CN102606309A

CN102606309A - 新型压缩空气储能系统

Info

Publication number: CN102606309A
Application number: CN2012100708849A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 褚晓广; 李珂; 荆业飞; 田崇翼; 王吉红
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: CN102606309B

Abstract

本发明公开了一种新型压缩空气储能系统，包括涡旋式复合机、储气罐，涡旋式复合机与储气罐之间通过两条并联的气体通路相连，其中一路上设有单向阀，另一路上设有比例电磁阀；涡旋式复合机通过变速装置与永磁同步电机相连，永磁同步电机通过双向PWM变流器与微电网相连；储气罐内设有辅助性负载，所述辅助性负载通过IGBT连接于双向PWM变流器与微电网相连的直流母线上；前述各电器元件均通过线路与中央控制器相连。该系统实现了涡旋机膨胀功能的最大功率跟踪和效率跟踪，提高了压缩储能装置的供电能力和转化效率。

Description

新型压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及一种压缩空气储能系统，尤其是一种应用于微电网系统的新型压缩空气储能系统。

背景技术

微电网技术凭借其在节能、环保及应对突发事件上的优势，业已成为21世纪电力系统最重要的研究热点。利用风力、光伏等清洁能源是微电网的主要优点之一，但自然资源波动性和间歇性的特点直接影响系统的稳定和电能质量，遂使得储能系统及装置在微电网构建中的重要性日益得到广泛认可与关注。

微电网中普遍采用蓄电池储能装置平抑功率平衡，但蓄电池储能存在循环寿命短、电池剩余容量难于准确检测计算且存在生产过程及废旧处置中的污染转移问题，增加构建微网系统成本以及环保压力。压缩空气储能(CAES)具有使用周期长、环境友好且储存剩余能量易于监控等优点，在世界范围内备受关注，被认为是新世纪极具前景的能量存储系统。目前研究的压缩空气蓄能技术多采用空气压缩机将用电低谷的多余电能以压缩空气的形式储存在封闭的岩洞内；而在用电高峰时，压缩空气再与天然气混合、燃烧、膨胀以驱动燃气轮机带动发电机发电，压缩空气储能主要完成电网的削峰填谷，但工作过程需与天然气混合燃烧，导致废气排放产生环境污染，另外对地理条件(存储压缩气体的岩洞)依赖较大，不利于微电网系统的构建。

发明专利US7086231B2披露了一种新型的压缩空气储能装置，膨胀发电采用无需燃料配合的涡轮机完成膨胀释能，有效降低环境污染，而由电动机驱动压缩机完成压缩储能，结构复杂不利于微电网系统构建，加大了微电网构建成本，系统所用的压缩机和膨胀机也存在气动转化效率低下的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种应用于微电网系统的压缩空气储能系统，该系统采用双向PWM变流器完成压缩储能装置和微电网系统的能量交互，PWM变流器的柔性控制可有效降低逆变电压谐波对电动机的影响，同时作为整流器使用时可结合比例阀门的控制调节涡旋式复合机转速，实现涡旋式复合机膨胀功能最大功率跟踪和效率跟踪，提高压缩储能装置的供电能力和转化效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种新型压缩空气储能系统，包括涡旋式复合机、储气罐，所述涡旋式复合机与储气罐之间通过两条并联的气体通路相连，其中一路上设有单向阀，另一路上设有比例电磁阀；涡旋式复合机通过变速装置与永磁同步电机相连，永磁同步电机通过双向PWM变流器与微电网相连；所述储气罐壳体内设有辅助性负载，所述辅助性负载通过IGBT连接于双向PWM变流器与微电网相连的直流母线上；前述各电器元件均通过线路与中央控制器相连。

所述双向PWM变流器与微电网相连的电路上设有吸合开关。

所述辅助性负载为设置于储气罐内的电阻丝。

所述储气罐内设有压力和温度传感器。

所述永磁同步电机上设有角速度传感器。

所述微电网上设有交流电流传感器。

所述直流母线上设有直流母线电压和电流传感器。

所述变速装置上设有速度控制器，变速装置为变速器。

所述压力和温度传感器、电机角速度传感器、交流电流传感器、直流母线电压和电流传感器、比例电磁阀、PWM变流器、吸合开关、IGBT和速度控制器分别与中央控制器相连。

本发明中的压力和温度传感器、电机角速度传感器、交流电流传感器、直流母线电压和电流传感器、比例电磁阀、PWM变流器、吸合开关、IGBT、速度控制器和中央控制器(CCU)均为现有技术，在此不再赘述。

