CN115013266A - 一种矩阵式重力储能系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩阵式重力储能系统控制方法，设定重力储能模块，重力储能模块包含上侧区域和下侧区域，上侧区域和下侧区域分别包含n层的质量块层，每一层质量块层能够放置m块质量块；上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下一一对应进行质量块的转移；储能过程中，下侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替提升至上侧区域内；释放电能过程中，上侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替下降至下侧区域内，并且两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接。本发明采用两组垂直升降车两侧交替升降的方式控制整个重力储能系统的储能和放电过程，使储能以及放电过程更加的平稳。

Description

一种矩阵式重力储能系统控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是一种矩阵式重力储能系统控制方法，属于储能系统技术领域。

背景技术

近年来，全球能源发展加快向清洁低碳转型，风能、光伏等可再生能源的大规模并网在满足能源需求的同时，极大程度上优化了我国的能源结构。然而由于新能源发电出力具有间歇性、随机性、不可预测性、波动性等固有特点，清洁能源的高比例接入增加了电网调峰调频的压力。为深入推进能源生产转型，电力行业对大规模储能技术提出了迫切需求。

目前，化学储能技术全面高速发展，铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池等电池储能由于响应速度快、效率高等技术优势已成为电力储能的主流技术，然而各类电池容量成本高且存在环境污染问题，尚且无法全面部署。电磁储能技术具有响应快、比功率高等优势，然而超导磁储能与超级电容器均因造价高昂暂不具备规模化商业应用的条件。机械储能具有寿命长、经济性高、安全系数高等显著优势，适用于电力调峰调频及电能质量改善。现阶段，飞轮储能、压缩空气储能的技术成熟度有待提高，抽水蓄能是应用最广泛、最成熟的大规模储能技术，但该方式对选址要求极高且地理资源损耗较大，难以全面推广应用。

重力储能是一种新型储能技术，其因具有度电成本低、选址灵活等优势，逐步在储能技术领域中受到关注并已得到一定程度的应用。

如：中国专利CN113653612A与CN214674543U均提供了一种斜体式重力储能系统，其效率与斜坡轨道坡度以及外部环境密切相关。由于大坡度斜坡及轨道的建造成本普遍较高，且此类无围护结构的储能系统需考虑极端天气、地质灾害等环境因素，因此不适用于商业应用。

中国专利CN111287918A提供了一种更经济、更环保的悬挂式重力储能系统，其将废弃矿井的井筒和矸石分别作为储能通道、质量块来使用，可实现初期成本的大幅降低，然而矸石质量的不一致极大程度上影响了电力输出的稳定性，且废弃井筒的数量及规模进一步限制了其全国范围的推广应用。

中国专利CN111692055A提供了一种悬挂式重力储能系统，其利用梁架结构为重物的垂直提升创造条件，该系统对地理条件要求较低且占地面积相对较小，然而复杂的质量块运行模式、不稳定的吊装机构均对其往返效率和功率造成了挑战，因而仍有较大改进空间。

瑞士Energy Vault公司提出了一种利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，其利用块体的吊起下落进行储能和释能。然而起重机吊装块体需高载重、高精度抓放的机械抓手，制造难度较大，且存在缆绳晃动难以定位、塔楼稳定性低等问题，这限制了其推广应用。

综上，现有储能技术具有如下缺陷：1、传统抽水蓄能机组包括水泵及电动发电机，能量需经过两次转换才可产生尖峰电力，在转换过程中不可避免地面临机械能的损失，此外，水的蒸发与渗漏也造成了一定的电力损耗。2、传统抽水蓄能电站需适宜的地理条件，在电力调峰调频需求大的地区，可用站址资源通常不足以满足建设要求。3、重力储能系统普遍安装有吊装机构以操控质量块的垂直升降，现有技术方案中，质量块的运行轨迹较为复杂，无法实现安全、稳定且持续的电力输出。4、现有重力储能系统技术方案中，未明确质量块吊装过程中的控制方案，存在电力输出不稳、质量块定位不准等问题。5、现有重力储能系统技术方案普遍难以实现大容量且稳定的电力输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种矩阵式重力储能系统控制方法，对可再生能源进行存储并实现安全稳定、大容量的电力输送。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、设定重力储能模块，重力储能模块包含上侧区域和下侧区域，上侧区域和下侧区域分别包含n层的质量块层，每一层质量块层能够放置m块质量块；

