CN103925216B - 柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于冷热电微电网系统含电热两接口的柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统，包括涡旋机、离合器、气路阀门、储气罐、蓄热罐、换热器、换热泵、永磁同步电机以及双向变流器。多涡旋机由离合器和气路阀门优化组合多种储能系统结构，结合气罐气压、微电网调度功率优化选择储能系统结构：基于涡旋机内外压力比确定串联结构，结合微电网调度功率和储能系统功率确定并联结构。采用换热器回收压缩和膨胀产生能量至蓄热罐，结合换热泵和微电网热环路热能交换，提高压缩储能效率。该发明将有效提升压缩储能效率和短时快变波动功率调整能力，将极大推动新能源产业发展和能源结构的优化升级。

Description

柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及一种柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统，尤其是一种应用于冷热电联供型微电网系统的压缩空气储能系统。

背景技术

在环境污染尤其雾霾天气日趋严重的今天，风能、太阳能等新能源快速发展，据统计，2013年新能源在全球能源消费量比例已达15%，并以每年约30%的速度增长，事实上新能源产业化进程并不顺畅，新能源大面积并网给电网安全带来诸多挑战和安全问题。研究发现高效储能设备及其优化控制技术是解决上述问题的关键。

目前常用的储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮、超级电容、电池等。正而压缩空气储能是目前唯一综合效益可与抽水蓄能媲美，且具有容量大，环境污染小的优点。传统压缩空气储能是由燃气轮机技术发展而来，膨胀过程需借助天然气混合燃烧，污染排放某种程度上限制其推广应用。近年来，科研工作者提出了绝热压缩空气储能系统，发明专利US7086231B2披露了该种压缩空气储能装置，膨胀发电无需燃料配合即实现能量存储与利用，借助蓄热环路回收压缩和膨胀热能。但系统未提供有效蓄热控制和应用途径，同时两支路结构功率等级固定、动态响应慢、结构复杂以及并网冲击电流大，对新能源长时慢变性功率波动具有控制作用，但对短时快变瞬态功率改善能力有限。发明专利ZL201210070884.9披露了一种新型压缩空气储能系统，采用集压缩和膨胀涡旋机构成一台单支路储能系统结构，存在如下问题：1）压缩储能功率等级固定，功率调整能力差，2）涡旋机因气罐气压经常工作在过/欠压缩和膨胀状态，严重影响储能效率；3）压缩和膨胀产热和制冷严重影响气动转化效率。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种含电热两接口的柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统。

本发明为解决上述问题采用的技术方案为：柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统包括涡旋机（压缩和膨胀两功能复用）、储气罐、蓄热罐、电磁离合器、阀门、换热器、换热泵、永磁同步电机（具有电动机和发电机功能）、双向PWM变流器等组成。多涡旋机通过离合器机械耦合成集压缩储能和膨胀释能两功能的单支路结构，该结构配合气路阀门改变储能系统结构，柔性调整储能系统消纳功率；采用换热器回收压缩和膨胀产生能量存储至蓄热罐，通过换热泵与微电网热环路能量交换，提高压缩储能效率。当微电网存在多余能量时，系统工作在压缩储能模式，结合微电网调度功率、气罐气压选择储能系统串并联结构，通过基于PWM变流器控制的电动机，将多余电能以压缩空气形式能量储存，结合蓄热温度和微电网热环路温度控制换热泵启停，完成本系统和微电网热量交换；当微电网能量不足时，系统工作在膨胀模式，结合微电网差额功率、气罐气压选择膨胀释能系统结构，高压气体经由涡旋机膨胀驱动永磁电机发电，补充微电网功率不足；当蓄热温度超出涡旋机高效运行区域时，系统进入蓄热温度控制模式，通过涡旋机工作模式、储能系统串并联结构以及换热泵工作方式的改变，全面快速调控蓄热温度以确保涡旋机高效工作。

所述涡旋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。

所述离合器和气路阀门可优化组合成多种储能系统结构，实现图2和图3多种类型，藉此柔性改变储能系统消纳功率，减小机械冲击和对电能质量的影响。

所述蓄热罐、换热泵和换热器可回收压缩制热和膨胀制冷，配合微电网热路能量，调控涡旋机气体和机壳温度，全面提升储能效率。

所述永磁同步电机可工作在发电机和电动机两工作模式，结合双向PWM变流器整流和逆变模式改变，完成压缩气体内能和电能之间转换，其设有角速度传感器、电流传感器以及电压传感器。

