CN104485677B - 一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法，系统包括间歇式发电电源、能量控制模块、能量转换模块、涡旋式复合机和储气装置，其中，间歇式发电电源连接能量控制模块，能量控制模块连接动力机，动力机连接能量转换模块，能量转换模块通过离合器连接压缩气体，涡旋式复合机通过高压气路连接储气装置；能量控制模块同时与电网负荷连接，能量控制模块采集间歇式发电电源的发电功率和电网负荷，根据二者差值判断储能系统充放电状态；本发明利用响应速度快的飞轮储能设备进行充放电操作，当飞轮储能设备的SOC达到设定值时，启动压缩空气储能设备，配合飞轮储能一起实现充放电，实现分布式发电系统充放电要求的快速响应。

Description

一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及将风能、太阳能等分布式能源转化为压缩空气势能和动能存储的混合储能装置，尤其涉及一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家安全，亦是科技创新服务与应用的首要领域。高效、清洁、低碳的新能源发电已经成为当今世界能源发展的主流方向。目前电力供应系统正趋向于跨地区甚至跨国联网，实行全天候供电；多种间歇式能源如风能、太阳能大量接入系统。然而供电与用电总是不匹配，尤其在深夜，过剩电力“大放空”几乎无法避免间歇式能源的大比例接入更是加剧了这种形势；风力发电、太阳能发电等分布式发电方式，其电能输出由于风速的波动、光照强度波动等因素而具有随机性和波动性的特点，间歇式能源的接入对电网稳定造成冲击。为改变这个局面，人们殚思竭虑地寻找蓄能“蓄电”方法，比如化学储能、物理储能等等；却由于能效低、寿命短、环保成本高等原因而难以可持续发展；各种的蓄电池(包括超级电容)，其蓄能密度和寿命比我们的要求低了1～2个数量级，电力系统渴望发明一种高密度、长寿命、快响应、无污染且价格合理的储能系统。

现有改进型的储能设备有如压缩空气储能设备、飞轮储能等。压缩空气储能设备利用风机驱动空压机，将空气压入高压气罐、岩洞等容器，将风能转化为压缩空气势能存储。压缩空气储能设备具有环境污染小，使用寿命长，能量密度大，无相变损失等优点，在大时间尺度上可解决间歇式能源供需不匹配的矛盾，但压缩空气储能设备工作条件是空压机出气口压力大于储气瓶中气压，为了保证空压机工作，就要求环境风速大于最低工作风速，限制了低风速的利用，同时压缩空气储能设备作为一种容量型储能设备，其存在系统响应慢的缺点，平抑波动的能力较差。飞轮储能利用风机驱动电机，带动飞轮旋转将风能转化为动力势能。这些储能设备具有功率密度大，瞬时响应速度快，维护费用低等优点，可用于平抑秒级的功率波动，且响应速度较快，而飞轮储能作为一种功率型储能设备，又存在系统容量小的缺点，在大功率应用场合，需要叠加应用，增大了使用成本。市面上现有的储能设备没有一种兼具较大的能量密度同时又有较大功率密度，这限制了储能设备的应用。

为解决上述矛盾，人们尝试将容量型储能设备和功率型储能设备结合使用，现有技术大多将压缩空气储能设备与飞轮储能系统通过电耦合的方式连接，当间歇式能源与电网负荷需求不平衡时，根据供需差值，决定压缩空气储能设备和飞轮储能的输入输出功率。这种电耦合方式的混合储能系统，体现出了“混合储能”这一概念，吸收了飞轮储能和压缩空气储能设备的优点，在不同时间尺度上平抑间歇式能源输出功率波动。但电耦合方式由于其能量转换环节较多，系统的整体效率有所降低，同时并未解决压缩空气储能设备启动慢，状态切换时间长的问题。

