CN109386307B - 一种压缩空气储能系统的释能发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能系统释能发电装置及方法，所述装置包括储气单元、膨胀单元、发电单元和控制单元。本发明通过控制单元实时采集储气室单元、膨胀单元、发电机单元工作状态下的信息，对膨胀机和发电机转速进行优化控制，在保证输出功率一定的情况下，令其耗气量最小达到最大能效。有效地避免了传统压缩空气储能系统对压缩空气的浪费，同时也提高了输出电能的质量。

Description

一种压缩空气储能系统的释能发电装置及方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能控制领域，更具体地，涉及一种压缩空气储能系统的释能发电装置及方法。

背景技术

压缩空气储能系统(简称Compressed-Air Energy Storage，CAES)为一种使用压缩空气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。

目前，压缩空气储能所采用的发电机主要是同步发电机或鼠笼型异步发电机，同步发电机运行于电机极数和频率所决定的同步转速，这种发动机采用的恒速运行，往往会带来不必要的压缩空气的浪费；异步发电机则以稍高于同步转速的速度运行，系统结构简单，安全系数和可靠性较高，其中，最为常见的异步电机为绕线式异步电机，但是该异步电机转子绕组对频率的调节往往缺乏敏感性和准确性，同时该频率不能人为调节。因此，现有压缩空气储能系统在能量优化转换和高质量电能输出上存在极大的挑战。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可提升能源利用率的压缩空气储能系统的释能发电装置及方法，旨在解决现有压缩空气储能发电系统在调节系统转速和电能频率方面缺乏灵敏性，而导致的系统能源利用率较低的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种压缩空气储能系统的释能发电装置，包括储气单元、膨胀单元、发电单元和控制单元；

所述储气单元与膨胀单元相连，为系统提供能量来源；储气单元包括高压储气罐和压力温度检测装置，所述压力温度检测装置的输入端与高压储气罐相连；所述高压储气罐的输出端与膨胀单元相连；所述高压储气罐用于存储压缩空气；所述压力温度检测装置输入端与高压储气罐相连，输出端与控制单元的输入端相连；用于检测高压储气罐中压缩空气的温度和压力。

优选地，储气单元将压力和压缩空气的温度信息输入到控制单元内进行运算；

所述膨胀单元与发电单元相连，膨胀单元包括膨胀机、控制阀门和检测装置，所述控制阀门的输入端与储气单元相连，输出端与膨胀机的输入端相连，膨胀机的输出端与发电单元相连，检测装置的输入端与膨胀机的输入和输出端相连，输出端与控制单元的输入端相连；所述控制阀门用于调节输入膨胀机的空气流量；所述膨胀机用于将压缩空气中的能量转换为机械能，所述检测装置用于检测膨胀单元中的空气流量，膨胀机的膨胀比和转速；膨胀机利用压缩存储的高压空气在膨胀机中膨胀做功，带动膨胀单元中的轴旋转，将空气中的压力能和热能转换为机械能；

优选地，通过膨胀单元中的控制阀门和膨胀机喷嘴分别控制空气流量G与膨胀比π，进而调节膨胀单元的转速n₁使其尽可能地逼近控制单元反馈的理论转速n₃；

优选地，系统中膨胀单元的转速n₁大小直接关联发电机转速n₂，因此控制单元会根据膨胀单元的转速n₁反馈发电单元对应的理论转速n₄，发电单元中的变频器接收发电单元的理论转速值n₄，通过对发电机的矢量控制，调节发电机转速n₂实时跟踪发电单元理论转速n₄，本质上是为了实现整个装置中耗气量最小，使膨胀机持续处于最优能效下稳定工作；

所述发电单元包括发电机和变频器，所述发电机输入端连接膨胀单元，发电机输出端与电网和变频器的输入端相连；所述变频器的输入端与发电机的输出端相连，所述变频器的输出端与发电机的输入端相连；所述发电机将从膨胀机处获得的机械能转换为电能，变频器通过对发电机中的矢量控制，从而进一步提升发电单元向电网输出的电能质量；