所述储气罐内设有压力和温度传感器。

所述蓄热罐内设有温度传感器。

所述压力和温度传感器、电机角速度传感器、交流电流和电压传感器、电磁离合器、气路阀门、PWM变流器分别与DSP58335CPU相连。

本发明所带来的有益效果：（1）本发明借助集压缩/膨胀功能于一体的涡旋机、集发电/电动于一体永磁同步电机以及集整流/逆变功能与一体的双向变流器共同构建了本新型变结构压缩空气储能系统，系统结构大幅简化，一改传统绝热压缩空气储能系统机构复杂、压缩储能效率偏低的问题。（2）本发明借助于电磁离合器和气路阀门柔性改变储能系统串并联结构，动态调整涡旋机级联机组内压缩和膨胀比，有效降低因过欠压缩和膨胀所致的系统功率损耗；系统结构调整可柔性改变储能系统消纳功率大小，大幅提升系统动态响应速度，有效解决了传统压缩空气储能系统对短时快变波动性功率平抑能力不足缺陷，同时非常适合解决新能源及电网功率波动的问题。（3）本发明借助换热泵、换热器以及蓄热罐构成的热储环路，回收压缩和膨胀所致热量，经由换热泵完成和微电网热能交换，全面改善因气体和涡旋机机壳温度变化所致涡旋机性能下降，消除因制冷所致腔室结冰、涡盘结构损坏等问题，同时本发明所提供的热能接口，经压缩和膨胀模式的动态改变，可为冷/热电联产微电网供热温度难以有效控制，提供了崭新的解决途径。

附图说明

图1表示了柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统结构简图。

图2表示了柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统压缩储能模式结构及调整顺序。

图3表示了柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统膨胀释能模式结构及调整顺序。

图4表示了柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统控制输入和输出信号。

本专利所设计的柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统（如图1）包括涡旋机（1、2、3、4）、储气罐（22）、蓄热罐（23）、电磁离合器（5、6、7）、阀门（10~19）、换热器（9）、换热泵（21）、永磁同步电机（8）、双向PWM变流器（20）等组成。

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。

本发明显著特征一储能系统结构柔性调整是经由电磁离合器（5~7）以及气路阀门（10-19）优化组合可分别构成图2压缩储能模式结构和图3膨胀释能模式结构，由于压缩模式时气罐气压逐步升高，为此压缩模式时机构调整遵循的是单级到多级箭头所指（图2）转化过程，同时为减小结构调整所致冲击，涡旋机逐级耦合(5-6-7)；膨胀释能模式结构调整遵循多级到单级箭头所指转化过程（图3）。至于储能系统柔性结构调整算法是由图4中具有快速数据处理能力的DSP28335基于外界工况实时优化获得。

本发明显著特征二提供电能/热能两能量类型与微电网交互接口如图1。其中双向变流器（20）可工作在整流和逆变两模式，实现电能量交换；热接口则通过换热泵（21）调速调向控制完成和微电网热能交换。双向变流器20控制采用基于电机定子磁链定向控制，并设置定子电流d轴分量i _d=0，采用结构调整前后转矩变化的发电机转矩电流协调优化策略，实现结构调整严格无冲击，有效改善电能质量。换热泵（20）控制则基于蓄热温度和微电网热路温度的对比，柔性改变换热泵转速和转向，严格控制蓄热器温度工作在设定范围内。

本发明专利系统因微电网调度功率、蓄热罐温度以及储气罐气体压力等变化工况，可工作于蓄热温度控制模式、压缩储能模式以及膨胀释能三种工作模式，其中蓄热温度控制模式快速调控热蓄温度确保压缩储能系统效率；压缩储能和膨胀释能两模式则通过系统结构柔性调整，结合阀门开度调节和发电机转矩电流补偿控制，快速消纳微电网调度功率，以实现最大压缩储能效率和最小机械冲击的控制目标，详细控制策略如下。

控制策略介绍中所涉变量名称见下表。

一、若T> T _max 或T< T _min ，系统运行于蓄热温度控制模式。当T> T _max ，涡旋机摩擦损耗增大，腔室气体和机壳之间频繁热交换导致多方压缩指数变化，压缩储能效率大幅降低，控制全部涡旋机串联膨胀制冷，停止换热泵和微电网热负荷交换，并以T _opt为温度参考，采用PI蓄热温度控制策略调控涡旋机供气压力，快速调控蓄热温度；当T< T _min ，机壳温度很低，严重时甚至出现结冰现象，影响膨胀效率，甚至损坏动涡盘结构，为此控制涡旋机全部串联工作在压缩制热模式，结合换热泵工作，快速调控蓄热温度。至于因系统制热或制冷产生的微电网消纳功率，则由微电网中后备发电设备柴油机或储能设备补偿平抑。

二、若T _max>T> T _min ，同时P _MG >0，p<p _max时，系统工作在压缩储能模式。为实现压缩储能高效运行以及系统结构柔性调整，须实时基于气罐气压和微电网调度功率优化选择压缩储能结构。鉴于过/欠压缩是影响涡旋机性能的关键因素，且过/欠压缩程度又随气罐气压升高而变化，压缩空气储能系统结构调整需遵循图2所示顺序，即I级压缩、II级压缩、III级压缩以及IV级压缩。其中，压缩级数由涡旋机外气体压力比和内压缩比决定；而压缩机并联结构则由压缩功耗和微电网电调度功率决定；同时为消除结构调整过程对微电网电能质量影响，采用基于结构调整前后转矩变化量前馈补偿的发电机转矩电流协调控制策略。

