DU Zhi ， et al . Capacity allocation strategy of advanced adiabatic compressed air energy storage system with solar thermal collector module ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 165 - 176 .

孔昱凯，温步瀛，唐雨晨 . 考虑辅助服务含储能区域电网运行优化［J］. 电气技术， 2021 ， 22 （ 4 ）： 26 - 32 .

KONG Yukai ， WEN Buying ， TANG Yuchen . Operation optimization for regional grid containing energy storage considering auxiliary service ［J］. Electrical Engineering ， 2021 ， 22 （ 4 ）： 26 - 32 .

张谦，邓小松，岳焕展，等 . 计及电池寿命损耗的电动汽车参与能量-调频市场协同优化策略［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 1 ）： 72 - 81 .

ZHANG Qian ， DENG Xiaosong ， YUE Huanzhan ， et al . Coordinated optimization strategy of electric vehicle cluster participating in energy and frequency regulation markets considering battery lifetime degradation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 72 - 81 .

曹广亮，陈曦 . 液化空气储能技术的优势分析及发展现状［J］. 真空与低温， 2016 ， 22 （ 1 ）： 11 - 15 .

CAO Guangliang ， CHEN Xi . Advantages and development status of liquid air energy storage technology ［J］. Vacuum and Cryogenics ， 2016 ， 22 （ 1 ）： 11 - 15 .

黄伟，刘文彬 . 基于多能互补的园区综合能源站-网协同优化规划［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 23 ）： 20 - 28 .

HUANG Wei ， LIU Wenbin . Multi-energy complementary based coordinated optimal planning of park integrated energy station-network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 23 ）： 20 - 28 .

2017年“公转铁”货运成本、运价对比及行业发展长期趋势分析［EB/OL］.（ 2018-08-31 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.chyxx.com/industry/201808/672602.html https://www.chyxx.com/industry/201808/672602.html .

Analysis on freight cost ， freight price comparison and industry development trend of “highway to railway” in 2017 ［EB/OL］. （ 2018-08-31 ）［ 2022-03-30 ］. https：//www.chyxx.com/industry/201808/672602.html https://www.chyxx.com/industry/201808/672602.html .

YIN B X ， LI Y W ， MIAO S H ， et al . An economy and reliability co-optimization planning method of adiabatic compressed air energy storage for urban integrated energy system ［J］. Journal of Energy Storage ， 2021 ， 40 ： 102691 .

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