S2、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下一一对应进行质量块的转移；

S3、储能过程中，下侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替提升至上侧区域内；

S4、释放电能过程中，上侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替下降至下侧区域内，并且两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接。

进一步地，所述步骤S3具体为：

3.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

3.2、初始时，质量块均堆叠在下侧区域内，开始储能时，下侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块提升至上层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

3.3、下侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块提升至上侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

3.4、重复3.2-3.3过程将下层区域质量块交替提升至上侧区域内完成储能。

进一步地，所述步骤S4具体为：

4.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

4.2、初始时，质量块均堆叠在上侧区域内，开始放电时，上侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块下降至下层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

4.3、上侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块下降至下侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

4.4、重复4.2-4.3过程将上层区域质量块交替下降至下侧区域内完成放电；

4.5、两侧垂直升降车有载时，带动发电机进行发电，两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接从而进行不间断发电。

进一步地，所述垂直升降车有载上升时，发电机通过主轴将动力传递至副轴，副轴驱动垂直升降车提升，垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从下侧区域提升至上侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴不再受主轴驱动，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

进一步地，所述垂直升降车空载下降时，垂直升降车在配重块的辅助下下降，液压离合器断开使主轴和副轴无动力传动关系，由提升电机独立驱动垂直升降车下降。

进一步地，所述垂直升降车有载下降时，副动力轴上的刹车制动器松开使垂直升降车在质量块的重力下下降，牵引带带动副动力轴转动，此时副动力轴的离合器闭合从而通过减速器带动主动力轴一起转动，带动发电机进行发电；垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从上侧区域下降至下侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴与主轴分离，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

进一步地，所述垂直升降车空载上升时，离合器分离使主轴和副轴分离，提升电机驱动副轴带动垂直升降车上升，配重块重量与垂直升降车空载重量相当，提升电机以小功率即可完成垂直升降车空载上升。

进一步地，所述储能过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载充电时间和块体放置时间，设定有载充电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载充电时间无间隔交替进行充电。

进一步地，所述放电过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载防电时间和块体放置时间，设定有载放电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载放电时间无间隔交替进行放电。

进一步地，所述垂直升降车上侧连接牵引带一端，牵引带向上经过顶部滑轮装置的一个定滑轮后向下缠绕在副轴上，再向上经过顶部滑轮装置的另一个定滑轮后连接配重块，顶部滑轮装置内设置有伸缩机构进行高度校正。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明采用水平搬运车配合垂直升降车的方式取代传统重力储能系统的吊装方式，结构更加稳定且控制定位更加简单；同时采用两组垂直升降车两侧交替升降的方式控制整个重力储能系统的储能和放电过程，使储能以及放电过程更加的平稳；

2、本发明采用两侧交替质量块进行升降的方式实现储能和放电，质量块在上侧区域以及下侧区域的分布均匀，整个储能模块两侧载荷基本相同，系统更加的稳定；

3、本发明通过同步电动发电机将质量块的重力势能转化为电能，能量转化效率高，且质量块成本低，同步电动发电机通过主轴和副轴配合离合器切换，实现系统功率调节；

4、本发明的垂直升降车通过电机初步定位，加上顶部滑轮装置的升降二次调节定位，实现垂直升降车高速运动到刹车后的精准定位；

5、本发明储能系统采用模块化布置，占地面积小，而且控制方便，模块间矩形分布，空间利用率极高，且多模块可以主轴互连连接同一发电机，提高系统的容量，实现大容量且稳定的电力输出。

附图说明

图1是本发明的一种矩阵式重力储能系统控制方法的示意图。

图2是本发明的动力轴系统的示意图。

图3是本发明的垂直升降车和顶部滑轮装置的示意图。

图4是本发明的两侧垂直升降车的运行时序图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种矩阵式重力储能系统控制方法，包含以下步骤：

S1、设定重力储能模块，重力储能模块包含上侧区域和下侧区域，上侧区域和下侧区域分别包含n层的质量块层，每一层质量块层能够放置m块质量块。

重力储能模块的泵体结构采用混凝土框架结构，外部设置有围护结构将整个重力储能系统保护在内，围护结构具有降噪、防风防雨等功能。围护结构采用玻璃幕墙搭配彩钢板，可满足构筑建筑保护性能和美观性能需求。