本发明中的涡旋式复合机与已公开的中国专利申请201110002249，名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩-膨胀复合机》中的复合机完全相同，该专利申请对涡旋式复合机的工作原理和工作过程有较为详细的介绍和说明，在此不再赘述。

本发明中，PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，中文译为脉冲宽度调制，简称脉宽调制。

CCU是Central Control Unit的缩写，中文译文为中央控制器。

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写，中文译文为绝缘栅双极型晶体管。

涡旋压缩机具有结构紧凑、无污染、泄漏小和气动转化效率高等优点，目前已广泛应用于空调、医药等领域，特殊的内部结构可实现压缩储能和膨胀释能的一机复用，而且逆转完成膨胀功能时依然继承了压缩功能高能量转化效率的优点，其气动能量转化效率高达45％，远高于叶轮式膨胀机20％的转化效率；同时该结构配合电机的一机复用功能可实现压缩储能和膨胀释能的机械结构一体化。当微电网系统中新能源产生功率大于负载功率时，电机运行在电动机状态进行驱动涡旋机(压缩模式)进行压缩储能，而在负载功率不足时，涡旋机运行在膨胀模式驱动电机发电实现膨胀释能，从而完成气体内能和电能的高效转化。

本发明由涡旋式复合机(具有压缩和膨胀复用功能)、永磁同步电机(具有电动机和发电机功能)、双向PWM变流器、单向阀、比例电磁阀、储气罐、变速装置以及辅助性负载等组成，当微电网中存在多余功率时，在辅助性负载协调控制下起动涡旋式复合机，将多余功率以压缩空气的形式进行能量储存，此时PWM变流器运行在逆变状态、电机则运行于电动机状态，辅助性负载消耗涡旋复合起动过程系统多余功率，同时当气罐压力较大时，微电网多余功率无法驱动涡旋式复合机进行压缩储能时，起动辅助性负载消耗此部分多余功率；当微网中负载功率不足时，由比例电磁阀根据差额功率动态调节供气压力，涡旋式复合机运行在膨胀释能工作模式，PWM变流器则将发电机输出整流并通过直流母线补充不足功率。

本发明的有益效果是：可平衡微电网系统中负载功率，实现“平峰填谷”功能；减小风能、太阳能发电功率随机波动对微电网稳定性影响，降低微电网系统中柴油机的启停频率，有效改善负载供电质量；采用涡旋式复合机膨胀释能时不需其他燃料配合，因此不存在传统压缩空气储能发电技术中的环境污染问题；基于涡旋式复合机和电机的机械结构一体化系统，有效降低了压缩储能装置的成本和系统结构复杂性；专利中实现压缩储能装置和微电网能量交互的双向PWM变流器可有效减小逆变谐波，降低发热及振动对电机寿命的影响，采用的基于比例阀门和PWM变流器调速可有效提高膨胀释能的能量转化效率；辅助性负载可有效解决涡旋式复合机(压缩储能)启动过程功率平衡问题，且辅助性负载产生热量可对储气罐内气体加热，提高压缩气体内能，进一步提高本发明的能量转化效率。

附图说明

图1表示了压缩储能装置的结构简图；

图2表示了压缩储能装置控制输入和输出信号；

图3表示了压缩储能装置控制结构图；

图4表示了压缩储能装置的双向PWM变流器的控制结构；

图5表示了压缩储能装置的控制流程图。

本专利所设计的压缩储能装置(如图1)包括储气罐(②)、涡旋式复合机(⑤)、永磁同步电机(⑦)、双向PWM变流器(⑧)、(③)、(①)

