CN105720890B - 一种压缩空气储能系统的物理模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，所述系统包括，电动机、发电机、电力电子变换器、飞轮、齿轮箱和控制模块。区别于现有通过数值计算等建模方法，本发明通过电动机来模拟压缩空气储能系统(CAES)的两个核心部件压缩机和膨胀机的机械转动特性，从而实现对压缩空气储能系统的模拟。本发明避开了压缩机、膨胀机复杂的构造、工况和相关热力学等问题，可以更方便和直观地研究不同类型和不同功率等级压缩空气储能系统的储能、释能两个工作过程，能够动态、高精度地模拟真实压缩空气储能系统的工作特性，具有结构简单、使用方便、参数可调、安全环保、经济性好的特点。

Description

一种压缩空气储能系统的物理模拟系统

技术领域

本发明属于物理模拟系统领域，更具体地，涉及一种压缩空气储能系统(CAES)的物理模拟系统。

背景技术

压缩空气储能系统(简称Compressed-Air Energy Storage，CAES)为一种使用压缩的空气即时储存能量并在需要时将其释放出来的技术，也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。它具有工作时间长、储能容量大、电能转换效率高、安全可靠、环境友好等特点，其在智能电网建设、大规模可再生能源接入、电网负荷调节以及保障电力系统安全性等方面，具有极大的应用前景，是目前大规模储能技术的研发热点。现有压缩空气储能系统的核心部件主要包括压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机的性能对整个系统的性能具有决定性影响。

在实际的研究和试验中使用真实的压缩空气储能系统将会有成本高、维护困难、压缩机和膨胀机的机械转动特性参数变更不灵活等问题，而且可能会有一定的危险性。同时在对不同的压缩空气储能系统进行研究时需要高成本购买不同的器件，提高了研究成本，而随着更多新型压缩空气储能系统的出现，也使相关试验和研究变得更加困难。而建模和模拟将会减少研究成本、加快研究进度、便于灵活改变压缩机和膨胀机的机械转动特性参数和模拟多种压缩空气储能系统，是一种特别有效的研究手段。

当前，国内外对CAES系统的仿真建模研究已经具备了一定的基础，但这些建模方法注重于对系统内部的热力学特性和相关部件的性能研究，采取的方法为数学建模或数值模拟，物理模拟这种建模方法并未有见到应用，也没有物理模拟系统可用。物理模拟是在根据相似原理建立起来的系统物理模型上进行模拟研究的方法，其主要特点是能够直接观察到各种现象的物理过程，便于获得明确的物理概念，特别是对于某些新的问题和物理现象，由于认识上的限制，不能或不完全能用数学方程式表示时，利用物理模拟可以探索到现象的本质及其变化的基本规律。除此之外，物理模拟的试验结果，可以校验相关理论以及建立数学方程式、各种假设的合理性，使理论得到进一步完善和发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，其目的在于实现对真实压缩空气储能系统的模拟，由此解决了现有研究方法复杂、不够直观的劣势和缺少物理模拟系统的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，包括电动机、发电机、电力电子变换器、飞轮和控制模块，其中：所述电动机与电力电子变换器相连并受其驱动，用于模拟压缩空气储能系统中压缩机和膨胀机的机械转动特性，分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程，从而实现对压缩空气储能系统的模拟；

所述发电机与电动机相连，两者同轴共转；所述发电机输出可以但不限于接入电网或者用电负荷；

所述电力电子变换器用于调节供入电动机的电压和频率，从而实现对各种压缩空气储能系统中压缩机和膨胀机机械转动特性的模拟；

所述控制模块与电力电子变换器相连，用于控制电力电子变换器工作状况和参数。

进一步的，所述电动机和发电机之间设有齿轮箱，用于调整发电机转速，以达到加速、减速的作用，实现电动机与发电机转速匹配。

进一步的，所述电动机的外部共轴装有飞轮，可设计多片，用于调整物理模拟系统的转动惯量，以满足不同功率等级压缩空气储能系统的模拟需要。

进一步的，所述控制模块包括CPU、存储单元、通信单元和IO接口，通过显示功能和键盘输入功能，形成触发信号传输给电力电子变换器，能执行包括但不限于系统开关、电压调节、频率调节、相位调节、工作参数和状态显示功能。