由于压缩空气储能设备与飞轮储能二者的蓄能和释能形式相似，人们开始研究以其他耦合方式将二者结合，以期解决压缩空气储能设备响应速度的问题。发明专利《风力压缩空气储能系统》(专利号：201220187224)提出了一种机械耦合式混合储能系统，风机通过无级变速器驱动飞轮，飞轮通过离合器实现与空压机的离合，风机通过无级变速器将采集的风能传递给飞轮蓄能，飞轮和空压机的合离分别实现驱动空压机和飞轮再蓄能。上述设备通过加入飞轮，解决了风力压缩空气时工作点变化过大的问题。但将飞轮与风机刚性连接，由于飞轮具有较大的惯性，当风机转轴和飞轮速度不匹配时，机械轴承受较大的扭矩，容易断裂。同时，飞轮的转速直接由风速决定，虽然加速了无级变速器，但飞轮的转速控制还是不够灵活。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种以压缩空气储能设备为主体、飞轮储能系统为辅助的混合储能系统及其控制方法，本系统将飞轮储能和压缩空气储能设备以电磁耦合的方式进行连接，可以有效抑制间歇性式发电输出功率波动对电力系统的负面影响，同时又可降低压缩空气储能设备启动延迟和状态切换延时对整个系统响应速度的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，包括间歇式发电电源、能量控制模块、能量转换模块、涡旋式复合机和储气装置，其中，间歇式发电电源连接能量控制模块，能量控制模块连接动力机，动力机连接能量转换模块，能量转换模块通过离合器连接压缩气体，涡旋式复合机通过高压气路连接储气装置；能量控制模块同时与电网负荷连接，能量控制模块采集间歇式发电电源的发电功率和电网负荷，根据二者差值判断储能系统充放电状态。

优选的，所述动力机为发电机或电动机。

优选的，所述能量转换模块为定转子均可旋转的电动机械，其转子连接飞轮，转子绕电枢绕组，通过滑环接入三相电，定子连接发电机或电动机并通过离合器与涡旋式复合机通过机械轴同轴相连。

优选的，所述定子为永磁体，转子绕有三相绕组的能量转换模块实现飞轮与机械轴的电磁耦合。

优选的，所述涡旋式复合机为涡旋式压缩机，直接由机械轴驱动压缩，并复用作为膨胀机实现压缩空气膨胀做功。

优选的，所述发电机或电动机为多极电机。

优选的，所述离合器两侧设有转速传感器。

优选的，所述高压气路复用。

基于上述系统的控制方法，具体方法为：

采集并记录能量转换模块的飞轮转速ω_f大小所反映的不同荷电状态和实时采集发电功率偏离负载需求的差值作为控制目标库的制定及检索依据；设上下限转速、余量系数分别为ω_{f_upper}、ω_{f_down}、p，储能系统所需吞吐总功率为P_reg，飞轮充放电功率为P_f压缩空气储能设备最大充放电功率为P_CAES；飞轮存储的动能为

式中：J_f是飞轮转动惯量，ω₀是飞轮当前角速度，ω_m是飞轮最低角速度；

能量控制模块根据当前功率差值决定储能系统工作于储能状态还是释能状态。

当采集的发电功率大于负载需求功率时，多余的电量进入能量控制模块，能量控制模块控制飞轮储能和压缩空气储能设备蓄能状态包括三种蓄能状态：

蓄能状态1：ω_f＜pω_{f_upper}，离合器断开，切除压缩空气储能设备，发电机或电动机工作在电动机模式，系统按所需存储功率以恒功率方式对飞轮充电。

蓄能状态2：pω_{f_upper}＜ω_f＜ω_{f_upper}，发电机或电动机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref吸收功率；离合器闭合，发电/控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES充电，避免飞轮超倍率充电，飞轮充电功率为P_ref＝P_reg-P_CAES。

蓄能状态3：ω_f＞ω_{f_upper}，发电机或电动机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref释放功率，离合器闭合，压缩空气储能设备接入系统，控制压缩空气储能设备充电功率P_CAES吸收功率，且P_CAES>P_reg，从而飞轮放电功率为P_ref＝P_CAES-P_reg，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入蓄能状态2。