优选地，在本发明采用的变速恒频双馈发电单元中，发电机为转子交流励磁的双馈异步发电机，变频器中的转子绕组连接在频率、幅值、相位都可以独立调节的三相变频电源上，因此在双馈电机正常工作时，可通过改变转子绕组变频器电源的频率、幅值、相位和相序来调节双馈电机的转矩、转速、定子侧的无功功率和输出电能的频率。简而言之，可通过变频器对发电机进行矢量控制，使双馈电机转速n₂实时跟踪发电机的理论转速n₄，同时可保证输出的电能质量；

所述控制单元与储气单元、膨胀单元、发电单元相连，所述控制单元从储气单元的测量装置中获得气体的压力和温度信息，从膨胀单元获得膨胀比π和空气流量G信息，从发电单元获得电压和电流信息。所述控制单元通过上述采集的数据信息，在保持膨胀单元输出机械能的目标功率不变的情况下，计算膨胀机和发电机达到最大能效时对应的最小空气流量的理论值、理论膨胀比和理论转速n₃及发电单元中的理论转速n₄、电流和电压，并将转速信息传递给膨胀单元及发电单元，膨胀单元通过阀门和膨胀机喷嘴大小分别调节空气流量G和膨胀比π，进而调节膨胀单元的转速n₁跟踪理论转速n₃，发电单元通过变频器对发电机的矢量控制使发电机转速n₂跟踪理论转速n₄。

优选地，膨胀单元机械能的输出功率为：

其中，P为膨胀单元机械能的输出功率,单位为kW；G为空气流量，单位为kg/s；C_P为定压比热容，单位为kJ/(kg·K)；T为向心涡轮空气进口温度，单位为K；k为热容比；π为向心涡轮膨胀比；η为向心涡轮效率。

优选地，膨胀单元的转速n₁与膨胀比π之间的关系如下：

其中，π_d，n_d分别是为向心涡轮膨胀比和膨胀单元转速的原始设计值，n₁为膨胀单元的转速，从上述公式可以看出膨胀单元的转速n₁与向心涡轮膨胀比π_d相关。

优选地，膨胀单元的转速n₁与空气流量G之间的关系如下：

其中，G_d为膨胀单元空气流量的原始设计值，从公式可知膨胀单元的转速n₁与空气流量G相关，因此可通过调节膨胀比π、空气流量G调节膨胀单元的转速n₁。

另一方面，本发明提供了一种基于压缩空气储能系统的释能发电装置的释能发电方法，包括：

(1)控制单元从储气单元、膨胀单元及发电单元采集温度，气压，膨胀比，储气量，电压，电流，功率等信息；

(2)控制单元根据膨胀单元的机械能的输出功率P的计算公式，计算输出机械能的目标功率p_a时，空气流量G取最小值对应的理论膨胀比、膨胀机的理论转速n₃和发电机的理论转速n₄；

(3)膨胀单元接收最小空气流量的理论值和理论膨胀比；

(4)根据最小空气流量的理论值，调节膨胀单元中的阀门调节空气流量G；

(5)根据理论膨胀比，调节膨胀机喷嘴的大小调节膨胀比π；

(6)重复步骤(4)～(5)，直至膨胀单元机械能的输出功率P与输出机械能的目标功率p_a相一致时，停止对空气流量和膨胀比的调节；

(7)发电单元接收膨胀单元输送的机械能的输出功率P，发电单元中的发电机将膨胀单元输出的机械能转化为电能；

(8)变频器根据控制单元反馈的电流信息，对发电机进行矢量调节，直到发电机转速n₂与理论转速n₄的同步，保证输出电能质量。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)控制单元根据收集来自膨胀单元和发电单元的实际数据，综合考虑目标功率p_a与能效最优化，对空气流量以及膨胀比进行协调控制，进而反馈膨胀机的理论转速n₃和发电机的理论转速n₄，保证机械能的输出功率P一定的情况下压缩空气消耗量最小，大大提供了系统能量的利用率。

