CN104806485B - 一种小型压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种小型压缩空气储能系统及方法，属于压缩空气储能技术。系统由存储罐、空气压缩机、压力膨胀机、电动/发电机部分组成。其中采用开关磁阻电动/发电机双功能电机作为核心电机，取代了一般压缩空气储能系统中独立的压缩电动机及发动机，可以降低系统的成本、减小体积、提高系统的可靠性。在压缩空气过程中，根据储气罐的压缩特性，采用自适应控制方法调整电动的转速，获得优化的压缩效率。在释放空气发电过程中，采用自适应控制方法调整空气压力，从而调整发电机转速，获得优化的发电效率。本发明所公布的压缩空气储能系统结构合理、体积小、效率高，可以为电力系统提供削峰填谷，或者作为小型可再生分布式发电的存储装置。

Description

一种小型压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种压缩空气储能系统及方法，特别是一种小型压缩空气储能系统及方法。

背景技术

随着环境污染与能源危机的影响越来越大，以风能、太阳能等为代表的可再生分布式发电系统最近十年得到了长足的进步，已经成为了世界各国能源领域的发展方向。但新能源分布式发电具有周期性、间歇式和不稳定性的特点，直接连接电网具有较大的冲击性，需要通过微网的形式来实现更好的利用。因此，需要结合能量存储单元来降低新能源微网的波动性，增强其稳定性。压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统。它通过压缩空气储存多余的电能，在需要时将高压空气释放，通过膨胀机做功发电。随着电力负荷峰谷比快速增加、可再生能源特别是风力发电的迅猛发展，压缩空气储能系统的研究已得到了高度重视。目前华北电力大学正在进行压缩空气蓄能系统热力性能计算与优化及其经济性分析的研究；西安交通大学进行了冷、电、热联供的新型压缩空气储能的相关研究；哈尔滨电力部门和中石油等也有很多储气方面的研究和成果。

现有的压缩空气蓄能技术主要不足包括以下几个方面：

1、已建成的压缩空气储能电站，是以底下洞穴为容器的大容量储能电站，实现电网的削峰填谷功能。对于小型分布式发电或者以单位、社区为单位的小型储能设备，目前压缩空气储能技术很少涉及。

2、压缩空气储能电站在释放能量的时候，一般与燃气轮机发电相结合。利用压缩空气结合燃料进行燃烧，产生高压高温空气推动燃气轮机做工，再带动发电机发电。这种模式需要结合天然气、甲烷燃气，对于资源贫乏的地区就有很大的局限性。

3、压缩空气储能电站，压缩空气用的电动机及发电用的发电机一般都是两套独立的设备，在大型发电站中电机占的成本、体积较少。而对于小型或者微型的压缩空气储能设备，两套独立的电机在成本、体积、维护等方面都会增加。

发明内容

本发明的目的是要提供一种结构合理、体积小、效率高，可以为电力系统及方法提供削峰填谷的小型压缩空气储能系统及方法。

为实现上述目的：本发明的小型压缩空气储能系统及方法，储能系统的储能装置包括：控制器、气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀和储气罐；控制器的输出端分别与气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的控制输入端连接，分别控制气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的打开或关闭；压缩机的输出端经过调节阀与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端经过调节阀与气动马达的输入端连接，气动马达、压缩机的输入输出轴与开关磁阻电动/发电机的输入输出轴同轴转动。

所述的控制器包括：DSP控制器、传感器、电压电流调理电路、调节阀开度控制模块、继电器输入输出模块、触摸屏控制模块、报警指示模块、通信模块、电机控制模块；DSP控制器的输出端分别通过调节阀开度控制模块和电机控制模块分别与调节阀和开关磁阻电动/发电机连接；DSP控制器与继电器输入输出模块连接，DSP控制器的输出端与报警指示模块连接；触摸屏控制模块与DSP控制器的输入端连接，传感器通过电压电流调理电路与DSP控制器的输入端连接，所述的传感器为：空气压力传感器、空气流量传感器、阀门位置传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器和转矩传感器；DSP控制器通过通信模块与远程监控实现远程序通信。