当采集的发电功率小于负载需求功率时，能量控制模块控制飞轮储能和压缩空气储能设备释能补偿负载需求，释能状态如下：

释能状态1：ω_f＞pω_{f_upper}，发电机或电动机工作在发电机模式，离合器断开切除压缩空气储能设备，飞轮输出功率为P_ref＝P_reg。

释能状态2：ω_{f_down}＜ω_f＜pω_{f_upper}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES放电，飞轮放电补偿功率缺额P_ref＝P_reg-P_CAES。

释能状态3：ω_f＜ω_{f_down}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES放电，控制压缩空气储能设备放电功率P_CAES>P_reg，则飞轮按P_ref＝P_CAES-P_reg恒功率充电，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入释能状态2。

应用以上控制策略，根据实时采样功率值P_reg的状态分别决定飞轮储能和压缩空气储能设备的充放电状态，二者充放电状态的不同步，实现了电网对于储能系统充放电快速响应的要求，同时解决了单独的飞轮储能能量密度低的问题，从而使本发明既可实现快速平抑间歇式能源输出功率波动，又可储存能量实现电能的削峰填谷。飞轮储能和压缩空气储能设备以电磁耦合方式的结合，实现了二者功率耦合又避免了转速匹配的问题。

本发明的有益效果为：

(1)将响应快但容量小的飞轮储能系统和响应慢但容量大的压缩空气储能设备通过电磁耦合方式组合，既可实现飞轮储能与压缩空气储能设备的灵活开关又避免了二者直接相连造成的转矩匹配问题；

(2)当采集的发电功率大于负载需求功率时，多余的电量进入能量控制模块。能量控制模块控制飞轮启动，存储能量，同时根据多余功率的大小判断是否需要启动压缩空气储能设备；当采集的发电功率小于负载功率需求时，能量管理模块首先启动飞轮放电释能，同时根据满足负载需求所需的剩余功率决定是否启动压缩空气储能设备；

(3)飞轮储能系统作为压缩空气储能设备启停的缓冲，给予压缩空气储能设备足够的时间启动、改变状态，缓解了压缩空气储能设备响应速度慢整个系统响应速度的问题；飞轮储能和压缩空气储能设备以电磁耦合方式的结合，实现了二者功率耦合又避免了转速匹配的问题。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为本发明的混合储能系统的结构图。

其中：1、间歇式发电电源，2、能量控制模块，3、电网负荷，4、发电机或电动机，5、能量转换模块，6、离合器，7、涡旋式复合机，8、复用高压气路，9、高压气罐。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电磁耦合式混合储能系统，设备包括能量控制模块2、发电机或电动机4、能量转换模块5、飞轮、离合器6、涡旋式复合机7以及高压气罐9。所述能量转换模块5是一种类似电机的机构，定子、转子均旋转，转子与飞轮相连，定子连接所述发电机或电动机并通过离合连接涡旋机。涡旋式复合机7通过复用高压气路8与高压气罐9相连。

