CN115108420A - 一种重力储能系统动机构运动控制方法 - Google Patents

一种重力储能系统动机构运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重力储能系统动机构运动控制方法，质量块质量计算，计算出质量块的重力势能，并换算出每小时质量块下降次数，通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的做功，然后计算出电梯的下降时间，计算出水平小车有载和空载状态下运动时间，再通过求和得出小车循环运动周期时间，通过电梯的下降时间计算出左右侧电梯下降时间偏移量，通过电梯下降时间偏移量，设定整个单元设备的一个循环，计算单个质量块发电功率求出重力储能系统最小发电功率，通过调节单片设备等待时间调节发电机单元功率。本发明针对重力储能系统的多运动机构的进行协调时序控制，还能够针对电网的需求负载波动进行发电功率实时调节。

Description

一种重力储能系统动机构运动控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，特别是一种重力储能系统动机构运动控制方法，属于储能系统技术领域。
背景技术
随着国家“双碳”目标的提出后，可再生能源规模持续扩大，配套的储能方式也带来蓬勃发展。例如化学储能，飞轮储能、蓄水储能等。常规的储能系统内部含有的动机构设备均较少，各个动机构设备之间的联动性较弱，同时相比于重力储能系统，化学储能及空气储能介质质量较小。重力储能作为一种新技术与常规储能系统相比，重力储能系统介质质量大，且介质自身无流动性，需要配套动机构满足蓄能和放能要求。
目前重力储能系统主要面临以下问题：1）系统内部动机构设备过多，各个动机构间与质量块间运动关系复杂多变；2）系统内部多单元布置，对于系统放电连续性存在不利影响；3)发电负荷变化对于动机构的运动关系不明确。因此各个动机构间的协调运动关系到整个系统的运行稳定性，和充放电状态的性能，为协调重力储能系统各个动机构间的运动，亟需找到一种合适的储能系统的运动关系控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种重力储能系统动机构运动控制方法，协调重力储能系统各机构间运动，满足发电机单位时间内的放电需求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于包含以下步骤：
S1、质量块质量计算：根据质量块体积和质量块密度计算出单块质量块质量；
S2、质量块势能计算：根据质量块放能高度和质量块质量计算出质量块的重力势能，并换算出每小时质量块下降次数；
S3、电梯运行时间计算：通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的做功，然后计算出电梯的下降时间；
S4、水平小车运动时间计算：计算出水平小车有载和空载状态下运动时间，再通过求和得出小车循环运动周期时间；
S5、单片设备运动时序计算；通过电梯的下降时间计算出单片设备左右侧电梯下降时间偏移量；
S6、单元设备运动时序计算；通过单片设备左右侧电梯下降时间偏移量，设定整个单元设备的一个循环；
S7、储能系统发电功率计算：计算单个质量块发电功率求出重力储能系统最小发电功率，通过调节单片设备等待时间调节发电机单元功率。
进一步地，所述步骤S1具体为：根据制造质量块的模具的尺寸获得质量块的长l、宽w、高h并计算出单个质量块的体积v，确定质量块材质密度ρ，并根据质量块的体积v和密度ρ计算得到单个质量块的质量m=ρ*v=ρ*l*w*h。
进一步地，所述步骤S2具体为：重力储能系统中质量块分上区域和下区域分布，上区域和下区域的质量块的层数相等且上区域和下区域的质量块运动关系由上至下一一对应，则重力储能系统中每块质量块的落差高度都是相同的，即每个质量块具有相同的放能高度H，根据已经计算出的质量块的质量，通过重力势能公式W=m*g*H可以计算出质量块的重力势能，也就是单个质量块单次下降的做功值，然后通过发电机单元的满发功率y计算出每个发电机单元每小时质量块下降数量c=y/W，由于每个发电机单元连接一个单元设备，每个单元设备包含x个单片设备，则每个单片设备的质量块每小时下降次数为c/x次。
进一步地，所述步骤S3具体为：
已知电梯取放质量块的时间为t3，发电机单元的满发功率为y，每台发电机单元带2x部电梯；发电机单元全功率持续发电状态时应为x部电梯同时带质量块释放重力势能，其余x部电梯为空载提升状态；
通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的满发功率P=y/x，在通过公式t1=W/P计算出电梯的下降时间t1，其中，W是质量块做功；