所述的储能方法包括：开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法、压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法、发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法；

所述的开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法：在压缩空气储能时，开关磁阻电动/发电机带动空气压缩机，将电能转换成机械能，再将机械能转换成高压空气存储到储气罐中，完成储能；在压缩空气释放能量时，高压空气释放带动气动马达转动，气动马达再带动开关磁阻电动/发电机发电运行，将存储能量转换为电能输出；控制器根据上级控制系统的要求，对储能系统的运行进行监控，对整个储能系统中气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀的单独控制，在储能、发电的时候切换各个单元合适的状态，在系统故障时及时发出警告。

所述的压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法：首先根据储气罐的特性获得效率优先的最佳压缩转速特性曲线，并将该曲线作为压缩过程转速跟踪目标函数；将实际测得的实时转速与目标函数进行比较，获得转速偏差；转速偏差以及转速偏差的导数输入到滑模控制器里面进行处理，最终输出电机的控制信号对开关磁阻电动/发电机转速进行控制，削减转速偏差，使得开关磁阻电动/发电机转速跟踪目标函数，获得最优的转速特性曲线；滑模变结构控制器可以快速的跟踪目标曲线，具有良好的鲁棒性能。

所述的发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法：首先通过气动马达与发电机的选型、参数获取气动马达与开关磁阻电动/发电机优化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线，作为发电目标转速曲线；转速偏差采用滑模PI的控制方法进行削减；在转速偏差较大的时候，采用滑模控制器，使得转速偏差尽快的减小；在转速偏差较小的时候，采用PI的控制方法，使得发电转速稳定的跟踪目标转速；通过控制的调整输出实际对压力调节阀的控制信号，调整调节阀的开度，对气动马达的转速进行调整，最终调整了开关磁阻电动/发电机的转速。

所述的滑模控制器为：其中e为控制参数偏差即转速偏差，a为转速的加速度，选取切换函数为：

S_n＝e+λ·e1＝e-λ·a，

式中，λ为时间常数，当滑模面S_n＝0时为一条直线；对于转速闭环，通过调整电机相绕组供电电压U，获得滑模控制规律如下：

$u=\left\{\begin{array}{c}U,S_n>0\\ 0,S_n<0\end{array}\right.$

即通过滑模面，来控制电机绕组的电压，使得电机能够迅速的接近实际目标转速。

有益效果，由于采用了上述方案，采用基于开关磁阻电动/发电机双功能电机的储能发电系统及方法，在结构上用一套电机系统取代了原先两套独立的发电机与压缩电动机系统，从体积、成本、维护等方面提高了压缩空气储能系统的能力，使得其在小型微网、移动储能设备的应用提供了可能性；采用高性能的DSP芯片作为控制核心，完成了储能发电系统的硬件控制电路的设计，多种输入输出资源的设计为系统的控制和扩展功能提供了便利；采用滑模控制器与PI控制器相结合的组合控制方法，提高了系统在储能及发电过程中的最优曲线的跟踪能力，使得系统的效率与功率输出得到优化。

优点：该储能系统的压缩空气储能系统结构合理、体积小、效率高，通够为小型新能源发电微网提供方便、可靠、性价比较高的储能系统及方法，同时该系统及方法可以为电力系统提供削峰填谷，进行有功无功控制，提高微网的功率因素，降低系统的运营成本。

图1为本发明的压缩空气储能系统及方法结构图。

图2为本发明的压缩空气储能系统及方法主控制器结构图。

图3为本发明的压缩过程转速跟踪自适应控制原理图。

图4为本发明发电过程自适应控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述：

实施例1：本发明的小型压缩空气储能系统及方法；

所述储能系统的储能装置包括：控制器、气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀和储气罐；控制器的输出端分别与气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的控制输入端连接，分别控制气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的打开或关闭；压缩机的输出端经过调节阀与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端经过调节阀与气动马达的输入端连接，气动马达、压缩机的输入输出轴与开关磁阻电动/发电机的输入输出轴同轴转动。

