CN113098037B - 一种热电混合储能系统的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电混合储能系统的控制方法及其系统，所述方法包括：当处于用电高峰期时，控制储气罐给膨胀机供气，并控制高热储能罐给所述膨胀机供热，其中，所述膨胀机产生的电能用于供给电市场；当所述高热储能罐存在剩余高热时，通过换热器将所述高热转换为低热并存储至低热储能罐，所述低热用于供给热市场。本发明提供的热电混合储能系统的控制方法，在基于A‑CAES系统的基础上，通过将高热转低热存储，从而降低热储能的损耗，克服了现有储能系统储能功能单一的缺点、提高了能量循环利用率。

Description

一种热电混合储能系统的控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及电力储能系统技术领域，具体涉及一种热电混合储能系统的控制方法及其系统。

背景技术

传统的压缩空气储能系统(CAES系统)主要由压缩机、储气室、燃烧室、膨胀机组成。系统储能时，压缩机通过电能驱动压缩空气并储存于储气室中；释能时，高压空气从储气室进入燃烧室，经过燃烧加热后的高温高压空气驱动膨胀机带动发电机做功对外发电。但由于这种方式主要靠燃烧化石燃料产热，在燃烧时会产生大量污染物，具有能源循环效率低，污染环境的缺点。

为了克服上述缺点，现有技术经过改造后提出了一种新的储能系统，即绝热压缩空气储能系统(A-CAES系统)，该系统将原有燃烧室变为蓄热装置，通过存储压缩过程中产生的压缩热来提供热量，从而减少了污染，并提高了系统循环效率。但是这种方式仅利用热储能实现热的循环利用，不仅储能功能单一，且在自身高温储能时会出现大量的热量损失，进而导致能量的循环利用率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热电混合储能系统的控制方法及其系统，该方法通过在绝热压缩空气储能系统的基础上，通过将高热转低热存储，从而降低热储能的损耗，解决了现有技术中高温储能的结构单一，热量损失大，循环利用率低的问题。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种热电混合储能系统的控制方法，包括：

当处于用电高峰期时，控制储气罐给膨胀机供气，并控制高热储能罐给所述膨胀机供热，其中，所述膨胀机产生的电能用于供给电市场；

当所述高热储能罐存在剩余高热时，通过换热器将所述高热转换为低热并存储至低热储能罐，所述低热用于供给热市场；

当处于用电低谷期时，控制压缩机压缩空气，将压缩后的空气存储至所述储气罐，并将压缩时产生的热能存储至所述高热储能罐；

根据所述压缩机与所述膨胀机的相关参数确定四个参数，其中，所述四个参数包括压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比、压缩机的压缩产热与充电功率之比，膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比以及膨胀机膨胀吸热与放电功率之比；

根据所述四个参数确定所述压缩机放出的热量及所述膨胀机吸收的热量，建立储能模型内部的热路节点平衡方程；并根据所述热路节点平衡方程计算出高热储热罐、低热储热罐与储气罐的剩余储能含量。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：计算压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比：

式中，p_t.cc表示压缩机t时刻的充电功率；η_c表示压缩机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

压缩机t时刻的空气质量流速；τ_t.cin表示压缩机t时刻的入口温度；

表示压缩机出气与进气压强之比；α₁为压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：计算压缩机的压缩产热与充电功率之比：

式中，τ_t.cin、τ_t.cout分别表示压缩机t时刻的入口、出口温度；h_t.c表示t时刻压缩机放出的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₁表示压缩机的压缩产热与充电功率之比。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：计算膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比：

式中，p_t.ec表示膨胀机t时刻的放电功率；η_e表示膨胀机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

膨胀机t时刻的空气质量流速；τ_t.ein表示膨胀机t时刻的入口温度；

表示膨胀机进气与出气压强之比；α₂为膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：计算膨胀机膨胀吸热与放电功率之比：

式中，τ_t.ein、τ_t.eout分别表示膨胀机t时刻的入口、出口温度；h_t.e表示t时刻膨胀机吸收的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₂表示膨胀机膨胀吸热与放电功率之比。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：建立热电混合储能系统的热路节点平衡方程：

式中，λ_t.chH、λ_t.disH分别表示t时刻高热储热罐的充电、放电状态；λ_t.chL、λ_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的充电、放电状态；h_t.chH、h_t.disH分别表示高热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.chL、h_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.HEX表示t时刻换热器交换的热量；T_t.out表示向热市场t时刻供给的热能。