电梯上升期间无负载，且电梯设置有平衡块，上升阻力忽略不计，设电梯上升时间t2+电梯取放质量块的时间t3=电梯下降时间t1，则电梯往复周期时间为2t1。
进一步地，所述步骤S4具体为：
重力储能系统中上下小车处于对称运行关系，通过计算中间质量块与电梯交接区间移动运动时间，在通过求和得出小车循环运动周期时间；
已知小车满载最大加速度a1，小车空载最大加速度a2，小车初始速度为V0，小车最大运行速度为Vt，小车取放质量块时间为t10；
小车满载加速时间t5=（Vt-V0）/a1；
小车空载加速时间t6=（Vt-V0）/a2；
小车满载加速距离s1=1/2a（t5）2；
小车空载加速距离s2=1/2a（t6）2；
小车满载恒速运行时间t7=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s1*2）/Vt；
小车空载恒速运行时间t8=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s2*2）/Vt；
小车满载运行时间= t7+t5*2+t10；
小车空载运行时间= t8+t6*2+t10；
小车来回总运行时间=小车满载运行时间+小车空载运行时间。
进一步地，所述步骤S5具体为：
单片设备放电依赖于电梯的上升和下降速度，单片设备两部电梯的运行在一上一下时能保证持续发电的需要，通过步骤S3计算出的电梯下降时间为t，则左右侧电梯下降时间偏移量=电梯下降时间。
进一步地，所述步骤S6具体为：通过步骤S5计算得到的左右侧电梯下降时间偏移量确定单片设备运行间隔时间，单元设备共有2x部电梯，单元设备偏置范围为电梯上下的循环时间/2x，可得循环时间为2t1/2x=t1/x；单元设备整体为一个循环，每个单片设备以t1/x偏置间隔启动时间。
进一步地，所述步骤S7具体为：通过步骤S2计算得出的质量块的重力势能，通过功率公式计算出每个质量块发电功率，可求出重力储能装置最小发电功率P`=W÷t1，其中W是质量块的重力势能，t1是电梯的下降时间；通过增加电梯下落间隔时间，可调节同一时刻同时下落电梯数量，以此来调节发电机输出功率，完成重力储能系统动机构的运动控制。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种重力储能系统动机构运动控制方法，针对重力储能系统的多运动机构的进行协调时序控制，并且针对各单元动机构的运行关系，提供了验证及设计方法，并且本发明的方法还可以对重力储能系统的发电功率进行调整，以针对电网的需求负载波动进行实时调节。
附图说明
图1是本发明的重力储能系统动机构运动控制方法的流程图。
图2是本发明的质量块的示意图。
图3是本发明的质量块的落差高度的示意图。
图4是本发明的电梯运行周期示意图。
图5是本发明的单片设备运动周期示意图。
图6是本发明的单元设备运动周期示意图。
图7是本发明的机构运行状态与系统功率关系示意图。
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，本发明的一种重力储能系统动机构运动控制方法，包含以下步骤：
S1、质量块质量计算：根据质量块体积和质量块密度计算出单块质量块质量。
如图2所示，根据制造质量块的模具的尺寸获得质量块的长l、宽w、高h并计算出单个质量块的体积v。项目可研方案中质量块制作材料大部分采用项目就地土建挖出的泥土，外加聚合添加剂组成，以此可以确定质量块材质密度ρ。并根据质量块的体积v和密度ρ计算得到单个质量块的质量m=ρ*v=ρ*l*w*h。
S2、质量块势能计算：根据质量块放能高度和质量块质量计算出质量块的重力势能，并换算出每小时质量块下降次数。
重力储能系统中质量块分上区域和下区域分布，上区域和下区域的质量块的层数相等且上区域和下区域的质量块运动关系由上至下一一对应，则重力储能系统中每块质量块的落差高度都是相同的，即每个质量块具有相同的放能高度H。如图3所示，上区域有8层质量块，下区域也有8层质量块，上区域和下区域之间的空心区域用于抬高上下区域的高度落差，上区域第一层的质量块下降到下区域第一层的质量块，依次类推，上区域的第八层质量块下降到下区域第八层，这样上下区域层数对应，使每个质量块的高度落差都相同，便于计算和控制。根据已经计算出的质量块的质量，通过重力势能公式W=m*g*H可以计算出质量块的重力势能，也就是单个质量块单次下降的做功值，然后通过发电机单元的满发功率y计算出每个发电机单元每小时质量块下降数量c=y/W，由于两个公式计算出的单位不同，需要根据1MWh=3.6*109J进行单位换算。由于每个发电机单元连接一个单元设备，每个单元设备包含x个单片设备，则每个单片设备的质量块每小时下降次数为c/x次。