S2、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下一一对应进行质量块的转移。即上侧区域的第一层质量块的质量块只运送至下侧区域的第一层中，上侧区域的第n层质量块的质量块只运送至下侧区域的第n层中，由于每层结构的高度相同，通过这样一一对应的控制方式，使每一块质量块的上下的高度差相等，从而每一块质量块存储的重力势能都相等，从而整个系统的控制更加简单。而传统堆叠式的重力储能系统中，重块依次堆叠，上层重块的势能高于下层，则储能放电过程不稳定，整个系统的储能和放电功率难以进行有效控制。

S3、储能过程中，下侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替提升至上侧区域内。交替提升，可以使储能过程消耗的电能更加的平稳，便于对电网多余电量进行功率存储的控制。

S4、释放电能过程中，上侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替下降至下侧区域内，并且两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接。两侧不间断放电可以保证放电的持续性和稳定性，且整体结构质量块升降基本为对称结构，使整个储能系统的结构体载荷更加的平稳。

其中，步骤S3具体为：

3.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

3.2、初始时，质量块均堆叠在下侧区域内，开始储能时，下侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块提升至上层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

3.3、下侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块提升至上侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

3.4、重复3.2-3.3过程将下层区域质量块交替提升至上侧区域内完成储能。

步骤S4具体为：

4.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

4.2、初始时，质量块均堆叠在上侧区域内，开始放电时，上侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块下降至下层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

4.3、上侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块下降至下侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

4.4、重复4.2-4.3过程将上层区域质量块交替下降至下侧区域内完成放电；

4.5、两侧垂直升降车有载时，带动发电机进行发电，两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接从而进行不间断发电。

本发明中，垂直升降车通过动力轴系统连接发电机，如图2所示，动力轴系统包含主轴1、副轴2、提升电机3、液压离合器4、刹车制动器5、减速器6，主轴1和副轴2之间通过减速器6连接，副轴2与减速器6之间设置有液压离合器4，减速器6安装在副轴2上，副轴2还与提升电机3连接，主轴1连接发电机。受发电机驱动的主轴1带动副轴2转动，用于控制垂直升降车的吊运。

本发明中，质量块由土壤、固化剂以及有偿废弃材料制成，包括工业生产产出与报废能源组件，如建筑材料、燃煤残余物、废料尾矿等，其底部安装有厚钢板，整体强度高于10兆帕以上，使块体在拉升、下落等工作状态下无质量损失。具体地，质量块为长方体形，其尺寸可根据实际情况设置，重量以25-35吨为最优方案。由于质量块为具有一定形状的固体介质，且放置于地基以上的框架内部，因此其对地形、地质等地理条件无特殊要求，使得本实施例的重力储能系统不受选址限制。值得一提的是，由于能够通过增加梁柱结构高度使质量块获得更多的重力势能，因此本实施例能够在占地面积相对较小的情况下实现大容量储能，单个储能单元（1MWh）占地小于200平方米。

在本实施例中，重力储能模块包括上中下三个部分，上侧区域和下侧区域的质量块层的层数相等并且一一对应，中间区域用于提高上侧区域与下侧区域的高度差，以使每一块质量块能够储存的重力势能更多。本实施例中，上下区域分各8层，相邻行间平行且间隔相等，其中每一行均用于接收和支撑质量块，上下段之间的中间区域为无质量块的空置区域，其具有储存功能。上侧区域和下侧区域每一行中均设置有可移动的、限定于该行的水平搬运车，用于质量块在该行水平方向上的移动。框架两侧（即，每一行的两端）设有成对电梯井，可上下吊运的垂直升降车位于电梯井中并受发电机驱动，垂直升降车的尺寸及承重适用于接收和承载一个质量块。发电机在提升质量块时消耗能量，将输入电力以势能的形式储存起来；需释放电力时，质量块在重力作用下下落带动发电机运作，将重力势能重新转换为电能。通过人工智能算法，可实现设施储能供能全程自动运作。

本发明中，矩阵式重力储能系统由4个矩阵形式排列的模块构成，相邻模块间行与列完全对齐，使质量块在水平、垂直方向上均形成标准间距。模块的框架两侧设有主轴和电梯井，其中主轴为双伸出轴（即，纵向相邻模块共用同一主轴），电动发电机位于轴间。在电机驱动下，连接于主轴1的多组副轴2带动其相应的垂直升降车上下吊运质量块，多个块体根据电网实施复合需求同步运行，实现系统集成化。具体地，单个模块一侧设有12列电梯井（即12台垂直升降车），每一路电梯井（纵向两个相邻模块，共24列）带动对应的主轴1进行旋转。整体上，本实施例包括4台位于装置底部的电动发电机、4个双伸出轴的主轴单元及96列电梯井。