(2)发电单元采用转子交流励磁的双馈异步发电机，通过发电单元中的变频器对发电机进行矢量控制，使双馈电机发电机转速n₂能实时跟踪理论转速n₄，确保输出电能的质量。

附图说明

图1是本发明提供的压缩空气储能系统的释能发电装置的结构示意图；

图2是本发明提供的发电单元结构示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供了一种压缩空气储能系统的释能发电装置，包括储气单元1、膨胀单元2、发电单元3和控制单元4；

所述储气单元1与膨胀单元2相连，储气单元为系统提供能量来源，将压力和压缩空气的温度信息输入到控制单元内进行运算；所述储气单元包括高压储气罐和压力温度检测装置；所述压力温度检测装置的输入端与高压储气罐相连；所述高压储气罐的输出端与膨胀单元2相连；所述高压储气罐用于存储压缩空气；所述压力温度检测装置输入端与高压储气罐相连，输出端与控制单元4的输入端相连，用于检测高压储气罐中压缩空气的温度和压力；

所述膨胀单元2与发电单元3相连，膨胀单元2包括膨胀机、控制阀门和检测装置；所述控制阀门的输入端与储气单元相连，输出端与膨胀机的输入端相连，膨胀机的输出端与发电单元相连，检测装置的输入端与膨胀机的输入和输出端相连，输出端与控制单元4的输入端相连；所述控制阀门用于调节输入膨胀机的空气流量G；所述膨胀机用于将压缩空气中的能量转换为机械能，所述检测装置用于检测膨胀单元(2)中的空气流量G，膨胀机的膨胀比π及转速n₁；膨胀机利用压缩存储的高压空气在膨胀机中膨胀做功，带动膨胀单元中的轴旋转，将空气中的压力能和热能转换为机械能；

优选地，通过膨胀单元2中的控制阀门和膨胀机喷嘴分别控制空气流量G与膨胀比π，进而调节膨胀单元的转速n₁使其尽可能地逼近控制单元4反馈的膨胀机的理论转速n₃；

优选地，系统中膨胀单元的转速n₁大小直接关联发电机转速n₂，因此控制单元4会根据膨胀单元2的转速n₁反馈发电单元3对应的理论转速n₄，发电单元3中的变频器接受发电单元3的理论转速n₄，通过对发电机的矢量控制，进而调节发电机转速n₂实时跟踪发电单元3的理论转速n₄，本质上是为了实现整个装置中耗气量最小，使膨胀机持续处于最优能效下稳定工作；

如图2所示，所述发电单元3包括发电机和变频器，所述发电机输入端连接膨胀单元2，发电机输出端与电网及变频器的输入端相连；所述变频器的输入端与发电机的输出端相连，所述变频器的输出端与发电机的输入端相连；所述发电机将从膨胀机处获得的机械能转换为电能，从而实现发电单元3向电网发出高质量的电能。

优选地，在本发明采用的变速恒频双馈发电单元3中，发电机为转子交流励磁的双馈异步发电机，变频器中的转子绕组连接在频率、幅值、相位都可以独立调节的三相变频电源上，因此在双馈电机正常工作时，可通过改变转子绕组变频器电源的频率、幅值、相位和相序来调节双馈电机的转矩、转速、定子侧的无功功率和输出电能的频率；简而言之，可通过变频器对发电机进行矢量控制，使双馈电机的转速n₂实时跟踪控制单元4反馈的发电机的理论转速n₄，同时可保证输出的电能质量；

所述控制单元4与储气单元1、膨胀单元2、发电单元3相连，所述控制单元4从储气单元1的测量装置中获得气体的压力和温度信息，从膨胀单元2获得膨胀比π和空气流量G信息从发电单元3获得电压和电流信息；

所述控制单元4通过上述采集的数据信息，在保持膨胀单元2输出机械能的目标功率不变的情况下，计算膨胀机和发电机达到最大能效时对应的最小空气流量的理论值、理论膨胀比和理论转速n₃及发电单元3中的理论转速n₄、电流和电压；并将转速信息传递给膨胀单元2及发电单元3，膨胀单元2通过阀门和膨胀机喷嘴大小分别调节空气流量G和膨胀比π，进而调节膨胀单元的转速n₁跟踪理论转速n₃，发电单元3通过变频器对发电机的矢量控制使发电机转速n₂跟踪理论转速n₄；