S3、电梯运行时间计算：通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的做功，然后计算出电梯的下降时间。
如图4所示，电梯在重力储能系统中承担了充放电的作用，系统充电时电梯把质量块由底部提升至上部，系统放电时电梯装载质量快由上部自由落体释放质量快重力势能来带动发电机发电。因充电过程没有时间约束，本发明着重以放电过程计算电梯下降速度。
已知电梯取放质量块的时间为t3，发电机单元的满发功率为y，每台发电机单元带2x部电梯；发电机单元全功率持续发电状态时应为x部电梯同时带质量块释放重力势能，其余x部电梯为空载提升状态；
通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的满发功率P=y/x，在通过公式t1=W/P计算出电梯的下降时间t1，其中，W是质量块做功；
电梯上升期间无负载，且电梯设置有平衡块，上升阻力忽略不计，设电梯上升时间t2+电梯取放质量块的时间t3=电梯下降时间t1，则电梯往复周期时间为2t1。
S4、水平小车运动时间计算：计算出水平小车有载和空载状态下运动时间，再通过求和得出小车循环运动周期时间。
小车在重力储能系统中承担了质量块位移的作用。系统充电时下部小车把质量块由质量块位置移动到电梯位置放下质量块，下部小车空载前往下一个质量块位置；上部小车把提升到位的质量块运输到上部质量块摆放位置。系统放电时上部小车把质量块由质量块位置移动到电梯位置放下质量块，上部小车空载前往下一个质量块位置；下部小车把下降到位的质量块运输到下部质量块摆放位置。上下小车处于对称运行关系，通过位移公式s=1/2at2计算小车的加速时间和加速距离，其中s是位移距离，a是小车加速度。
重力储能系统中上下小车处于对称运行关系，通过计算中间质量块与电梯交接区间移动运动时间，在通过求和得出小车循环运动周期时间；
已知小车满载最大加速度a1，小车空载最大加速度a2，小车初始速度为V0，小车最大运行速度为Vt，小车取放质量块时间为t10；
小车满载加速时间t5=（Vt-V0）/a1；
小车空载加速时间t6=（Vt-V0）/a2；
小车满载加速距离s1=1/2a（t5）2；
小车空载加速距离s2=1/2a（t6）2；
小车满载恒速运行时间t7=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s1*2）/Vt；
小车空载恒速运行时间t8=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s2*2）/Vt；
小车满载运行时间= t7+t5*2+t10；
小车空载运行时间= t8+t6*2+t10；
小车来回总运行时间=小车满载运行时间+小车空载运行时间。
S5、单片设备运动时序计算；通过电梯的下降时间计算出单片设备左右侧电梯下降时间偏移量。
单片设备放电依赖于电梯的上升和下降速度，单片设备两部电梯的运行在一上一下时能保证持续发电的需要，通过步骤S3计算出的电梯下降时间为t，则左右侧电梯下降时间偏移量=电梯下降时间。单片设备的左侧电梯和右侧电梯的运动周期如图5所示。
S6、单元设备运动时序计算；通过单片设备左右侧电梯下降时间偏移量，设定整个单元设备的一个循环。
通过步骤S5计算得到的左右侧电梯下降时间偏移量确定单片设备运行间隔时间，单元设备共有2x部电梯，单元设备偏置范围为电梯上下的循环时间/2x，可得循环时间为2t1/2x=t1/x。单元设备运动周期如图6所示，单元设备整体为一个循环，每个单片设备以t1/x偏置间隔启动时间。
S7、储能系统发电功率计算：计算单个质量块发电功率求出重力储能系统最小发电功率，通过调节单片设备等待时间调节发电机单元功率。
通过步骤S2计算得出的质量块的重力势能，通过功率公式计算出每个质量块发电功率，可求出重力储能装置最小发电功率P`=W÷t1，其中W是质量块的重力势能，t1是电梯的下降时间。如图7所示，通过增加电梯下落间隔时间，可调节同一时刻同时下落电梯数量，以此来调节发电机输出功率，完成重力储能系统动机构的运动控制。
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 (8)

1.一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于包含以下步骤：
S1、质量块质量计算；
S2、质量块势能计算：根据质量块放能高度和质量块质量计算出质量块的重力势能，并换算出每小时质量块下降次数；
S3、电梯运行时间计算：通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的做功，然后计算出电梯的下降时间；