进一步的，所述电力电子变换器可以但不限于为VSC变换器或者CSC变换器。

总体而言，本发明所提出的物理模拟系统，通过调节供入电动机的电压和频率，对压缩空气储能系统的核心部件压缩机、膨胀机的机械转动特性进行模拟，分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程，实现了对压缩空气储能系统的模拟，与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1.本发明解决了压缩空气储能系统研究中无法在实际动态物理模拟系统中实现的瓶颈问题；通过一个电动机来模拟压缩空气储能系统(CAES)的两个核心部件压缩机和膨胀机的机械转动特性，分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程。

2.本发明实用性好、适用范围广、安全且成本低，模拟压缩机和膨胀机的机械转动特性参数可以灵活调整和更换，并且可以模拟多种不同类型、不同功率等级的压缩空气储能系统。

3.本发明为压缩空气储能系统的动态物理模拟试验和检测工作打下了良好的基础，为后续CAES系统物理模拟的展开和研究具有指导意义。

附图说明

图1是本发明提出的压缩空气储能系统的物理模拟系统结构示意图；

其中：1—控制模块，2—电力电子变换器，3—飞轮，4—电动机，5—齿轮箱，6—发电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，其特征在于，所述系统包括：电动机4、发电机6、电力电子变换器2、飞轮3、齿轮箱5和控制模块1；

其中，所述电动机4与电力电子变换器2相连并受其驱动，用于模拟压缩空气储能系统中压缩机、膨胀机的机械转动特性，分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程，从而实现压缩空气储能系统的模拟。

所述电动机4的外部共轴装有飞轮3，可设计多片，以满足实际模拟的需要；所述飞轮3用于调整物理模拟系统的转动惯量，以满足不同功率等级压缩空气储能系统的要求。

所述发电机6与电动机4相连，两者同轴共转；所述发电机6输出可以但不限于接入电网或者用电负荷。

所述电力电子变换器2用于调节供入电动机4的电压和频率，从而实现对各种压缩空气储能系统中压缩机和膨胀机机械转动特性的模拟；所述电力电子变换器2可以但不限于为VSC变换器或者CSC变换器。

所述齿轮箱5(可选)位于电动机4和发电机6之间，用于调整发电机6的转速，以达到加速、减速的作用，实现电动机4与发电机6转速匹配。

所述控制模块1与电力电子变换器2相连，用于控制电力电子变换器2工作状况和参数；所述控制模块1包括CPU、存储单元、通信单元和IO接口，通过显示功能和键盘输入功能，形成触发信号传输给电力电子变换器2，能执行包括但不限于系统开关、电压调节、频率调节、相位调节、工作参数和状态显示功能。

本发明可以用同样的一套物理模拟系统来分别模拟压缩机和膨胀机的机械转动特性，以分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程，从而实现对压缩空气储能系统(CAES)的模拟。

在本发明的第一个示例性实施例中，将交流电动机4用于模拟压缩机的机械转动特性，实现对压缩空气储能系统储能过程的模拟，由于没有涉及到压缩空气储能系统中的释能发电过程，本物理模拟系统仅对压缩机的机械转动特性进行模拟，此时将高速发电机6用作电动机。通过显示功能和键盘输入功能，控制模块1形成触发信号传输给电力电子变换器2，电力电子变换器2通过变压变频来改变交流电动机4的转速，以此来模拟CAES系统下压缩机的机械转动特性。共轴安装于交流电动机4外部的片式飞轮3可以通过增减片数来调整物理模拟系统的转动惯量，以满足不同功率等级压缩空气储能系统的模拟需要，位于交流电动机4和高速发电机6之间的齿轮箱5则可以调整轴的转速，以实现交流电动机4与高速发电机6转速匹配，它们使CAES物理模拟系统模拟的压缩机机械转动特性相对来说更为平稳，更为接近实际情况。另外，由于有了控制模块1，可以输出反应不同压缩机机械转动特性对应的触发信号，所以在模拟压缩机机械转动特性时，并不限于上述情况，还可以模拟更多更为复杂的情况。