优选地，膨胀单元2机械能的输出功率为公式：

其中，P为膨胀单元的机械能的输出功率,单位为kW；G为空气流量，单位为kg/s；C_P为定压比热容，单位为kJ/(kg·K)；T为向心涡轮空气进口温度，单位为K；k为热容比；π为向心涡轮膨胀比；η为向心涡轮效率；

优选地，膨胀单元2的转速n₁为：

其中，π_d，n_d分别是为向心涡轮膨胀比和膨胀单元2转速的原始设计值，n₁为膨胀单元的转速，从上述公式可以看出膨胀单元的转速n₁与向心涡轮膨胀比π_d相关；

优选地，膨胀单元中的转速n₁与空气流量G之间的关系式如下：

其中，G_d为膨胀单元空气流量的原始设计值，从公式可知膨胀单元的转速n₁与空气流量G相关，因此可通过调节膨胀比π、空气流量G调节膨胀单元的转速n₁。

与上述装置对应本发明提供了一种压缩空气储能系统的释能发电方法，包括：

(1)控制单元4从储气单元1、膨胀单元2及发电单元3采集温度、气压、膨胀比、储气量、电压、电流和功率等信息；

(2)根据膨胀单元的机械能的输出功率P的计算公式，计算输出机械能的目标功率p_a时，空气流量取最小值对应的理论膨胀比、膨胀机的理论转速n₃和发电机的理论转速n₄；

(3)根据上述获得的最小空气流量的理论值和理论膨胀比，通过调节膨胀单元2中压缩空气的空气流量G和膨胀比π调节输出功率P，直至膨胀机转速n₁与理论转速n₃数值相等，输出机械能的输出功率P与输出机械能的目标功率p_a相同；

(4)发电单元3中的发电机将机械能的输出功率P转换为电能，变频器通过对发电机矢量的控制实现恒频电能的输出。

优选地，上述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3.1)膨胀单元2接收控制单元4反馈的最小空气流量的理论值和理论膨胀比；

(3.2)根据最小空气流量的理论值，调节膨胀单元中的阀门调节空气流量G；

(3.3)根据理论膨胀比，调节膨胀机喷嘴的大小调节膨胀比π；

(3.4)重复步骤(3.2)～(3.3)，直至膨胀单元2输出功率与目标功率相一致时，停止对空气流量G和膨胀比π的调节。

优选地，上述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4.1)发电单元3接收膨胀单元2输送的机械能的输出功率P，发电单元3中的发电机将膨胀单元2输出的机械能转化为电能；

(4.2)变频器根据控制单元4反馈的电流和电压信息，对发电机进行矢量调节，直到发电机转速n₂与理论转速n₄同步，保证输出电能质量。

综上所述，本发明中的控制单元4根据输出机械能的目标功率p_a确定的最小空气流量，调整膨胀单元2的阀门和膨胀喷嘴，调节膨胀单元的空气流量G和膨胀比π，进而得到膨胀单元2的转速n₁和机械能的输出功率P，发电单元3中的转子交流励磁的异步发电机将输出机械能转换为电能，同时变频器接收控制单元4反馈的电流信号进行控制，进一步调整发电机转速n₂以及频率的输出。使发电机转速n₂跟踪理论转速n₄，保证输出的电能质量，最终实现整个装置中耗气量最小的同时实现最优的能源利用率。

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 (7)

1.一种压缩空气储能系统的释能发电装置，其特征在于，包括储气单元(1)、膨胀单元(2)、发电单元(3)和控制单元(4)；

所述储气单元(1)与膨胀单元(2)相连，膨胀单元(2)与发电单元(3)相连，控制单元(4)与储气单元(1)、膨胀单元(2)和发电单元(3)相连；

所述储气单元(1)为系统提供能量来源；

所述控制单元(4)用于接收系统工作状态下储气单元(1)中的压力和温度信息、膨胀单元(2)中的膨胀比π和空气流量G信息及发电单元(3)中的电压和电流信息，根据接收的数据信息与膨胀单元(2)的机械能的输出功率P之间的关系实时反馈膨胀单元(2)中的最小空气流量的理论值、理论膨胀比和理论转速n₃及发电单元(3)中的理论转速n₄、电流和电压，进而实现系统的最大能效；