所述的控制器包括：DSP控制器、传感器、电压电流调理电路、调节阀开度控制模块、继电器输入输出模块、触摸屏控制模块、报警指示模块、通信模块、电机控制模块；DSP控制器的输出端分别通过调节阀开度控制模块和电机控制模块分别与调节阀和开关磁阻电动/发电机连接；DSP控制器与继电器输入输出模块连接，DSP控制器的输出端与报警指示模块连接；触摸屏控制模块与DSP控制器的输入端连接，传感器通过电压电流调理电路与DSP控制器的输入端连接，所述的传感器为：空气压力传感器、空气流量传感器、阀门位置传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器和转矩传感器；DSP控制器通过通信模块与远程监控实现远程序通信。

所述的储能方法包括：开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法、压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法、发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法；

所述的开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法：在压缩空气储能时，开关磁阻电动/发电机带动空气压缩机，将电能转换成机械能，再将机械能转换成高压空气存储到储气罐中，完成储能；在压缩空气释放能量时，高压空气释放带动气动马达转动，气动马达再带动开关磁阻电动/发电机发电运行，将存储能量转换为电能输出；控制器根据上级控制系统的要求，对储能系统的运行进行监控，对整个储能系统中气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀的单独控制，在储能、发电的时候切换各个单元合适的状态，在系统故障时及时发出警告。

所述的压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法：首先根据储气罐的特性获得效率优先的最佳压缩转速特性曲线，并将该曲线作为压缩过程转速跟踪目标函数；将实际测得的实时转速与目标函数进行比较，获得转速偏差；转速偏差以及转速偏差的导数输入到滑模控制器里面进行处理，最终输出电机的控制信号对开关磁阻电动/发电机转速进行控制，削减转速偏差，使得开关磁阻电动/发电机转速跟踪目标函数，获得最优的转速特性曲线；滑模变结构控制器可以快速的跟踪目标曲线，具有良好的鲁棒性能。

所述的发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法：首先通过气动马达与发电机的选型、参数获取气动马达与开关磁阻电动/发电机优化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线，作为发电目标转速曲线；转速偏差采用滑模PI的控制方法进行削减；在转速偏差较大的时候，采用滑模控制器，使得转速偏差尽快的减小；在转速偏差较小的时候，采用PI的控制方法，使得发电转速稳定的跟踪目标转速；通过控制的调整输出实际对压力调节阀的控制信号，调整调节阀的开度，对气动马达的转速进行调整，最终调整了开关磁阻电动/发电机的转速。

所述的滑模控制器为：其中e为控制参数偏差即转速偏差，a为转速的加速度，选取切换函数为：

S_n＝e+λ·e1＝e-λ·a，

式中，λ为时间常数，当λ为正的时间常数时，相当于硬件电路里的采样时间，当滑模面S_n＝0时为一条直线；对于转速闭环，通过调整电机相绕组供电电压U，获得滑模控制规律如下：

$u=\left\{\begin{array}{c}U,S_n>0\\ 0,S_n<0\end{array}\right.$

即通过滑模面，来控制电机绕组的电压，使得电机能够迅速的接近实际目标转速。

具体的：

如图1所示，是基于开关磁阻电动/发电机双功能电机的压缩空气储能系统及方法结构图，包括：储气罐、气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀和控制器；在压缩空气储能的时候，由开关磁阻电动/发电机作为电动机运行，带动空气压缩机，将电能转换成机械能，再将机械能转换成高压空气存储到储气罐中，完成储能；在压缩空气释放能量的时候，高压空气释放带动气动马达转动，气动马达再带动开关磁阻电动/发电机发电运行，将存储能量转换为电能输出。图中，控制器作为整个压缩空气储能系统的核心，根据上级控制系统的要求，对储能系统的运行进行监控。控制器可以实现对整个储能系统中气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀的单独控制，在储能、发电的时候切换各个单元合适的状态，在系统故障时及时发出警告。空气经空气压缩机，由电动/发电机带动，压缩成高压空气存储进储气罐；释放时，通过调节压力阀控制输出的空气压力，控制气动马达的转速，带动电动/发电机发电，输出电能。