作为本发明优选实例，上述能量转换模块是一种类似电机的装置，转子绕电枢绕组，通过滑环接入三相电，定子由永磁体制成，带动飞轮旋转。

作为本发明优选实例，上述发电机或电动机4为多极电机。

作为本发明优选实例，上述离合器两侧设有转速传感器。

作为本发明优选实例，上述涡旋机在系统储能式作为压缩机使用在系统释能时作为膨胀机使用。

作为本发明优选实例，上述高压气路复用。

飞轮储能是一种机械型储能设备，将电能转化为机械动能存储。混合储能系统结构如图2所示，包含机械飞轮、永磁同步电机(PMSM)、变换器。

与现有技术相比，本发明用于平抑间歇式发电波动及调节电网峰值时具有以下优点：将响应快但容量小的飞轮储能系统和响应慢但容量大的压缩空气储能设备通过电磁耦合方式组合，既可实现飞轮储能与压缩空气储能设备的灵活开关又避免了二者直接相连造成的转矩匹配问题。当采集的发电功率大于负载需求功率时，多余的电量进入能量控制模块。能量控制模块控制飞轮启动，存储能量，同时根据多余功率的大小判断是否需要启动压缩空气储能设备；当采集的发电功率小于负载功率需求时，能量管理模块首先启动飞轮放电释能，同时根据满足负载需求所需的剩余功率决定是否启动压缩空气储能设备。在本发明中，飞轮储能系统作为压缩空气储能设备启停的缓冲，给予压缩空气储能设备足够的时间启动、改变状态，缓解了压缩空气储能设备响应速度慢整个系统响应速度的影响。

飞轮存储的动能为：

$E=\frac{1}{2}{J}_f({{\mathrm{\ω}}_0}^2-{\mathrm{\ω}}_m^2)$

式中：J_f是飞轮转动惯量，ω₀是飞轮当前角速度，ω_m是飞轮最低角速度。由上式可知，飞轮转子转速越高，其存储的能量越大。

飞轮遵循优先响应的原则，以其转速ω_f大小所反映的不同荷电状态和实时采集发电功率偏离负载需求的差值作为控制目标库的制定及检索依据。设上下限转速、余量系数分别为ω_{f_upper}、ω_{f_down}、p，储能系统所需吞吐总功率为P_reg，飞轮充放电功率为P_f压缩空气储能设备最大充放电功率为P_CAES。

能量控制模块根据当前功率差值决定储能系统工作于储能状态还是释能状态。当采集的发电功率大于负载需求功率时，多余的电量进入能量控制模块，能量控制模块控制飞轮储能和压缩空气储能设备蓄能状态如下：

蓄能状态1：ω_f＜pω_{f_upper}，离合器断开，切除压缩空气储能设备，发电机或电动机工作在电动机模式，系统按所需存储功率以恒功率方式对飞轮充电。

蓄能状态2：pω_{f_upper}＜ω_f＜ω_{f_upper}，发电机或电动机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref吸收功率；离合器闭合，发电/控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES充电，避免飞轮超倍率充电，飞轮充电功率为P_ref＝P_reg-P_CAES。

蓄能状态3：ω_f＞ω_{f_upper}，发电机或电动机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref释放功率，离合器闭合，压缩空气储能设备接入系统，控制压缩空气储能设备充电功率P_CAES吸收功率，且P_CAES>P_reg，从而飞轮放电功率为P_ref＝P_CAES-P_reg，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入蓄能状态2。

当采集的发电功率小于负载需求功率时，能量控制模块控制飞轮储能和压缩空气储能设备释能补偿负载需求，释能状态如下：

释能状态1：ω_f＞pω_{f_upper}，发电机或电动机工作在发电机模式，离合器断开切除压缩空气储能设备，飞轮输出功率为P_ref＝P_reg。

释能状态2：ω_{f_down}＜ω_f＜pω_{f_upper}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES放电，飞轮放电补偿功率缺额P_ref＝P_reg-P_CAES。

释能状态3：ω_f＜ω_{f_down}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备恒功率P_CAES放电，控制压缩空气储能设备放电功率P_CAES>P_reg，则飞轮按P_ref＝P_CAES-P_reg恒功率充电，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入释能状态2。

应用以上控制策略，根据实时采样功率值P_reg的状态分别决定飞轮储能和压缩空气储能设备的充放电状态，二者充放电状态的不同步，实现了电网对于储能系统充放电快速响应的要求，同时解决了单独的飞轮储能能量密度低的问题，从而使本发明既可实现快速平抑间歇式能源输出功率波动，又可储存能量实现电能的削峰填谷。飞轮储能和压缩空气储能设备以电磁耦合方式的结合，实现了二者功率耦合又避免了转速匹配的问题。

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 (9)

