CN108457703B - 一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法，系统其包括：高压储气室、液体活塞、液压活塞、直线发电机和液压控制机构；高压储气室的顶部通过管道连接液体活塞的顶部，液体活塞的底部通过管道连接液压活塞，液压控制机构连接液压活塞控制活塞杆往复运动，活塞杆连接直线发电机实现发电。同时公开了控制上述系统的控制方法。本发明通过冲程控制器结合阀门开关控制活塞冲程，从而调整整个压缩空气储能系统输入电网的功率；当负载恒定时，单位时间输出的平均功率不随气体压强的变化而变化；采用直线发电机，通过电压环和电流环控制，保证系统供电时的电压恒定，提高供电的可靠性。

Description

一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能发电技术领域，尤其涉及一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法。
背景技术
间歇式新能源快速发展的同时，也面临着供电不稳定的问题。压缩空气储能通过压缩气体来储存多余的电能，通过高压气体膨胀做功发电。利用压缩空气储能系统削峰填谷的作用，提高间歇式新能源供电的稳定性和可靠性。
随着全球能源互联网概念的提出与技术的发展，储能技术对电网的稳定性和经济性起到越来越重要的作用。传统压缩空气储能系统在发电的过程中，随着高压气体的膨胀做功，气体的压强逐渐降低，单位时间内系统发出的电能也逐渐减少。因此整个发电的过程中，系统变功率输出电能。对于恒定负载，传统压缩空气储能系统不能满足其功率输出的要求。在现有技术的实际工程中，可以将传统的压缩空气储能与液压活塞结合，通过切换活塞面积比来解决恒功率输出的问题。
压缩空气储能系统的输出功率由气体压强决定，当负载所需功率发生变化时，气体压强较难控制，现有技术中亟需一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法，以克服现有技术中压缩空气储能系统在发电的过程中无法改变输出功率的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法，解决了压缩空气储能系统在发电的过程中无法调节输出功率的问题。将压缩空气储能装置与液压活塞和直线发电机结合，通过冲程控制器调节液压活塞冲程，从而控制直线发电机的输出功率，使其与负载匹配，从而实现功率的调节和恒定输出。
本发明提供一种基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法，其包括步骤如下：
一种基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于包括步骤如下：
步骤一：设定负载所需的电功率值，测量压缩空气储能系统输入电网的功率大小；
步骤二：监测液体活塞中的液体压强，根据压强的大小调节液压活塞的面积，减小作用在活塞杆上力的波动范围；
步骤三：比较设定功率和输入电网功率值，若两者大小相等，则进入步骤八，若两者大小不相等，则进入步骤四；
步骤四：由冲程控制器给出位置环给定，结合阀门开关控制活塞冲程，使压缩空气储能系统的输出功率与负载所需功率进行匹配；
步骤五：测量直线发电机的三相电流，对三相电流进行派克变换和克拉克变换，得到dq坐标系下的电流值；
步骤六：采用位置环、速度环和电流环结构的控制算法，给出速度环给定，进行速度调节；
步骤七：连接电流环和速度环的输入输出执行PID调节，经派克逆变换输入电压空间矢量控制模块，输入脉冲宽度调制信号，返回步骤三；
步骤八：设定额定电压值，测量直线发电机的三相电流和输出电压，比较实际输出电压和额定电压值，若两者大小相等，则结束，若两者大小不相等，则进入步骤九；
步骤九：采用电压环、电流环结构的控制算法，对直线发电机的电压和电流进行PI整定，直到直线发电机的输出电压等于额定电压，结束。
优选地，所述步骤一中的输入电网功率值为直线发电机发出的功率和冲程控制器消耗的功率的差值。
优选地，所述步骤四中冲程控制器控制活塞冲程，需要将测量的实际输入电网功率值反馈给冲程控制器，冲程控制器根据对比实际输入电网功率值和电网所需功率值来调节活塞冲程，结合阀门开关进行调节。
本发明提供一种应用上述基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法的系统，连接直线发电机的压缩空气储能系统装置包括：高压储气室、液体活塞、液压活塞、直线发电机和冲程控制器；
所述高压储气室的顶部通过管道连接所述液体活塞的顶部，所述液体活塞的底部通过管道连接所述液压活塞，所述冲程控制器连接所述液压活塞控制液压活塞冲程，所述活塞杆连接所述直线发电机实现发电。
优选地，所述液体活塞设置有两个压力容器，每个压力容器的顶部设置两个管道分别与高压储气室和外界大气连接，每个压力容器的底部通过管道与液压活塞相连；所述液压活塞的液压缸被活塞分隔成左右两个活塞腔，每个活塞腔分别通过管道与两个所述压力容器的底部相连，所述活塞连杆的两端分别与冲程控制器和直线发电机的动子相连，所述直线发电机通过电线与冲程控制器和电网相连。
优选地，所述液体活塞由多个不同截面积的液压缸组成，通过控制阀门来调整液压缸的面积。