本实施例重力储能模块的框架为钢筋混凝土梁柱结构，柱支撑梁，梁支撑其顶面的质量块，块体间保持相等间隔。每对梁形成上下部分的其中一行，该行垂直于列延伸。具体地，本实施例框架高140m，上中下三个部分的高度可依次为25m、90m、25m。可以理解的是，本领域技术人员可根据实际情况设置上述参数。

如图3所示，本发明的重力储能模块顶部设置有顶部滑轮装置，垂直升降车7上侧顶部支撑件连接牵引带8一端，牵引带8向上经过顶部滑轮装置9的一个定滑轮后向下缠绕在副轴2上，再向上经过顶部滑轮装置9的另一个定滑轮后连接配重块10，顶部滑轮装置9内设置有伸缩机构进行高度校正。有载状态下，受发电机驱动的主轴1带动副轴2操控垂直升降车7的吊运，无载状态下，提升电机3直接驱动垂直升降车的升降，配重块10与空载的垂直升降车7具有相同重量，用于减少垂直升降车升降时的力从而使提升电机3具备独立牵引车的能力。顶部机构同时为可伸缩机构，通过其收起与打开程度实现小车位置的校正。

垂直升降车7为C型结构，包括后部支撑件、顶部支撑件及底部支撑件，以上组件形成的限定开口与质量块形状相对应。垂直升降车同时包括控制器、多个安装在底部的液压油缸及视觉系统，油缸用于质量块固定。本实施例中水平搬运车为铰接式结构，由车体、轮组件、行走电机、控制器、液压油缸及视觉系统构成。在质量块水平运行期间，通过成套视觉定位设备为水平搬运车提供精准定位、位置自动修正等功能。在铰链传动、电机驱动的作用下，水平搬运车将置于梁面的质量块提升至梁上并使其沿梁间轨道在水平方向移动。值得说明的是，水平搬运车非匀速运动，在有载状态下其平均移动速度优选为1m/s，而在空载状态下其平均移动速度优选为2m/s。

本实施例的重力储能系统由4个模块构成，重力储能系统的发电功率为26MW，储能容量为100MWh，共计配备4台功率为6.5MW的电动发电机。质量块的平均升降速度设定为2m/s，框架的长宽高可分别设定为120m、100m及140m。

可以理解的是，本发明提供的重力储能系统为单元模块化储能设施，其储能规模可小型化至1MWh以满足分布式能源、微电网及用户侧的储能需求，也可大型化至100MWh以上以满足大规模电力储能需求。同时，所提供的重力储能系统可在更短（2小时）和更长的持续时间（12小时以上）内满足高功率需求。

本实施例中，每个重力储能模块设置有成对电梯井，垂直升降车利用顶部滑轮装置9悬挂于电梯井内并受发电机驱动，两侧垂直升降车7协同水平搬运车操控质量块按序上升/下降。垂直升降车交替上升（下降）的方式可保证电力储存（释放）的持续性，使发电机的输入（输出）功率保持恒定。在主发电机的驱动下，连接于主轴1的一至多组副轴2带动其关联的垂直升降车7上下吊运，多台垂直升降车根据电网实施复合需求同步运行，实现系统集成化。

发电机在储能/释能过程中持续运行以保证系统的不间断运作，为保证垂直升降车7位置精准，本实施例的顶部滑轮装置9同时设有可伸缩机构。在垂直升降车7即将到达指定行时，动力轴系统的液压离合器断开使副轴2不受主轴1驱动，此时利用顶部滑轮装置9的收起与打开程度进行垂直升降车高度位置的自动校正。垂直升降车沿相同的垂直距离在框架上下两部分的对应行间移动质量块，从而保证块体产生的单次储能/发电量均等，且各块体的提升/下落时间可保持一致。