S4、水平小车运动时间计算：计算出水平小车有载和空载状态下运动时间，再通过求和得出小车循环运动周期时间；
S5、单片设备运动时序计算；通过电梯的下降时间计算出单片设备左右侧电梯下降时间偏移量；
S6、单元设备运动时序计算；通过单片设备左右侧电梯下降时间偏移量，设定整个单元设备的一个循环；
S7、储能系统发电功率计算：计算单个质量块发电功率求出重力储能系统最小发电功率，通过调节单片设备等待时间调节发电机单元功率。
2.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：根据制造质量块的模具的尺寸获得质量块的长l、宽w、高h并计算出单个质量块的体积v，确定质量块材质密度ρ，并根据质量块的体积v和密度ρ计算得到单个质量块的质量m=ρ*v=ρ*l*w*h。
3.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：重力储能系统中质量块分上区域和下区域分布，上区域和下区域的质量块的层数相等且上区域和下区域的质量块运动关系由上至下一一对应，则重力储能系统中每块质量块的落差高度都是相同的，即每个质量块具有相同的放能高度H，根据已经计算出的质量块的质量，通过重力势能公式W=m*g*H可以计算出质量块的重力势能，也就是单个质量块单次下降的做功值，然后通过发电机单元的满发功率y计算出每个发电机单元每小时质量块下降数量c=y/W，由于每个发电机单元连接一个单元设备，每个单元设备包含x个单片设备，则每个单片设备的质量块每小时下降次数为c/x次。
4.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：
已知电梯取放质量块的时间为t3，发电机单元的满发功率为y，每台发电机单元带2x部电梯；发电机单元全功率持续发电状态时应为x部电梯同时带质量块释放重力势能，其余x部电梯为空载提升状态；
通过发电机单元满发功率计算出每部电梯的满发功率P=y/x，在通过公式t1=W/P计算出电梯的下降时间t1，其中，W是质量块做功；
电梯上升期间无负载，且电梯设置有平衡块，上升阻力忽略不计，设电梯上升时间t2+电梯取放质量块的时间t3=电梯下降时间t1，则电梯往复周期时间为2t1。
5.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：
重力储能系统中上下小车处于对称运行关系，通过计算中间质量块与电梯交接区间移动运动时间，在通过求和得出小车循环运动周期时间；
已知小车满载最大加速度a1，小车空载最大加速度a2，小车初始速度为V0，小车最大运行速度为Vt，小车取放质量块时间为t10；
小车满载加速时间t5=（Vt-V0）/a1；
小车空载加速时间t6=（Vt-V0）/a2；
小车满载加速距离s1=1/2a（t5）2；
小车空载加速距离s2=1/2a（t6）2；
小车满载恒速运行时间t7=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s1*2）/Vt；
小车空载恒速运行时间t8=（总距离-加速距离*2）/最大速度=（L-s2*2）/Vt；
小车满载运行时间= t7+t5*2+t10；
小车空载运行时间= t8+t6*2+t10；
小车来回总运行时间=小车满载运行时间+小车空载运行时间。
6.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：
单片设备放电依赖于电梯的上升和下降速度，单片设备两部电梯的运行在一上一下时能保证持续发电的需要，通过步骤S3计算出的电梯下降时间为t，则左右侧电梯下降时间偏移量=电梯下降时间。
7.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：通过步骤S5计算得到的左右侧电梯下降时间偏移量确定单片设备运行间隔时间，单元设备共有2x部电梯，单元设备偏置范围为电梯上下的循环时间/2x，可得循环时间为2t1/2x=t1/x；单元设备整体为一个循环，每个单片设备以t1/x偏置间隔启动时间。
8.根据权利要求1所述的一种重力储能系统动机构运动控制方法，其特征在于：所述步骤S7具体为：通过步骤S2计算得出的质量块的重力势能，通过功率公式计算出每个质量块发电功率，可求出重力储能装置最小发电功率P`=W÷t1，其中W是质量块的重力势能，t1是电梯的下降时间；通过增加电梯下落间隔时间，可调节同一时刻同时下落电梯数量，以此来调节发电机输出功率，完成重力储能系统动机构的运动控制。
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