在本发明的第二个示例性实施例中，将交流电动机4用于模拟膨胀机的机械转动特性，此时高速发电机6将用作发电机，从而实现对压缩空气储能系统释能过程的模拟。通过显示功能和键盘输入功能，控制模块1形成触发信号传输给电力电子变换器2，电力电子变换器2通过变压变频来改变交流电动机4的转速，以此来模拟CAES系统下膨胀机的机械转动特性。由于交流电动机4与高速发电机6同轴共转，交流电动机4会带动高速发电机6发电，高速发电机6的输出可以但不限于接入电网或者用电负荷。共轴安装于交流电动机4外部的片式飞轮3可以通过增减片数来调整物理模拟系统的转动惯量，以满足不同功率等级压缩空气储能系统的模拟需要，位于交流电动机4和高速发电机6之间的齿轮箱5则可以调整轴的转速，以实现交流电动机4与高速发电机6转速匹配，它们使CAES物理模拟系统模拟膨胀机的机械转动特性相对来说更为平稳，更接近于实际情况。另外，由于有了控制模块1，可以输出反应不同膨胀机机械转动特性对应的触发信号，所以在模拟膨胀机的机械转动特性时，并不限于上述情况，还可以模拟更多更为复杂的情况。

压缩空气储能系统中两个核心部件压缩机和膨胀机的机械转动特性，分别对应压缩空气储能系统下储能、释能两个工作过程，通过电动机转速的变化来模拟压缩机和膨胀机的机械转动特性是建立在相似原理的系统物理模型下的，受控制模块控制的电力电子变换器将使电动机产生与压缩空气储能系统下压缩机或膨胀机相同的机械转动特性，借助电动机的模拟则可以直接观察到该物理过程。

综上所述，本发明提供了一种压缩空气储能系统(CAES)的物理模拟系统。本发明避开了压缩机、膨胀机复杂的构造、工况和相关热力学等问题，利用电动机来模拟压缩机、膨胀机的机械转动特性，分别对应压缩空气储能系统中储能、释能两个工作过程，从而实现对压缩空气储能系统(CAES)的模拟。本发明为压缩空气储能系统的运行特性等相关研究提供了一种动态模拟物理仿真方法，具有直观、可控性强、经济性高和安全环保等优点，能够动态、高精度地模拟真实压缩空气储能系统(CAES)的工作特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压缩空气储能系统的物理模拟系统，其特征在于，包括电动机(4)、发电机(6)、电力电子变换器(2)、飞轮(3)和控制模块(1)，其中：

所述电动机(4)与电力电子变换器(2)相连并受其驱动，用于模拟压缩空气储能系统中压缩机和膨胀机的机械转动特性，从而实现对压缩空气储能系统的模拟；所述飞轮(3)共轴设在电动机(4)的外部，用于调整物理模拟系统的转动惯量；

所述发电机与电动机相连，两者同轴共转；所述发电机输出接入电网或者用电负荷；

所述电力电子变换器用于调节供入电动机的电压和频率，从而实现对各种压缩空气储能系统中压缩机和膨胀机机械转动特性的模拟；

所述控制模块与电力电子变换器相连，用于控制电力电子变换器工作状况和参数。

2.根据权利要求1所述的物理模拟系统，其特征在于，所述电动机和发电机之间设有齿轮箱，用于调整发电机转速，以达到加速、减速的作用，实现电动机与发电机转速匹配。

3.根据权利要求1或2所述的物理模拟系统，其特征在于，所述控制模块包括CPU、存储单元、通信单元和IO接口，通过显示功能和键盘输入功能，形成触发信号传输给电力电子变换器，能执行包括系统开关、电压调节、频率调节、相位调节、工作参数和状态显示功能。

4.根据权利要求1或2所述的物理模拟系统，其特征在于，所述电力电子变换器可以但不限于为VSC变换器或者CSC变换器。