进一步地，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：计算高热储热罐、所述低热储热罐及所述储气罐的SOC：

式中，SOC表示剩余储能含量；H_t.H表示t时刻高热储热罐的SOC；H_t.L表示t时刻低热储热罐的SOC；Pr_t.GS表示t时刻储气罐的SOC；η_chG、η_disG分别表示储气罐的充气、放气效率；T_G表示储气罐内的温度；V_G表示储气罐的体积；R_g表示气体常数。

相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：

本发明提供的热电混合储能系统包括压缩空气储能、高热储能与低热储能，高热储能用于热能回收利用，低热储能用于供给外部热市场。本发明在A-CAES系统的高热基础上添加了低热储能，高热在热量剩余时可转化为低热存储，降低了原本高热储能的损耗，并且低热储能在热能剩余时可用于热市场的供给，不仅克服了储能单一的缺点，同时提高了能量循环利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的热电混合储能系统的控制方法的流程示意图；

图2是本发明某一实施例提供的压缩空气储能系统的结构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的绝热压缩空气储能系统的结构示意图；

图4是本发明某一实施例提供的热电混合储能系统的结构示意图；

图5是本发明某一实施例提供的热电混合储能系统能量的原理示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一方面：

请参阅图1，本发明某一实施例提供了一种热电混合储能系统的控制方法，包括：

S10、当处于用电高峰期时，控制储气罐给膨胀机供气，并控制高热储能罐给所述膨胀机供热，其中，所述膨胀机产生的电能用于供给电市场；

S20、当所述高热储能罐存在剩余高热时，通过换热器将所述高热转换为低热并存储至低热储能罐，所述低热用于供给热市场。

在本实施例中，需要说明的是，传统压缩空气储能系统，即CAES系统主要由压缩机、储气室、燃烧室、膨胀机等设备组成，如图2所示。其具体工作原理为：储能时，压缩机通过电能驱动压缩空气并储存于储气罐中；释能时，高压空气从储气罐进入燃烧室，经过燃烧加热后的高温高压空气驱动膨胀机带动发电机做功对外发电。但是由于传统CAES系统中，气体的加热主要源于燃烧室中化石燃料的燃烧产生的热量，燃烧过程无疑会产生大量污染物，对环境存在一定的危害，并且导致循环效率低等问题。为解决这些问题，在此基础上发展了绝热压缩空气储能，以压缩热取代了化石燃料燃烧。

进一步地，常规的绝热压缩空气储能系统，即A-CAES系统，主要由压缩机、储热装置、储气装置以及膨胀机组成，如图3所示。A-CAES系统摒弃了燃烧室，引入蓄热装置来存储压缩过程中产生的压缩热，其工作原理为储能时，利用低谷电将空气通过压缩机进行压缩，然后把高压空气存储到储气罐中，产生的热能存储到储热罐中；释能时，储热罐给压缩空气加热，利用高温高压的空气驱动膨胀机发电，对外释放能量。通过引入蓄热装置取代除传统的燃烧供热，大大减少了污染物的产生与排放，并且将压缩阶段产生的压缩热用于膨胀做功阶段，也在一定程度上提高了系统的循环效率。但是这种方式A-CAES仅利用热储能实现热的循环利用，将压缩过程中产生的回收热量在膨胀过程中加热压缩空气，而压缩机排气温度和储热温度在300℃左右，处于高温储能，其热损失相对较大，A-CAES不仅储能功能单一，也没有考虑高温热储能本身的热量损失，进而导致能源的循环利用率较低，为此，本发明实施例提供一种热电混合储能的控制方法及系统，能够提高能源循环利用率。

首先，本实施例中给出了热电混合储能系统的结构，如图4所示，该结构包括：

压缩机、储气罐、膨胀机、高热储热罐、低热储热罐及换热器；

所述储气罐、所述高热储热罐的输入端分别连接所述压缩机的放电端；所述储气罐、所述高热储热罐的放电端分别连接所述膨胀机的输入端；其中，

所述高热储热罐的另一放电端通过所述换热器与所述低热储热罐连接。

当处于用高峰电期时，主要是由储气罐事先储存的气体给膨胀机供气，及高热储能罐事先储存的热量给所述膨胀机供热，带动膨胀机发电，将机械能转化为电能，该电能用于供给电市场；当所述高热储能罐还存在剩余高热时，通过换热器将所述高热转换为低热并存储至低热储能罐，所述低热用于供给热市场赚取收益。其中，需要指明的是，在空气压缩储能中高热储热罐的温度一般为275℃-325℃，即本实施例中高热的温度范围为275℃-325℃；而用于城市用水的低热储能温度一般为75℃-125℃，即本实施例中低热的温度范围为75℃-125℃。