为保证储能/释能过程的持续、稳定，本实施例在PLC控制器内对两侧垂直升降车各运行阶段的速度及加速度进行设定，此时升降车按照既定时间完成质量块的上下吊运，运行时序图如图4所示。具体以储能过程为例，将两侧垂直升降车分别定义为左右侧，做侧承载质量块的垂直升降车首先通过加速、匀速、减速过程到达框架上部的指定位置，经“小车进入、块体放置、小车返回”这一系列流程后，空载升降车开始返回（加速后减速，无匀速）至框架下部的指定位置，此时垂直升降车沿传输通道进入框架内部，将块体固定于车体并返回至电梯井内。待有载垂直升降车再次就位时，重复上述步骤以实现往复循环。当左侧升降梯到达框架上部指定层的1-2秒前，右侧升降车开始向上吊运进行储能，两侧流程间设定的重合时间用于确保系统不间断运行。

垂直升降车有载上升时，发电机通过主轴将动力传递至副轴，副轴驱动垂直升降车提升，垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从下侧区域提升至上侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴不再受主轴驱动，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

垂直升降车空载下降时，垂直升降车在配重块的辅助下下降，液压离合器断开使主轴和副轴无动力传动关系，由提升电机独立驱动垂直升降车下降。

垂直升降车有载下降时，副动力轴上的刹车制动器松开使垂直升降车在质量块的重力下下降，牵引带带动副动力轴转动，此时副动力轴的离合器闭合从而通过减速器带动主动力轴一起转动，带动发电机进行发电；垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从上侧区域下降至下侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴与主轴分离，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

垂直升降车空载上升时，离合器分离使主轴和副轴分离，提升电机驱动副轴带动垂直升降车上升，配重块重量与垂直升降车空载重量相当，提升电机以小功率即可完成垂直升降车空载上升。

储能过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载充电时间和块体放置时间，设定有载充电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载充电时间无间隔交替进行充电。

放电过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载防电时间和块体放置时间，设定有载放电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载放电时间无间隔交替进行放电。

结合上述内容，本发明的矩阵式重力存储系统的储存能量过程具体为：

1、质量块均置于重力储能模块下侧区域横梁上；

2、下侧区域第一质量层上的水平搬运车在液压油缸收缩状态下行进至质量块底部，小车视觉系统判断其是否处于既定位置（即，质量块的正下方）并同步将状态信号反馈至PLC控制器，PLC控制器获取就位信号后发出执行指令至顶升机构，液压油缸上升将质量块顶离梁面并固定于车体上部。本实施例中每台水平搬运车均配备有一个用于传输控制信号的控制箱，其安装在柱上并通过电缆将信号传送至水平搬运车。优选地，本实施例的视觉系统为成套定位识别设备，包括视觉和激光测距设备。

3、水平搬运车沿梁间通道持续向右行进，PLC控制器根据位置信息反馈发送执行指令至行走电机，利用电机的反接制动使水平搬运车停于框架边缘的指定位置；就位同时，PLC控制器再次发送指令至顶升机构，液压油缸下降将质量块放置回梁面上。横向位移期间，水平搬运车的电机编码器将速度信息反馈至变频器，变频器根据预设速度调整电机转速从而实现对水平搬运车运行速度的精准控制。本实施例中，变频器安装在控制箱内。

4、质量块在预设位置待命，水平搬运车空载返回以适时将下一质量块运送到梁边，右侧垂直升降车沿传输机构向质量块方向水平移动；

5、当梁边质量块与垂直升降车的后部支撑组件相邻时，垂直升降车的视觉系统即刻反馈就位信号，控制器获取信号后发送指令至底部顶升机构，处于缩回位置的液压油缸上升以将质量块支撑在其C型结构内部，固定完成后承载质量块的垂直升降车沿传输机构返回至右侧电梯井内部。本实施例中控制器安装在升降车的底部。

6、垂直升降车有载上升时，发电机通过主轴将动力传递至副轴，通过副轴带动垂直升降车上升。承载首块质量块的垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从下侧区域第一行移动至上侧区域第一行，纵向位移期间电机编码器将速度信息反馈至变频器，变频器根据预设速度调整电机转速。垂直升降车经减速器降速后，动力轴系统的液压离合器断开使副轴不再受主轴驱动，此时垂直升降车处于刹车状态。接下来，通过控制顶部滑轮装置的收起与打开程度来精确调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位后停止调整。

7、有载垂直升降车沿传输机构水平行进至框架内部，获取就位信号后控制器发送指令至提升电机，利用提升电机的反接制动将垂直升降车停于质量块的预设位置；控制器再次发送指令至顶升机构，液压油缸下降以将质量块放置回梁上。此时空载垂直升降车返回至右侧电梯井内部，限定于上侧区域第一行的水平搬运车从预设位置处接收质量块，并将质量块运送回原先位置的梁面上。