如图2所示，是压缩空气储能系统控制器结构图，该模块主要功能包括：核心控制器为DSP控制器、传感器输入模块、调节阀开度控制模块、继电器输入输出模块、触摸屏控制模块、报警模块、通信模块、电机控制模块等组成。其中DSP控制器为主控模块，它通过通信模块和上级控制系统联系，获得整个系统的控制要求；读取各种传感器及输入继电器的状态，获取当前系统运行状态系统；发出各种指令，控制调节阀的开度及各种输出继电器状态；将当前系统状态输出到触摸屏控制系统；将开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制要求输入到电机控制模块；将系统报警信息输入到报警模块。其中各种传感器包括空气压力传感器、空气流量传感器、阀门位置传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器、转矩传感器等。

如图3所示，是压缩过程转速跟踪自适应控制原理图。首先根据储气罐的特性获得效率优先的最佳压缩转速特性曲线，并将该曲线作为压缩过程转速跟踪目标函数。将实际测得的实时转速与目标函数进行比较，获得转速偏差。转速偏差以及转速偏差的导数输入到滑模变结构控制器里面进行处理，最终输出电机的控制信号对电机转速进行控制，削减转速偏差，使得电机转速跟踪目标函数，获得最优的转速特性曲线。滑模变结构控制器可以快速的跟踪目标曲线，具有良好的鲁棒性能。

如图4所示，是发电过程转速跟踪自适应控制原理图。首先通过气动马达与发电机的选型、参数获取气动马达与发电机优化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线，作为发电目标转速曲线；转速偏差采用滑模PI的控制方法进行削减；在转速偏差较大的时候，采用滑模控制方法，使得转速偏差尽快的减小；在转速偏差较小的时候，采用PI的控制方法，使得发电转速稳定的跟踪目标转速；通过控制的调整输出实际对压力调节阀的控制信号，调整调节阀的开度，从而对气动马达的转速进行调整，最终调整了开关磁阻电动/发电机的转速。

电动/发电机采用开关磁阻电动/发电机双功能电机，取代了一般压缩空气储能系统及方法中独立的压缩电动机及发动机；在压缩空气过程中，由开关磁阻电动/发电机电动运行，带动空气压缩机，将空气存储到储气罐中；在释放空气发电过程中，由压缩空气带动气动马达转动，从而带动开关磁阻电动/发电机发电运行，输出电能；在压缩空气过程中，根据储气罐的压缩特性，采用自适应控制方法调整压缩转速，获得优化的压缩效率；在释放空气发电过程中，采用自适应控制方法调整空气压力，调整发电机转速，获得优化的发电效率。

开关磁阻电动/发电机双功能电机起动转矩大、速度范围宽、电动和发电效率高，通过调整功率变换器主开关管的开通角度可以方便的调整电机运行在电动或者发电模式。

首先根据储气罐的形状、容量和材质，通过仿真和实验得出压缩过程的特性曲线，并获得效率优先的压缩转速特性曲线，然后在压缩过程中，控制电机的转速跟踪优化的压缩转速特性曲线；其自适应转速跟踪算法采用滑模变结构的方法，这种方法可以忽略系统及方法的非线性结构，使得转速跟踪速度快、超调小、鲁棒性强。