1）决定压缩储能系统涡旋机串联级数即压缩级数。由式 和，可得涡旋机串联级数为。

2）决定压缩储能系统涡旋机并联级数。基于第1）步获取压缩级数（stage）以及微电网电调度功率，实时计算此压缩级数不同并联结构系统压缩功耗，并选取压缩功耗和微电网调度功率偏差最小的结构作为下一时刻压缩空气储能系统机构。过/欠压缩严重影响涡旋机压缩性能，压缩功耗包括等熵压缩功耗和过/欠压缩功耗两部分，藉此分别计算系统不同结构压缩功耗。

级压缩功耗

，

其中为压缩指数；

II级压缩功耗

，

III级压缩功耗

，

IV级压缩功耗

。

3）基于优化选择的压缩储能机构，由协调控制器控制离合器和气路阀门改变压缩储能系统结构，同时基于结构调整前后转矩变化前馈补偿电动机转矩电流，以减小结构调整对微电网电能质量影响。

三、若T _max>T> T _min ，且P_MG <0，p>p _min时，系统运行在膨胀释能模式。为实现膨胀释能高效工作以及系统结构柔性调整，须实时基于气罐气压和微电网调度功率优化选择系统结构。鉴于过/欠膨胀是影响涡旋机膨胀释能的关键因素，且过/欠膨胀程度又随气罐气压降低而变化，系统结构调整需遵循图3所示顺序，即IV级膨胀、III级膨胀、II级膨胀以及I级膨胀。其中，膨胀级数由涡旋机外气体压力比和内膨胀比决定；而涡旋机并联结构则由膨胀发电功率和微电网电调度功率决定；同时为消除结构调整过程对微电网电能质量影响，采用基于结构调整前后转矩变化量前馈补偿以及阀门开度调整相结合的发电机转矩电流协调控制策略。

1）决定压缩储能系统涡旋机串联级数即膨胀级数。由式和；可得涡旋机串联级数为。

2）决定压缩储能系统涡旋机并联级数。基于第1）步获取膨胀级数（stage）以及微电网电调度功率，实时计算此膨胀级数不同并联结构系统发电功率，并选取发电功率和微电网调度功率偏差最小的结构作为下一时刻压缩空气储能系统机构。过/欠膨胀严重影响涡旋机膨胀性能，膨胀发电功率包括等熵膨胀功率和过/欠膨胀损耗两部分，藉此分别计算系统不同结构膨胀发电功率。

级膨胀功率

，

其中，为膨胀指数；

II级膨胀功率

，

III级膨胀功率

，

IV级膨胀功率

。

3）基于优化选择的压缩储能机构，由协调控制器控制离合器和气路阀门改变压缩储能系统结构，同时基于结构调整前后转矩变化量前馈补偿以及阀门开度调整相结合的发电机转矩电流协调控制策略，以减小结构调整对微电网电能质量影响。

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 (7)

1.一种应用于冷热电微电网系统柔性变结构涡旋机压缩空气储能系统，其特征包括涡旋机、离合器、气路阀门、储气罐、蓄热罐、换热器、换热泵、永磁同步电机以及双向变流器，提供了电能和热能两交互接口；所述换热泵采用转速转向两种方式，调节储能系统与微电网之间的热能交换；所述双向变流器和永磁同步电机动态平抑微电网短时快变波动功率；所述涡旋机通过电磁离合器、气路阀门动态调整系统串并联结构；所述系统结构调整采用涡旋机内外压力比确定串联结构，并基于微电网调度功率和压缩储能系统消纳功率确定并联结构；所述系统结构采用嵌入式板卡DSP28335实现。

2.如权利要求1所述的应用于冷热电微电网系统的变结构涡旋机压缩空气储能系统，其特征是，系统能够工作于蓄热温度控制模式，该模式通过涡旋机工作模式、换热泵以及储能系统结构的动态调整予以实现。

3.如权利要求1所述的应用于冷热电微电网系统的变结构涡旋机压缩空气储能系统，其特征是，储能系统结构调整顺序因工作模式不同而变化，其中压缩模式遵循单级到多级的调整顺序，而膨胀释能模式则遵循多级到单级调整顺序。

4.如权利要求1所述的应用于冷热电微电网系统的柔性变结构压缩空气储能系统，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1所述的应用于冷热电微电网系统的柔性变结构压缩空气储能系统，其特征是，所述永磁同步电机上设有电机角速度传感器、电流和电压传感器。

6.如权利要求1所述的应用于冷热电微电网系统的柔性变结构压缩空气储能系统，其特征是，所述蓄热罐内设置温度传感器。

7.如权利要求1所述的应用于冷热电微电网系统的柔性变结构压缩空气储能系统，其特征是，微电网热回路设置温度传感器。