8、空载垂直升降车在配重块的辅助下返回至下侧区域的第一层，期间主副轴间由于液压离合器断开而无动力传动关系，由提升电机独立驱动升降车下降，并由该电机的反接制动将垂直升降车刹停。具体地，空载返回期间，垂直升降车先加速后减速，返回时间远小于质量块的提升时间，用以保证电力释放的持续性。

9、当右侧垂直升降车即将到达上侧区域第一层的指定位置时，左侧电梯井的垂直升降车开始向上吊运，其将质量块从下侧区域第二层移动至上侧区域第二层，具体控制方式遵循运行时序图4。当下侧区域第一层上的质量块完成搬运，右侧的空载垂直升降车返回至下侧区域第三层进行搬运；当下侧第二层上的质量块完成搬运，左侧的空载垂直升降车返回至下侧区域第四层进行搬运，重复上述运行机制直至储能结束。

本发明的矩阵式重力存储系统的释放电能的过程为：

1、质量块均置于重力储能模块下侧区域横梁上；

2、上侧区域第一质量层上的水平搬运车在液压油缸收缩状态下行进至质量块底部，小车视觉系统判断其是否处于既定位置（即，质量块的正下方）并同步将状态信号反馈至PLC控制器，PLC控制器获取就位信号后发出执行指令至顶升机构，液压油缸上升将质量块顶离梁面并固定于车体上部。本实施例中每台水平搬运车均配备有一个用于传输控制信号的控制箱，其安装在柱上并通过电缆将信号传送至水平搬运车。优选地，本实施例的视觉系统为成套定位识别设备，包括视觉和激光测距设备。

3、水平搬运车沿梁间通道向右行进，PLC控制器根据位置信息反馈发送执行指令至行走电机，利用电机的反接制动使水平搬运车停于框架边缘的指定位置；就位同时，PLC控制器再次发送指令至顶升机构，液压油缸下降将质量块放置回梁面上。横向位移期间，水平搬运车的电机编码器将速度信息反馈至变频器，变频器根据预设速度调整电机转速从而实现对水平搬运车运行速度的精准控制。本实施例中，变频器安装在控制箱内。

4、质量块在预设位置待命，水平搬运车空载返回以适时将下一质量块运送到梁边，右侧垂直升降车沿传输机构向质量块方向水平移动；

5、当梁边质量块与垂直升降车的后部支撑组件相邻时，垂直升降车的视觉系统即刻反馈就位信号，控制器获取信号后发送指令至底部顶升机构，处于缩回位置的液压油缸上升以将质量块支撑在其C型结构内部，固定完成后承载质量块的垂直升降车沿传输机构返回至右侧电梯井内部。本实施例中控制器安装在升降车的底部。

6、垂直升降车有载下降时，副轴上刹车制动器松开使垂直升降车在自身重力下开始下降，垂直升降车带动副轴转动，副轴通过主轴带动发电机进行发电。承载质量块的垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从上侧区域第一行移动至下侧区域第一行。垂直升降车经减速器降速后，动力轴系统的液压离合器断开使副轴不再与主轴联动，此时垂直升降车处于刹车状态。接下来，通过控制顶部滑轮装置的收起与打开程度来精确调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位后停止调整。

7、有载垂直升降车沿传输机构水平行进至框架内部，获取就位信号后控制器发送指令至提升电机，利用电机的反接制动将升降车停于质量块的预设位置；控制器再次发送指令至顶升机构，液压油缸下降以将质量块放置回梁上。此时空载垂直升降车返回至右侧电梯井内部，限定于下侧区域第一行的水平搬运车从预设位置处接收质量块，并将质量块运送回原先位置的梁面上。

8、空载垂直升降车在配重块的辅助下返回至上侧区域的第一层，期间主副轴间由于液压离合器断开而无动力传动关系，由提升电机独立驱动垂直升降车提升，并由该电机的反接制动将垂直升降车刹停。具体地，空载返回期间，垂直升降车先加速后减速，返回时间远小于质量块的提升时间，用以保证电力释放的持续性。