1.一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：包括间歇式发电电源、能量控制模块、能量转换模块、涡旋式复合机和储气装置，其中，间歇式发电电源连接能量控制模块，能量控制模块连接动力机，动力机连接能量转换模块，能量转换模块通过离合器连接压缩气体，涡旋式复合机通过高压气路连接储气装置；能量控制模块同时与电网负荷连接，能量控制模块采集间歇式发电电源的发电功率和电网负荷，根据二者差值判断储能系统充放电状态；

所述能量转换模块为定转子均可旋转的电动机械，其转子连接飞轮，转子绕电枢绕组，通过滑环接入三相电，定子连接动力机并通过离合器与涡旋式复合机通过机械轴同轴相连。

2.如权利要求1所述的一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：所述动力机为发电机或电动机。

3.如权利要求1所述的一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：所述定子为永磁体，转子绕有三相绕组的能量转换模块实现飞轮与机械轴的电磁耦合。

4.如权利要求2所述的一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：所述涡旋式复合机为涡旋式压缩机，直接由机械轴驱动压缩，并复用作为膨胀机实现压缩空气膨胀做功。

5.如权利要求2所述的一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：所述发电机或电动机为多极电机。

6.如权利要求1所述的一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，其特征是：所述离合器两侧设有转速传感器。

7.如权利要求1-6中任一项所述的系统的控制方法，其特征是：具体方法为：

采集并记录能量转换模块的飞轮转速ω_f大小所反映的不同荷电状态和实时采集发电功率偏离负载需求的差值作为控制目标库的制定及检索依据；设上下限转速、余量系数分别为ω_{f_upper}、ω_{f_down}、p，储能系统所需吞吐总功率为P_reg，飞轮充放电功率为P_ref，压缩空气储能设备最大充放电功率为P_CAES，飞轮存储的动能为

式中：J_f是飞轮转动惯量，ω₀是飞轮当前角速度，ω_m是飞轮最低角速度；

能量控制模块根据当前发电功率偏离负载需求的差值决定储能系统工作于蓄能状态还是释能状态。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：当采集的发电功率大于负载需求功率时，多余的电量进入能量控制模块，能量控制模块控制飞轮和压缩空气储能设备工作于蓄能状态，所述蓄能状态包括：

蓄能状态1：ω_f＜pω_{f_upper}，离合器断开，切除压缩空气储能设备，动力机工作在电动机模式，系统按所需存储功率以恒功率方式对飞轮充电；

蓄能状态2：pω_{f_upper}＜ω_f＜ω_{f_upper}，动力机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref吸收功率；离合器闭合，控制压缩空气储能设备以恒功率P_CAES充电，避免飞轮超倍率充电，飞轮充电功率为P_ref＝P_reg-P_CAES；

蓄能状态3：ω_f＞ω_{f_upper}，动力机工作在电动机模式，通过能量转换模块带动飞轮以恒功率P_ref释放功率，离合器闭合，压缩空气储能设备接入系统，控制压缩空气储能设备以充电功率P_CAES吸收功率，且P_CAES>P_reg，从而飞轮放电功率为P_ref＝P_CAES-P_reg，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入蓄能状态2。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：当采集的发电功率小于负载需求功率时，能量控制模块控制飞轮和压缩空气储能设备释能补偿负载需求，释能状态如下：

释能状态1：ω_f＞pω_{f_upper}，动力机工作在发电机模式，离合器断开切除压缩空气储能设备，飞轮输出功率为P_ref＝P_reg；

释能状态2：ω_{f_down}＜ω_f＜pω_{f_upper}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备以恒功率P_CAES放电，飞轮放电补偿功率缺额P_ref＝P_reg-P_CAES；

释能状态3：ω_f＜ω_{f_down}，离合器闭合，压缩空气储能设备接入储能系统，能量控制模块控制压缩空气储能设备以恒功率P_CAES放电，控制压缩空气储能设备放电功率P_CAES>P_reg，则飞轮按P_ref＝P_CAES-P_reg恒功率充电，直至ω_f＝pω_{f_upper}，转入释能状态2。