【Carbon Neutrality论文荐读】陈海生研究员团队：基于容积减压的压缩空气储能系统动态特性

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近日，中科院工程热物理研究所陈海生研究员团队提出基于容积减压调控方法（SER）的压缩空气储能（CAES）系统，优化传统节流阀控制精度低的问题，优化膨胀罐体积与控制策略，为CAES参与电网调频提供高效技术方案。

文章亮点

1. 动态控制策略对于压缩空气储能（CAES）系统全工况高效运行至关重要。

2. 提出了一种基于切换式膨胀减压（SER）调节的新型控制结构与策略。

3. 开展了压缩空气储能（CAES）系统适配于调频辅助服务的动态运行研究。

4. 得出了切换式膨胀减压（SER）单元的最优控制策略与最优体积参数。

内容简介

在高比例可再生能源并网背景下，压缩空气储能（CAES）因大容量、长时程、响应快等优势成为提高电网稳定性的关键技术。中国科学院工程热物理所团队针对上述痛点，提出集成容积减压调控单元（SER）的绝热CAES系统，通过“压力-流量解耦”突破CAES传统节流控制策略的瓶颈。团队通过热力学建模与动态仿真，验证了SER用于CAES动态调节的优越性：动态调频工况下，㶲损失占明显降低；建立阀门开度-压力-流量特性曲线，在动态运行过程中，SER相比传统节流阀，阀门运行工况稳定，调节精度高。同时，基于独立储能参与电网AGC调频的相关标准，对调节部件进行优化；创新提出“调节宽度”控制策略，提高阀门稳定性，保障系统高效运行。该研究为CAES系统提高动态性能，精准参与电网调频、降低不可逆损失提供了理论支撑与技术路径，对推动大容量储能技术适配高比例可再生能源电网具有重要意义。

图文导读

全球可再生能源装机量持续增长，但其间歇性、波动性导致电网频率波动加剧，对储能系统的动态调节能力提出更高要求。压缩空气储能技术（CAES）以其大规模，低成本，高寿命的特点成为最具发展潜力的储能技术之一。

图1. CAES系统装机预测（DOE）

压缩空气储能技术是一种通过 “空气压缩储能 - 高压释能发电” 实现能量循环的长时大容量储能技术，其充放电过程围绕 “能量存储” 与 “能量释放” 两大核心环节展开，需结合压缩机、储热 / 换热设备、空气储存装置、膨胀机等核心组件协同工作。在运行过程中，CAES面临着可再生能源波动，储网协同灵活性挑战，以及多种储气方式下气体压力流量的复杂变化的运行情况。研究压缩空气储能系统的动态运行与调控特性，对保障系统高效稳定运行，提高综合性能以及对复杂工况的适应性具有重要作用。

图2. 压缩空气储能系统运行流程

针对释能过程，压缩空气储能系统传统的调节方式是通过节流阀调节膨胀机组入口的压力和流量，以达到功率需求。工程热物理研究所团队创新性地将容积减压机构应用于释能过程中，代替单一节流阀。容积减压机构包括开关阀，膨胀罐和节流阀。核心是借助膨胀罐等容积缓冲装置，先让高压流体进入罐内完成粗调压（缓冲压力波动、减少能量损失），再通过阀门精细控制排出速率，最终得到稳定低压流体。相比传统节流阀靠局部阻力耗能减压，它能实现压力与流量解耦，㶲损失更低，适配 CAES、高压气动系统等对控压精度和能效有要求的场景。

图3. 基于容积减压机构的绝热压缩空气储能系统

团队进行完整的热力学建模和评价指标构建，包括释能过程关键部件的变工况性能，流动过程㶲流分析，阀门压力-流量-开度性能曲线，并结合独立储能参与电网调频的评价指标设计释能功率波动场景，以探究压缩空气储能系统的动态性能和应用参考。

图4. 系统建模与评价方法

结论一：

提高系统响应精度

SER机构进行动态调控可以提高CAES系统响应精度。传统节流阀和SER进行CAES动态调控时阀门状态如图。传统节流阀的动态调节方面难以满足调频服务对“快速响应、精准控制”的需求——节流阀同时调节压力与流量。在高压差-高流量差的调节要求下，1%开度变化可能引发5%-8%的流量波动，不仅难以实现调节精度要求，还容易导致压力调节过程中出现超调或欠调问题。与之相反，SER 系统中的调节阀运行在更合理的无量纲开度区间（0.2-0.75），此区间内流量 - 开度曲线斜率平缓，对应的流量变化率稳定在 30-50kg/s，约为 0.3-0.5kg/(s・%)。这意味着，1% 的开度调整仅会引发 0.3-0.5kg/s 的可预测流量变化，远低于单节流阀（运行于 0.1-0.3 开度区间）1% 开度调整所导致的 0.8-1.6kg/s 流量变化。更低且更稳定的流量变化率，使 SER 系统能够以更小的误差控制质量流量与压力。