9、当右侧垂直升降车即将到达下侧区域第一层的指定位置时，左侧电梯井的垂直升降车开始下落，其将质量块从上侧区域第二层移动至下侧区域第二层。当上侧区域第一层上的质量块完成搬运，右侧的空载垂直升降车返回至上侧区域第三层进行搬运；当上侧区域第二层上的质量块完成搬运，左侧的空载垂直升降车返回至上侧区域第四层进行搬运，重复上述运行机制直至释能结束。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、设定重力储能模块，重力储能模块包含上侧区域和下侧区域，上侧区域和下侧区域分别包含n层的质量块层，每一层质量块层能够放置m块质量块；

S2、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下一一对应进行质量块的转移；

S3、储能过程中，下侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替提升至上侧区域内；

S4、释放电能过程中，上侧区域的质量块层按照奇偶数层分别从两侧垂直升降车交替下降至下侧区域内，并且两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接。

2.按照权利要求1所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：

3.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

3.2、初始时，质量块均堆叠在下侧区域内，开始储能时，下侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块提升至上层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

3.3、下侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块提升至上侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

3.4、重复3.2-3.3过程将下层区域质量块交替提升至上侧区域内完成储能。

3.按照权利要求1所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

4.1、上侧区域和下侧区域的n层质量块层由上之下进行编号S1-Sn，并按照编号分为奇数层和偶数层，奇数层质量块通过右侧垂直升降车升降，偶数层质量块通过左侧垂直升降车升降，每一层质量块层按照从左到右进行编号Y1-Ym；

4.2、初始时，质量块均堆叠在上侧区域内，开始放电时，上侧区域S1层质量块层水平搬运车移动到Ym质量块下方将Ym质量块运送至右侧垂直升降车内，右侧垂直升降车将Ym质量块下降至下层区域S1层质量块层，水平搬运车将右侧垂直升降车内Ym质量块放置到该层Y1质量块位置；

4.3、上侧区域S2层质量块层水平搬运车移动到Y1质量块下方将Y1质量块运动至左侧垂直升降车内，左侧垂直升降车将Y1质量块下降至下侧区域S2层质量块层，水平搬运车将左侧垂直升降车内Y1质量块放置到该层Ym质量块位置；

4.4、重复4.2-4.3过程将上层区域质量块交替下降至下侧区域内完成放电；

4.5、两侧垂直升降车有载时，带动发电机进行发电，两侧垂直升降车有载下降时间无间隔衔接从而进行不间断发电。

4.按照权利要求2所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述垂直升降车有载上升时，发电机通过主轴将动力传递至副轴，副轴驱动垂直升降车提升，垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从下侧区域提升至上侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴不再受主轴驱动，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

5.按照权利要求2所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述垂直升降车空载下降时，垂直升降车在配重块的辅助下下降，液压离合器断开使主轴和副轴无动力传动关系，由提升电机独立驱动垂直升降车下降。

6.按照权利要求3所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述垂直升降车有载下降时，副动力轴上的刹车制动器松开使垂直升降车在质量块的重力下下降，牵引带带动副动力轴转动，此时副动力轴的离合器闭合从而通过减速器带动主动力轴一起转动，带动发电机进行发电；垂直升降车经过加速、匀速、减速过程从上侧区域下降至下侧区域对应的质量块层；垂直升降车经减速器减速后，液压离合器断开使副轴与主轴分离，此时垂直升降车处于刹车状态；通过控制顶部机构的展开程度调节垂直升降车的高度，视觉系统同步将位置信息反馈至控制器，当确定就位时停止调整，完成垂直升降车的精准定位。

7.按照权利要求3所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述垂直升降车空载上升时，离合器分离使主轴和副轴分离，提升电机驱动副轴带动垂直升降车上升，配重块重量与垂直升降车空载重量相当，提升电机以小功率即可完成垂直升降车空载上升。

8.按照权利要求2所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述储能过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载充电时间和块体放置时间，设定有载充电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载充电时间无间隔交替进行充电。

9.按照权利要求3所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述放电过程中两侧垂直升降车控制过程为：垂直升降车一次升降循环包含无载返回时间、块体固定时间、有载防电时间和块体放置时间，设定有载放电时间等于无载返回时间、块体固定时间和块体放置时间之和，两侧垂直升降车的有载放电时间无间隔交替进行放电。

10.按照权利要求1所述的一种矩阵式重力储能系统控制方法，其特征在于：所述垂直升降车上侧连接牵引带一端，牵引带向上经过顶部滑轮装置的一个定滑轮后向下缠绕在副轴上，再向上经过顶部滑轮装置的另一个定滑轮后连接配重块，顶部滑轮装置内设置有伸缩机构进行高度校正。

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