进一步需要说明的是，本发明随着高压气体膨胀做功，气体压强下降，通过调整液压活塞面积来调整液体活塞作用在活塞杆力基本恒定，在一个恒定值上下波动。
本发明公开的一种基于直线发电机的压缩空气储能系统及其控制方法的有益效果为：
1.本发明可以通过调节冲程控制器，控制液压活塞运行冲程，从而调整整个压缩空气储能系统输入电网的功率。
2.本发明可实现压缩空气储能系统恒功率输出，当负载恒定时，单位时间输出的平均功率不随气体压强的变化而变化。
3.本发明采用直线发电机，通过电压环和电流环控制，保证系统供电时的电压恒定，提高供电的可靠性。
附图说明
图1是基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法的流程图。
图2是基于直线发电机的压缩空气储能系统的结构示意图。
图3是基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法。
图4是基于直线发电机的压缩空气储能系统的液压活塞结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1-4对本发明作更进一步的说明：
一种基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法，所述方法包括步骤如下：
步骤一：设定负载所需的电功率值，测量压缩空气储能系统输入电网的功率大小；
步骤二：监测液体活塞中的液体压强，根据压强的大小调节液压活塞的面积，减小作用在活塞杆上力的波动范围；
步骤三：比较设定功率和输入电网功率值，若两者大小相等，则进入步骤八，若两者大小不相等，则进入步骤四；
步骤四：由冲程控制器给出位置环给定，结合阀门开关控制活塞冲程，使压缩空气储能系统的输出功率与负载所需功率进行匹配；
步骤五：测量直线发电机的三相电流，对三相电流进行派克变换和克拉克变换，得到dq坐标系下的电流值；
步骤六：采用位置环、速度环和电流环结构的控制算法，给出速度环给定，进行速度调节；
步骤七：连接电流环和速度环的输入输出执行PID调节，经派克逆变换输入电压空间矢量控制模块，输入脉冲宽度调制信号，返回步骤三；
步骤八：设定额定电压值，测量直线发电机的三相电流和输出电压，比较实际输出电压和额定电压值，若两者大小相等，则结束，若两者大小不相等，则进入步骤九；
步骤九：采用电压环、电流环结构的控制算法，对直线发电机的电压和电流进行PI整定，直到直线发电机的输出电压等于额定电压，结束。
所述步骤一中的输入电网功率值为直线发电机发出的功率和冲程控制器消耗的功率的差值。
所述步骤四中冲程控制器控制活塞冲程，需要将测量的实际输入电网功率值反馈给冲程控制器，冲程控制器根据对比实际输入电网功率值和电网所需功率值来调节活塞冲程，结合阀门开关进行调节。
所述连接直线发电机的压缩空气储能系统装置可以包括高压储气室1、液体活塞2、液压活塞3、直线发电机4和冲程控制器5。所述液体活塞2有两个压力容器6、7组成，每个压力容器的顶部都通过管道与高压储气室1和外界大气连接，底部都通过管道与液压活塞3相连；所述液压活塞3的液压缸被活塞分隔成左右两个活塞腔，每个活塞腔都通过管道与两个压力容器底部相连，活塞连杆的两端分别与冲程控制器5、直线发电机4的动子相连，直线发电机4通过电线与冲程控制器5和电网相连。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明：
如图1所示，步骤一到步骤七的作用在于调节压缩空气储能系统输入电网的功率，步骤八到步骤九的作用在于维持直线发电机的输出电压恒定。
步骤一中设定负载所需功率，测量此时的压缩空气储能系统输入电网的功率值，将两个值同时传递给冲程控制器；
步骤二：监测液体活塞中的液体压强，根据压强的大小选择合适的活塞面积，通过调节液压活塞面积，来稳定活塞杆上的出力，公式如下：
F＝P·S
步骤三中冲程控制器比较两个值的大小，从而判断是否需要调整活塞冲程，大小不等则需要调整，进入步骤四，大小相等则不需要调整，进入步骤八。
步骤四中冲程控制器根据负载功率给出位置环给定，结合阀门开关来控制活塞冲程，使压缩空气储能系统的输出功率与负载所需功率进行匹配。
步骤五中测量直线发电机的三相电流，对三相电流进行派克变换和克拉克变换，得到dq坐标系下的电流值，派克变换和克拉克变换的总体公式如下：
Figure BDA0001574256190000061
步骤六中采用位置环、速度环和电流环结构的控制算法，给出速度环给定，进行速度调节。
步骤七中连接电流环和速度环的输入输出执行PID调节，经派克逆变换输入电压空间矢量控制模块，输入脉冲宽度调制信号，返回步骤三；
步骤八中设定额定电压值，测量此时直线发电机的三相电流和输出电压，比较实际输出电压和额定电压值大小，若两者相等，则结束，若两者大小不相等，则进入步骤九。
根据直线发电机电压方程计算dq坐标系下的电压值，公式如下：
Figure BDA0001574256190000062
Figure BDA0001574256190000063
步骤九中采用电流环和电压环对id、iq、U进行PI整定，通过调节PI整定的参数，直到直线发电机的输出电压幅值等于额定电压幅值，结束。
结束后等待下个周期，重复步骤一。