其中1.辅助性负载，2.储气罐，3.比例电磁阀，4.单向阀，5.涡旋式复合机，6.变速装置，7.永磁同步电机，8.双向PWM变流器，9.IGBT，10.吸合开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图5所示，一种应用于微电网系统的新型压缩空气储能系统，包括涡旋式复合机5、储气罐2，所述涡旋式复合机5与储气罐2之间通过两条并联的气体通路相连，其中一路上设有单向阀4，另一路上设有比例电磁阀3；涡旋式复合机5通过变速装置6与永磁同步电机7相连，永磁同步电机7通过双向PWM变流器8与微电网相连；所述储气罐2内设有辅助性负载1，所述辅助性负载1通过IGBT9连接于双向PWM变流器8与微电网相连的直流母线上；前述各电器元件均通过线路与中央控制器相连。

双向PWM变流器8与微电网相连的电路上设有吸合开关10。辅助性负载1为设置于储气罐2内的电阻丝。储气罐2内设有压力和温度传感器。永磁同步电机7上设有电机角速度传感器。微电网上设有交流电流传感器。直流母线上设有直流母线电压和电流传感器。变速装置6上设有速度控制器，变速装置6为变速器。压力和温度传感器、电机角速度传感器、交流电流传感器、直流母线电压和电流传感器、比例电磁阀3、PWM变流器8、吸合开关10、IGBT9和速度控制器分别与中央控制器相连。

涡旋式复合机5是实现机械能与气体内能相互转换的关键设备，在电动机驱动下压缩储能，将多余电能以压缩空气的形式储存，而在高压气体驱动下逆转，将压缩气体内能转化为机械能驱动发电机以补充微电网不足功率。涡旋式复合机5与储气罐2之间有两条气体通路：其中一通路安装有单向阀4，以防止高压气体逆流；另一通路装有比例电磁阀3。当涡旋式复合机5工作于压缩模式时，比例电磁阀3完全关闭，涡旋式复合机5排出高压气体经过通路单向阀4存储在储气罐2；当涡旋式复合机5工作于膨胀模式时，由于单向阀4的阻断作用，气体经比例电磁阀3单向流入涡旋式复合机5内进行膨胀。

储气罐2是压缩空气存储设备，其罐体内嵌有电阻丝(辅助性负载1)，可对罐内气体进行加热以提高压缩气体内能；辅助性负载1在IGBT 9的驱动下，辅助涡旋式复合机5调控微电网功率，吸收压缩储能无法消耗的多余能量。

永磁同步电机7是实现机械能和电能互相转化的关键设备，系统运行压缩模式时，其运行在电动机状态；而运行在膨胀模式时，其运行在发电机状态。

变速装置6主要完成涡旋式复合机5和永磁同步电机7的转速匹配，以提高涡旋式复合机5的运行效率。

双向PWM变流器8具有逆变和整流复合功能，系统运行在压缩模式时，将微电网多余能量逆变成交流电，驱动永磁同步电机7完成压缩储能的功能；而在系统运行在膨胀模式时，在比例电磁阀3的配合下，对涡旋式复合机5进行最大功率跟踪控制和最大效率跟踪控制，以提高气动转化效率。

根据微电网控制单元的功率控制指令和检测的直流母线电压，存在如下三种工作模式：

1.辅助负载模式

当微电网的功率指令大于零，但由于储气罐2内气压较大，无法启动涡旋式复合机5运行时，此部分功率完全由辅助性负载1进行平抑，产生的能量对储气罐2内气体加热，以提高储气罐2内气体内能。

2.压缩储能模式

当微电网的功率指令大于零，且满足涡旋式复合机5启动条件，此时进入压缩储能模式，涡旋式复合机5压缩储能和辅助性负载1协调运行以吸收微电网多余能量；由于储气罐2压力使其存在较大负载转矩，涡旋式复合机5启动过程无法完全吸收微电网所要求功率，此时辅助性负载1吸收此部分差额功率；由于双向PWM变流器8功率等级以及直流母线电压限制，涡旋式复合机5存在由最高转速和储气罐2压力所决定的最大吸收功率，辅助性负载1可有效吸收超过涡旋式复合机5最大吸收功率多余的功率。