所述膨胀单元(2)根据最小空气流量的理论值，调节压缩空气膨胀做功带动轴旋转的膨胀单元(2)的转速n₁，从而调节机械能的输出功率P；

所述发电单元(3)用于将系统机械能转换为电能，并通过发电单元(3)的发电机转速n₂实时跟踪理论转速n₄的取值提高输出电能的质量；所述发电单元(3)中的发电机为转子交流励磁的双馈异步发电机；

系统运行状态下，通过变频器对发电机的矢量控制，使所述发电机的转速n₂与理论转速n₄同步；

其中，最大能效为机械能的输出功率P一定的情况下压缩空气消耗量最小。

2.如权利要求1所述的释能发电装置，其特征在于，储气单元(1)包括高压储气罐和压力温度检测装置；

所述高压储气罐输出端与压力温度检测装置和膨胀单元(2)相连；

所述压力温度检测装置的输入端与高压储气罐相连，输出端与控制单元(4)的输入端相连；

所述高压储气罐用于存储压缩空气；

所述压力温度检测装置用于检测高压储气罐中压缩空气的温度和压力。

3.如权利要求1或2所述的释能发电装置，其特征在于，膨胀单元(2)包括膨胀机、控制阀门和检测装置；

所述控制阀门的输入端与储气单元(1)相连，输出端与膨胀机的输入端相连；

所述膨胀机的输出端与发电单元(3)相连；

所述的检测装置的输入端与膨胀机的输入和输出端相连，输出端与控制单元(4)的输入端相连；

所述膨胀机用于将压缩空气中的能量转换为机械能；

所述控制阀门用于控制输入膨胀单元中的空气流量；

所述检测装置用于检测膨胀单元(2)中的空气流量G、膨胀机的膨胀比π以及膨胀单元(2)的转速n₁。

4.如权利要求3所述的释能发电装置，其特征在于，发电单元(3)包括发电机和变频器；

所述发电机的输入端与膨胀单元(2)相连，输出端与电网和变频器的输入端相连；

所述变频器的输入端与发电机的输出端相连，输出端连接发电机的输入端；

所述发电机将从膨胀单元(2)处获得的机械能转换为电能；

所述变频器对发电机进行矢量控制，调整发电机转速n₂。

5.一种根据权利要求1所述的压缩空气储能系统的释能发电装置的释能发电方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据系统工作参数，实时计算输出机械能的目标功率为p_a时，空气流量G取最小值对应的理论膨胀比、理论转速n₃和理论转速n₄的取值；

(2)根据计算获得的最小空气流量的理论值和理论膨胀比的取值，持续调节系统中的空气流量G和膨胀比π，直至膨胀单元(2)的转速n₁与理论转速n₃保持同步的同时压缩空气的能量转换成机械能的输出功率P与目标功率p_a相等；

(3)将所述机械能转换为电能，通过对系统中发电机的矢量控制，使发电机转速n₂跟踪理论转速n₄的计算值，确保输出电能的持续性；

所述步骤(3)采用的发电机为转子交流励磁的双馈异步发电机。

6.如权利要求5所述的释能发电方法，其特征在于，所述步骤(2)中空气流量G通过系统控制阀门调节；所述膨胀比π通过系统膨胀喷嘴调节。

7.如权利要求5所述的释能发电方法，其特征在于，所述步骤(1)中输出机械能的目标功率与空气流量G和膨胀比π有如下关系：

其中，p_a为输出机械能的目标功率，单位为kW；G为空气流量，单位为kg/s；C_P为定压比热容，单位为kJ/(kg·K)；T为向心涡轮空气进口温度，单位为K；k为热容比；π为向心涡轮膨胀比；η为向心涡轮效率；

所述理论转速n₃与膨胀比π有如下关系：

其中，π_d，n_d分别是为向心涡轮膨胀比π和理论转速n₃对应的原始设计值；

理论转速n₃与空气流量G之间的关系如下：

其中，G_d为空气流量的原始设计值，从公式可知理论转速n₃与空气流量G相关。

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