本发明实施例在绝热压缩空气储能系统(A-CAES系统)的基础上提供对应的控制方法，该方法通过换热器将高热转低热存储，从而降低热储能的损耗，同时低热还用于供给热市场，具备储能多元化、能源循环利用率高的优点。

在某一个实施例中，所述热电混合储能系统的控制方法，还包括：

当处于用电低谷期时，控制压缩机压缩空气，并将压缩后的空气存储至所述储气罐，及压缩时产生的热能存储至所述高热储能罐。通过在用电低谷期时进行能量储存的工作，能够在用电高峰期时供给充足的能量。

在某一个实施例中，为了说明本发明提供的储能系统的优势，需要根据压缩机与膨胀机的相关参数确定四个参数，即压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比α₁、压缩机的压缩产热与充电功率之比β₁、膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比α₂以及膨胀机膨胀吸热与放电功率之比β₂；然后根据这四个参数可以确定压缩机放出的热量及膨胀机吸收的热量，进而建立储能模型内部的热路节点平衡方程；计算出高热储热罐、低热储热罐与储气罐的SOC，具体地：

第一步，计算压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比：

式中，p_t.cc表示压缩机t时刻的充电功率；η_c表示压缩机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

压缩机t时刻的空气质量流速；τ_t.cin表示压缩机t时刻的入口温度；

表示压缩机出气与进气压强之比；α₁为压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比。

第二步，计算压缩机的压缩产热与充电功率之比：

式中，τ_t.cin、τ_t.cout分别表示压缩机t时刻的入口、出口温度；h_t.c表示t时刻压缩机放出的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₁表示压缩机的压缩产热与充电功率之比。

第三步，计算膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比：

式中，p_t.ec表示膨胀机t时刻的放电功率；η_e表示膨胀机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

膨胀机t时刻的空气质量流速；τ_t.ein表示膨胀机t时刻的入口温度；

表示膨胀机进气与出气压强之比；α₂为膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比。

第四步，计算膨胀机膨胀吸热与放电功率之比的计算公式：

式中，τ_t.ein、τ_t.eout分别表示膨胀机t时刻的入口、出口温度；h_t.e表示t时刻膨胀机吸收的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₂表示膨胀机膨胀吸热与放电功率之比。

需要说明的是，在公式(1-4)中，储气罐的进气质量速率

与储气罐的出气质量速率

的计算公式如下：

式中，λ_t.cc/λ_t.ed表示压缩机/膨胀机t时刻的工作状态，p_t.cc/p_t.ed表示压缩机/膨胀机t时刻的输入/放电功率，

压缩机/膨胀机t时刻的空气质量流速。

第五步，根据β₁、β₂分别计算压缩机放出的热量、膨胀机吸收的热量：

h_t.c＝β₁λ_t.ccp_t.cc (7)

h_t.e＝β₂λ_t.edp_t.ed (8)

第六步，根据图5提供的储能模型的能量流向以及公式(1-8)，建立储能模型内部的热路节点平衡方程，

式中，λ_t.chH、λ_t.disH分别表示t时刻高热储热罐的充电、放电状态；λ_t.chL、λ_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的充电、放电状态；h_t.chH、h_t.disH分别表示高热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.chL、h_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.HEX表示t时刻换热器交换的热量；T_t.out表示向热市场t时刻供给的热能。

最后，根据公式(9)，得到计算高热储热罐、所述低热储热罐及所述储气罐的SOC：

式中，SOC表示荷电状态；H_t.H表示t时刻高热储热罐的SOC；H_t.L表示t时刻低热储热罐的SOC；Pr_t.GS表示t时刻储气罐的SOC；η_chG、η_disG分别表示储气罐的充气、放气效率；T_G表示储气罐内的温度；V_G表示储气罐的体积；R_g表示气体常数。需要补充的是，SOC一般指荷电状态，用来表示蓄电池中的剩余电量。但从电量、能量等不同的角度，SOC有多种不同的定义方式。在本发明中表示储热罐、储气罐剩余储能含量，即剩余热量，气量。计算储能的SOC可以得知每时刻储能罐剩余的能量，并在运行中设置上下限，使得系统安全运行，同时提高储能系统的使用寿命。