通过气动马达与发电机的选型，通过参数获取气动马达与发电机优化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线；通过控制器获取的发电机的转速，控制气压调节阀的开度，控制气动马达的转速，从而跟踪优化转速曲线；调节阀的自适应条件算法采用滑模PI的方法，该方法可以获得大范围调节的快速性与小范围调节的稳定性。

Claims (3)

1.一种小型压缩空气储能系统，其特征是：该储能系统的储能装置包括：控制器、气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀和储气罐；控制器的输出端分别与气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的控制输入端连接，分别控制气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的打开或关闭；压缩机的输出端经过调节阀与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端经过调节阀与气动马达的输入端连接，气动马达、压缩机的输入输出轴与开关磁阻电动/发电机的输入输出轴同轴转动；

所述的控制器包括：DSP控制器、传感器、电压电流调理电路、调节阀开度控制模块、继电器输入输出模块、触摸屏控制模块、报警指示模块、通信模块、电机控制模块；DSP控制器的输出端分别通过调节阀开度控制模块和电机控制模块分别与调节阀和开关磁阻电动/发电机连接；DSP控制器与继电器输入输出模块连接，DSP控制器的输出端与报警指示模块连接；触摸屏控制模块与DSP控制器的输入端连接，传感器通过电压电流调理电路与DSP控制器的输入端连接；DSP控制器通过通信模块与远程监控实现远程序通信。

2.根据权利要求1所述的一种小型压缩空气储能系统，其特征是：所述的传感器为：空气压力传感器、空气流量传感器、阀门位置传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器和转矩传感器。

3.权利要求1所述的一种小型压缩空气储能系统的控制方法，其特征是：包括：开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法、压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法、发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法；

所述的开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法：在压缩空气储能时，开关磁阻电动/发电机带动空气压缩机，将电能转换成机械能，再将机械能转换成高压空气存储到储气罐中，完成储能；在压缩空气释放能量时，高压空气释放带动气动马达转动，气动马达再带动开关磁阻电动/发电机发电运行，将存储能量转换为电能输出；控制器根据上级控制系统的要求，对储能系统的运行进行监控，对整个储能系统中气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀的单独控制，在储能、发电的时候切换各个单元合适的状态，在系统故障时及时发出警告；

所述的压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法：首先根据储气罐的特性获得效率优先的最佳压缩转速特性曲线，并将该曲线作为压缩过程转速跟踪目标函数；将实际测得的实时转速与目标函数进行比较，获得转速偏差；转速偏差以及转速偏差的导数输入到滑模控制器里面进行处理，最终输出电机的控制信号对开关磁阻电动/发电机转速进行控制，削减转速偏差，使得开关磁阻电动/发电机转速跟踪目标函数，获得最优的转速特性曲线；滑模变结构控制器可以快速的跟踪目标曲线，具有良好的鲁棒性能；

所述的发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制方法：首先通过气动马达与发电机的选型、参数获取气动马达与开关磁阻电动/发电机优化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线，作为发电目标转速曲线；转速偏差采用滑模PI的控制方法进行削减；在转速偏差较大的时候，采用滑模控制器，使得转速偏差尽快的减小；在转速偏差较小的时候，采用PI的控制方法，使得发电转速稳定的跟踪目标转速；通过控制的调整输出实际对压力调节阀的控制信号，调整调节阀的开度，对气动马达的转速进行调整，最终调整了开关磁阻电动/发电机的转速；

所述的滑模控制器为：其中e为控制参数偏差即转速偏差，a为转速的加速度，选取切换函数为：

S_n＝e+λ·e1＝e-λ·a，

式中，λ为时间常数，当滑模面S_n＝0时为一条直线；对于转速闭环，通过调整电机相绕组供电电压U，获得滑模控制规律如下：

$u=\left\{\begin{array}{c}U,S_n>0\\ 0,S_n<0\end{array}\right.$

即通过滑模面，来控制电机绕组的电压，使得电机能够迅速的接近实际目标转速。