3.膨胀模式

当微电网的功率指令小于零，启动涡旋式复合机5将压缩气体内能膨胀释能以补充电网所需不足功率，系统运行在膨胀模式，在此模式下，涡旋式复合机5可根据微电网的功率指令以及储气罐2气体压力，涡旋式复合机5可运行在最大功率模式以及最大效率跟踪模式。

压缩空气储能所存能量可通过储气罐2内气体压力及温度进行有效估计，压力和温度可通过压力和温度传感器进行检测，并基于压力和温度估计涡旋式复合机压缩储能模式的负载转矩和膨胀模式的最大膨胀功率。上述两个关键值决定压缩储能装置的工作模式以及相应控制策略。

控制策略(如图5所示)

P_MG：微电网的功率指令；

T_com：由储气罐2气体压力所估计的涡旋式复合机5的负载转矩；

P_em：由储气罐2气体压力所估计涡旋式复合机5(膨胀模式)产生的最大功率

T_max：对应微电网功率指令以及涡旋式复合机5(压缩模式)最低转速所提供的最大转矩；

1.若P_MG＞0，但T_max＜T_com，即储气罐2内气体压力较大，多余的能量无法驱动压缩模式。直流母线吸合开关断开，辅助性负载1吸收微电网多余功率P_MG，通过调节IGBT 9的占空比，维持直流母线电压稳定，并将此部分能量对罐内气体加热，提高压缩气体内能。

2.若P_MG＞0，且T_max＞T_com，直流母线吸合开关吸合，涡旋式复合机5运行在压缩储能模式，比例电磁阀3关闭，此时微电网多余功率主要由压缩储能进行吸收，涡旋式复合机5的转速参考由微电网直流母线电压控制器获得，转速参考大于零，通过图4所示的永磁同步电机7的转速矢量控制快速跟踪，提高微电网多余功率平衡速度和直流母线电压调节速度，同时设置i_d为零，有效降低了电机内部损耗，提高了系统能量转化效率。而对于涡旋式复合机5启动过程以及最大吸收功率的微电网多余功率通过调控IGBT 9的占空比进行柔性吸收，并对储气罐2内气体进行加热。

3.若P_MG＜0，涡旋式复合机5工作在膨胀模式。若P_MG＜P_em时，涡旋式复合机5有足够能力补充微电网不足功率，此时涡旋式复合机5运行在最大效率工作模式，可通过比例电磁阀3和双向PWM变流器8的协调控制，在满足微电网所需功率的基础上，以最大发电效率为目标，动态调节供气压力以提高气动转化效率；若P_MG＞P_em时，涡旋式复合机5无法完全提供微电网不足功率，此时涡旋式复合机5运行在最大功率运行模式，比例电磁阀3开度最大，以储气罐2内气压作为涡旋式复合机5的供气压力，微电网不足功率由微电网中的后备电源(柴油机)进行平抑。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种新型压缩空气储能系统，其特征是，包括涡旋式复合机、储气罐，所述涡旋式复合机与储气罐之间通过两条并联的气体通路相连，其中一路上设有单向阀，另一路上设有比例电磁阀；涡旋式复合机通过变速装置与永磁同步电机相连，永磁同步电机通过双向PWM变流器与微电网相连；所述储气罐内设有辅助性负载，所述辅助性负载通过IGBT连接于双向PWM变流器与微电网相连的直流母线上；前述各电器元件均通过线路与中央控制器相连。

2.如权利要求1所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述双向PWM变流器与微电网相连的电路上设有吸合开关。

3.如权利要求2所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述辅助性负载为设置于储气罐内的电阻丝。

4.如权利要求3所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述储气罐内设有压力和温度传感器。

5.如权利要求4所述的应用于微电网系统的压缩空气储能系统，其特征是，所述永磁同步电机上设有电机角速度传感器。

6.如权利要求5所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述微电网上设有交流电流传感器。

7.如权利要求6所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述直流母线上设有直流母线电压和电流传感器。

8.如权利要求7所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述变速装置上设有速度控制器，变速装置为变速器。

9.如权利要求8所述的新型压缩空气储能系统，其特征是，所述压力和温度传感器、电机角速度传感器、交流电流传感器、直流母线电压和电流传感器、比例电磁阀、PWM变流器、吸合开关、IGBT和速度控制器分别与中央控制器相连。