图5. 节流阀/容积减压调控方式阀门运行状况对比

结论二：

优化部件，减少能量损失

团队研究得到了SER机构参与压缩空气释能过程的㶲损失规律。通过改变膨胀罐的体积探究SER各部件的㶲损失和压力波动规律：体积过小会导致压力波动剧烈；体积过大则增加设备成本且㶲损失回升。通过㶲分析发现，由于不同的膨胀罐体积影响两个阀门的节流配合作用，SER机构总能找到㶲损的极小值点。在仿真的系统和运行工况下，70m³时SER机构得到㶲损最小值（13873MJ），此时压力波动相对平稳，成为10MW/60MWh系统的最优选择。

图6. 膨胀罐体积对压力波动与㶲损失的影响（左：压力波动；右：㶲损）

进一步，团队结合多组仿真结果，系统热力学公式以及设计工况曲线，推导出给定系统下膨胀罐最优体积的参考公式。该式从能量损失最小的角度提供膨胀罐体积选择的方案，并且可以通过公式判断系统参数改变后，膨胀罐体积的优化方向。

图7. 膨胀罐最优体积公式推导

结论三：

优化控制策略，提升系统稳定性

当膨胀机功率级较大时，开关阀的截面积增大，动作时间延长，开关阀的开关频率将会明显影响开关阀运行的稳定性。本研究优化了组合阀门的控制策略，结合市场要求和开关阀稳定性需求，设定指令压力区间代替单一的指令压力曲线。如图所示，市场对于储能机组的调节精度要求为小于等于机组额定功率的1.5%，针对该机组，膨胀机入口压力与需求压力差应不大于0.15MPa。

图8. 阀门控制逻辑优化

不同调节宽度下的压力曲线与阀门动作次数如图所示，随着指令压力区间的拓宽，开关阀次数会明显减小，但是过宽的工作区间也会增加损失，影响精度。在10MW的模拟系统下，指令压力区间增加到0.3MPa时，从图线中可以看到开关阀的动作已经均匀稳定，且开关次数降低了50%。

图9. 不同调节宽度下的压力曲线与阀门动作次数

总结展望

本文建立 10MW CAES系统热力学模型，提出基于 SER 机构的释能调控。相比传统节流阀节流，控制精度更高、㶲损失更小；以该系统为对象，结合二次调频场景探究运行规律与控制方法，得出核心结论：SER 解耦压力流量控制，动态调节性能优异；存在最优膨胀罐体积（10MW/60MWh 系统约 70m³）使㶲损失最小；调节宽度策略可稳定切换阀运行。

未来可通过搭建更贴近实际工况的仿真控制回路（如加入阀门延迟、气动特性，环境干扰等真实因素），进一步验证CAES系统在复杂电网场景下的适应性，为其工程化应用提供更精准的理论支撑。

原文信息

Dynamic performance of CAES based on switching expansion reduction

作者：

Siqi Zhang, Xinjing Zhang*, Runze Wang, Yu Jing, Yuting Yang, Saisong Huang, Yujie Xu & Haisheng Chen

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00140-z

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-025-00140-z

Cite this article：

Zhang, S., Zhang, X., Wang, R. et al. Dynamic performance of CAES based on switching expansion reduction. Carb Neutrality 4, 24 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00140-z

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通讯作者介绍

陈海生，中国科学院工程热物理研究所，研究员

研究领域

长期从事新型大规模储能技术、限定空间尺度内流动、传热与储热（冷）特性、叶轮机械内部流动机理等研究工作。

个人简介

陈海生，中国科学院工程热物理研究所研究员、博导，英国能源学会会士（Fellow）、国家杰出青年基金获得者、享受国务院特殊津贴专家。现任中国科学院工程热物理研究所所长，兼任中国工程热物理学会副理事长兼秘书长、中国能源研究会储能专委会主任、中关村储能技术与产业联盟理事长。

长期从事新型大规模储能技术、限定空间尺度内流动、传热与储热（冷）特性、叶轮机械内部流动机理等研究工作。组建了含100余人的国内最大的物理储能研发团队，攻克1-300MW先进压缩空气储能各项关键技术，主持建成国际首套1.5MW、10MW、100MW、300MW先进压缩空气储能示范系统，并已实现产业化，研发进程及性能指标均处于国际领先水平。先后主持了国家重点研发计划项目、国家杰出青年基金项目、中科院先导专项项目、科技部国际合作项目等各类项目30余项。发表论文700余篇，其中SCI论文300余篇，SCI他引17000余次。出版专著15部，参与编写专著12章。已申请专利600余项（国际21项），授权专利400余项（国际授权19项、发明专利授权210余项）。荣获中国青年科技奖特别奖、英国皇家学会牛顿高级学者奖、中国科学院青年科学家奖、腾讯科学探索奖等奖励。

联系方式

E-mail: chen_hs@iet.cn

张新敬，中国科学院工程热物理研究所，研究员

研究领域

主要研究方向围绕动力机械工程及工程热物理，开展压缩空气储能、分布式供能与储能、混合储能与微电网等方面的研究。

个人简介

主要研究方向围绕动力机械工程及工程热物理，开展压缩空气储能、分布式供能与储能、混合储能与微电网等方面的研究。发表学术论文100余篇，获授权专利30余项。荣获工信部能源电子产业创新大赛金奖、北京市自然科学基金优秀成果奖等。

联系方式

E-mail: zhangxinjing@iet.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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