本实施例通过设置α₁、β₁、α₂及β₂四个参数，可以快速计算本发明中储气罐的进出气速率以及压缩机膨胀机的放热与吸热，同时准确计算出计算高热储热罐、所述低热储热罐及所述储气罐的SOC，因此节省了空气压缩储能各个设备的具体建模，加快了仿真速度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种热电混合储能系统的控制方法，其特征在于，包括：

当处于用电高峰期时，控制储气罐给膨胀机供气，并控制高热储能罐给所述膨胀机供热，其中，所述膨胀机产生的电能用于供给电市场；

当所述高热储能罐存在剩余高热时，通过换热器将所述高热转换为低热并存储至低热储能罐，所述低热用于供给热市场；

当处于用电低谷期时，控制压缩机压缩空气，将压缩后的空气存储至所述储气罐，并将压缩时产生的热能存储至所述高热储能罐；

根据所述压缩机与所述膨胀机的相关参数确定四个参数，其中，所述四个参数包括压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比、压缩机的压缩产热与充电功率之比，膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比以及膨胀机膨胀吸热与放电功率之比；

根据所述四个参数确定所述压缩机放出的热量及所述膨胀机吸收的热量，建立储能模型内部的热路节点平衡方程；并根据所述热路节点平衡方程计算出高热储热罐、低热储热罐与储气罐的剩余储能含量，其中，所述热路节点平衡方程：

式中，λ_t.chH、λ_t.disH分别表示t时刻高热储热罐的热能充放状态；λ_t.chL、λ_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的热能充、放状态；h_t.chH、h_t.disH分别表示高热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.chL、h_t.disL分别表示低热储热罐t时刻的充电产生热量、放电产生热量；h_t.HEX表示t时刻换热器交换的热量；T_t.out表示向热市场t时刻供给的热能；

其中，计算高热储热罐、所述低热储热罐及所述储气罐的SOC，如下所示：

式中，SOC表示剩余储能含量；H_t.H表示t时刻高热储热罐的SOC；H_t.L表示t时刻低热储热罐的SOC；Pr_t.GS表示t时刻储气罐的SOC；H_t-1.H、H_t-1.L、Pr_t-1.GS分别表示t前一时刻的高热储热罐、低热储热罐、储气罐SOC；η_chH、η_disH分别表示高热储热罐的热能充、放效率；η_chL、η_disL分别表示低热储热罐的热能充、放效率；η_chG、η_disG分别表示储气罐的充气、放气效率；λ_t.cc、λ_t.ed分别表示t时刻储气罐的充气、放气状态；

表示压缩机、膨胀机t时刻的空气质量流速；T_G表示储气罐内的温度；V_G表示储气罐的体积；R_g表示气体常数。

2.根据权利要求1所述的热电混合储能系统的控制方法，其特征在于，还包括，计算压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比：

式中，p_t.cc表示压缩机t时刻的充电功率；η_c表示压缩机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

压缩机t时刻的空气质量流速；τ_t.cin表示压缩机t时刻的入口温度；

表示压缩机出气与进气压强之比；α₁为压缩机出口的空气质量流速与充电功率之比。

3.根据权利要求2所述的热电混合储能系统的控制方法，其特征在于，还包括，计算压缩机的压缩产热与充电功率之比：

式中，τ_t.cin、τ_t.out分别表示压缩机t时刻的入口、出口温度；h_t.c表示t时刻压缩机放出的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₁表示压缩机的压缩产热与充电功率之比。

4.根据权利要求2所述的热电混合储能系统的控制方法，其特征在于，还包括，计算膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比：

式中，p_t.ec表示膨胀机t时刻的放电功率；η_e表示膨胀机的绝热效率；k表示空气的绝热指数；R_g表示气体常数；

膨胀机t时刻的空气质量流速；τ_t.ein表示膨胀机t时刻的入口温度；

表示膨胀机进气与出气压强之比；α₂为膨胀机入口的空气质量流速与放电功率之比。

5.根据权利要求4所述的热电混合储能系统的控制方法，其特征在于，还包括，计算膨胀机膨胀吸热与放电功率之比：

式中，τ_t.ein、τ_t.eout分别表示膨胀机t时刻的入口、出口温度；h_t.e表示t时刻膨胀机吸收的热量；C_a表示空气的恒压比热；β₂表示膨胀机膨胀吸热与放电功率之比。

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