如图2所示，带箭头的实线表示电能的流动方向，带箭头的虚线表示信息传递方向。
如图3所示，基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法可以由图2实现。系统处于发电状态时，假设初始时刻液压活塞3和压力容器6中充满液体，阀门11打开，压力容器7与外界大气连通。其余阀门均处于关闭状态，假设初始时刻液压活塞中的活塞杆位于活塞腔的最左端。打开阀门8、阀门13、阀门14，活塞杆向右运动时，将高压储气室中的高压气体迁移到压力容器6中，高压气体迁移完成后(假设此时活塞杆位于活塞腔的最右端)，打开阀门12、阀门15，高压气体在压力容器6中膨胀做功，推动压力容器6内的液体流出，活塞杆在左右两侧活塞腔压强差的作用下向左移动，通过活塞杆的连动作用，带动直线发电机的动子运动，实现发电，此时根据电网所需的功率和实际输入的功率，冲程控制器5对活塞运动冲程进行调整，来实现输出功率调节当负载恒定时，通过切换液压活塞的面积比，来维持输出功率恒定，同时直线发电机自身通过电流环和电压环的控制，维持输出电压的恒定。
如图4所示，基于直线发电机的压缩空气储能系统的液压活塞由多个不同截面积的液压缸组成，当液压缸的数量为2时，设定活塞缸的面积分别为S1和S2(其中S1＞S2)，控制阀门的开关可以实现四种大小的力输出。控制阀门12、阀门15、阀门16、阀门18开通，阀门13、阀门14、阀门17、阀门19关断，此时活塞杆的出力F＝P·S1；控制阀门12、阀门14、阀门16、阀门19开通，阀门13、阀门15、阀门17、阀门18关断，此时活塞杆的出力F＝P·S2；控制阀门12、阀门15、阀门16、阀门19开通，阀门13、阀门14、阀门17、阀门18关断，此时活塞杆的出力F＝P·(S1+S2)；控制阀门12、阀门15、阀门17、阀门18开通，阀门13、阀门14、阀门16、阀门19关断，此时活塞杆的出力F＝P·(S1-S2).
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于包括步骤如下：
步骤一：设定负载所需的电功率值，测量压缩空气储能系统输入电网的功率大小；
步骤二：监测液体活塞中的液体压强，根据压强的大小调节液压活塞的面积，减小作用在活塞杆上力的波动范围；
步骤三：比较设定功率和输入电网功率值，若两者大小相等，则进入步骤八，若两者大小不相等，则进入步骤四；
步骤四：由冲程控制器给出位置环给定，结合阀门开关控制活塞冲程，使压缩空气储能系统的输出功率与负载所需功率进行匹配；
步骤五：测量直线发电机的三相电流，对三相电流进行派克变换和克拉克变换，得到dq坐标系下的电流值；
步骤六：采用位置环、速度环和电流环结构的控制算法，给出速度环给定，进行速度调节；
步骤七：连接电流环和速度环的输入输出执行PID调节，经派克逆变换输入电压空间矢量控制模块，输入脉冲宽度调制信号，返回步骤三；
步骤八：设定额定电压值，测量直线发电机的三相电流和输出电压，比较实际输出电压和额定电压值，若两者大小相等，则结束，若两者大小不相等，则进入步骤九；
步骤九：采用电压环、电流环结构的控制算法，对直线发电机的电压和电流进行P I整定，直到直线发电机的输出电压等于额定电压，结束。
2.根据权利要求1所述的基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一中的输入电网功率值为直线发电机发出的功率和冲程控制器消耗的功率的差值。
3.根据权利要求1所述的基于直线发电机的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：所述步骤四中冲程控制器控制活塞冲程，需要将测量的实际输入电网功率值反馈给冲程控制器，冲程控制器根据对比实际输入电网功率值和电网所需功率值来调节活塞冲程，结合阀门开关进行调节。
4.一种应用上述权利要求1-3之一的基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法的系统，其特征在于：连接直线发电机的压缩空气储能系统装置包括：高压储气室、液体活塞、液压活塞、直线发电机和冲程控制器；
所述高压储气室的顶部通过管道连接所述液体活塞的顶部，所述液体活塞的底部通过管道连接所述液压活塞，所述冲程控制器连接所述液压活塞控制液压活塞冲程，所述活塞杆连接所述直线发电机实现发电。
5.根据权利要求4所述的基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法的系统，其特征在于：所述液体活塞设置有两个压力容器，每个压力容器的顶部设置两个管道分别与高压储气室和外界大气连接，每个压力容器的底部通过管道与液压活塞相连；所述液压活塞的液压缸被活塞分隔成左右两个活塞腔，每个活塞腔分别通过管道与两个所述压力容器的底部相连，活塞连杆的两端分别与冲程控制器和直线发电机的动子相连，所述直线发电机通过电线与冲程控制器和电网相连。
6.根据权利要求5所述的基于直线发电机的压缩空气储能系统控制方法的系统，所述液体活塞由多个不同截面积的液压缸组成，通过控制阀门来调整液压缸的面积。
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