常规能源日益枯竭和环境污染日趋严重使得可再生能源发电得到了极大的关注和发展。风能是目前最具大规模商业化开发能力的非水可再生资源,然而风能的不连续、不稳定、不可控的非稳态特性导致风电功率难以有效预测、调度和控制,严重制约了风能的利用和风电的大规模发展。储能技术能够对电能进行时空平移,为平抑风电功率波动、提高风电利用率提供了一种有效手段。压缩空气储能是近年来兴起的一种新型储能方式,因其具有寿命长、容量大、成本低、环境污染小等优点而备受关注,但是目前与蓄电池等其他储能技术相比,压缩空气储能的循环效率仍旧偏低,在整个储能市场的占有率仍不高。究其原因:一方面由于压缩空气储能本身结构和能量转换机理复杂,多种规律并存且相互作用,导致其分析和建模困难,难以对其精确控制和优化;另一方面,有别于蓄电池等传统储能方式,压缩空气储能效率受运行工况影响较大,现有的储能系统能量管理策略缺乏对储能系统自身特性的考虑,导致压缩空气储能长期运行在低效区,增加了压缩空气储能系统的使用成本。针对上述问题,本文从压缩空气储能系统自身效率优化和压缩空气储能与风电结合系统的能量优化两方面开展理论分析与关键技术研究,主要研究内容及创新点如下:(1)针对压缩空气储能系统中能量转换机理复杂,压缩/膨胀设备参变量多、部分参数时变且难以测量,导致建模困难,难以对其进行精确优化控制的问题。提出了一种基于机理分析和数据驱动结合的混合建模方法,通过能量守恒、质量守恒定律分析确定压缩空气储能系统输入、输出参数之间的关系并建立微分方程,选择容易测量和控制的进气压力、温度、转速作为输入变量,排气流量、排气温度、转矩作为模型的输出变量,对微分方程中的其他变量进行集总,根据测得的试验数据,采用遗传算法对集总的参数进行辨识估计,最终形成压缩空气储能混合模型。该方法既保留对系统内部机理的反映,同时,选择便于观测和控制的系统变量对模型进行简化,大大减少系统模型复杂程度。模型计算结果和试验测试结果对比显示,在压缩空气储能正常工况范围内,混合模型的流量、转矩、排气温度计算结果都和试验数据趋于一致,误差均小于10%,表明本文提出的混合建模方法能够有效兼顾模型精度和工程实用性。(2)目前已有的压缩空气储能系统研究成果很少涉及系统在可变工况下的效率问题,压缩空气储能的效率与其运行工况密切相关。微型压缩空气储能系统由于经常被用来平抑分布式能源功率波动,其运行工况随外界参数(风、光等出力及负荷需求)的波动变化很大,需要长时间偏离额定设计工况运行。本文对压缩、膨胀过程中影响储能效率的泄漏、摩擦、传热等因素进行定量测试与分析,揭示了其与储能系统运行工况(输入输出功率、转速等)的内在耦合关联关系。在此基础上提出了“模型和搜索”结合压缩空气储能系统最大效率控制策略,试验测试表明,所提出的控制策略能够保证压缩空气储能系统在全工况范围内始终维持在最大效率点,有效提高了压缩空气储能系统在复杂多变工况下的效率和适应性,为压缩空气储能结构优化以及压缩空气储能-风电系统能量优化提供了基础。(3)小型独立运行风力发电系统储能蓄电池使用寿命短、存在二次污染。本文构建了压缩空气储能和少量蓄电池组成的混合储能独立运行风电系统。在充分考虑压缩空气储能工作特性和风电系统能量波动特点的情况下,针对压缩空气储能动态响应慢,蓄电池频繁大功率充放电导致损耗增加的问题,提出了基于超短期负荷预测的储能系统控制策略,克服压缩空气储能的响应慢的缺点,提高了系统的稳定性和蓄电池使用寿命;针对压缩空气储能效率随工况变化的特点,将压缩空气储能效率和蓄电池循环寿命纳入风电系统能量优化目标,提出了综合考虑压缩空气储能效率、电池使用寿命的多目标能量优化策略。通过协调压缩空气储能和蓄电池的出力,避免了压缩空气储能工作在低效区。(4)风电的波动具有多时间尺度特性,单一压缩空气储能难以满足其要求,本文在分析风电功率幅频特性的基础上构建了压缩空气、蓄电池、超级电容组成的多元复合储能系统,该组合充分利用压缩空气储能的大容量、低成本特点,电池的高能量密度以及超级电容的高功率密度特性,算例仿真表明了该组合具有明显的成本优势;提出了储能系统全寿命周期成本折算方法,将储能装置的成本、寿命、维护的难易程度等指标的进行统一量化,为复合储能容量优化配置提供了客观的评价标准;提出了一种基于经验模式分解的复合储能多时间尺度能量管理策略,根据风电功率波动的时间尺度特性精确的对不同储能装置分配功率,实现了复合储能功率分配从“定性”到“定量”的转变。算例分析表明,相对于传统的基于滤波方法的能量管理策略,本文方法有效避免了滤波器的时间常数选择对平滑效果及储能容量的配置的影响,可为不同储能介质间能量分配提供了一定的理论依据。(5)设计并搭建了基于涡旋机的压缩空气储能-风电系统试验平台并对所提理论进行了试验验证。通过对比采用负荷预测前后混合储能装置的功率变化,验证了所提出的基于负荷预测的能量管理策略能够提前调度压缩空气储能出力,减少蓄电池功率波动;进行了混合储能系统多目标优化调度试验,结果显示在整个试验区间内,压缩空气储能均高于40%,验证了所提能量管理策略的有效性;对本文提出的储能系统和传统的单独蓄电池储能系统进行了对比测试,结果表明相同工况下本文系统的储能成本仅为传统单独蓄电池储能的47%,具有明显的优势。本文的试验系统不仅验证了所提理论的有效性,同时亦为推动压缩空气储能工程应用积累了技术经验。