CN115441592A - 一种复合重力储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合重力储能系统及其控制方法，包括：重力储能装置和功率型储能模块，重力储能装置用于吸收电网多余的电能或者在电网电能不足时释放电能；功率型储能模块用于补偿重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。通过实施本发明，对重力储能技术与功率型储能技术两者优点的结合，克服了重力储能技术输出功率波动性以及无法实现毫秒级及以上响应的问题，有利于电网的安全稳定运行。具有储能容量大、造价较低、输出功率响应快、波动小、安全性高、循环效率高、不造成环境污染，受地理条件限制小等优点，相比其他单一类型的储能技术有明显优越性，能适应分布式与规模化应用，具备广阔的应用前景。

Description

一种复合重力储能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种复合重力储能系统及其控制方法。

背景技术

为了抑制全球变暖，大力发展可再生能源并实现清洁能源变革成为当今能源领域的大趋势。然而由于风能与光伏发电具有的随机性与波动性使得大量的可再生能源接入会对电网稳定性产生不利影响。因此，为了配合可再生能源的快速发展，发展成熟可靠的大规模储能技术成为迫切需求。

近年来，各种储能技术蓬勃发展，其中最为成熟的储能技术是抽水蓄能技术，约占目前世界储能装机容量的90％。但抽水蓄能技术受地理条件制约严重，因此发展空间受限。重力势能储能是一种新型的机械储能技术，具备储能容量大、受地理条件限制小、成本低等优势，是未来大规模机械储能发展的重要方向。

重力储能与抽水蓄能都通过电能与重力势能之间转换实现电能的大规模储存。抽水蓄能的储能介质为水，利用连续的水流推动水轮机可以实现稳定的功率输出。重力储能技术的储能介质为模块化的离散重物，重物不断投切的过程导致了电机反复启停，造成大量损耗的同时也导致了输出功率具有明显的波动性，这既降低了重力储能系统的循环效率也不利于电网稳定运行。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种复合重力储能系统及其控制方法，以解决现有技术中重力储能技术中电机反复启停易造成大量损耗的同时也导致了输出功率具有明显的波动性的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种复合重力储能系统，包括：重力储能装置和功率型储能模块，所述重力储能装置用于吸收电网多余的电能或者在电网电能不足时释放电能；所述功率型储能模块用于补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

可选地，所述功率型储能模块具体用于在重力储能或电网有功功率的波动量为正时，发出功率补偿大小为波动量的缺额功率；在重力储能或电网有功功率的波动量为负时，吸收功率补偿大小为波动量的过剩功率。

可选地，所述重力储能装置包括：重力储能模块、电机模块以及电力电子变流模块，所述电机模块连接所述重力储能模块，用于控制所述重力储能模块运动进而吸收或释放电能；所述电力电子变流模块一端连接电网，另一端连接所述电机模块，用于控制所述电机模块。

可选地，所述重力储能模块包括：质量模块、质量牵引模块以及支撑模块；所述支撑模块为具有高度差的自然地形或人造的构筑系统，用于提供所述质量模块运动时所需的高度差并为所述质量模块提供支撑；所述质量牵引模块用于在所述电机模块的控制下牵引所述质量模块上行或下行运动；所述质量模块用于将电能转换为重力势能存储或者将重力势能转换为电能释放。

可选地，所述功率型储能模块通过所述电力电子变流模块接入所述重力储能装置，所述功率型储能模块具体用于补偿所述电机模块启动与制动阶段的有功功率的波动量。

可选地，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的直流侧；或者，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的交流整流侧；或者，所述功率型储能模块的接入所述电力电子变流模块的交流逆变侧。

可选地，所述功率型储能模块包括超级电容器、电池或飞轮储能中的任意一种；或者，当所述复合重力储能系统接入10kV及以上的高压大容量场景时，所述电力电子变流器采用级联全桥或模块化多电平拓扑结构，所述功率型储能模块为所述电力电子变流器中的直流支撑电容。

可选地，该复合重力储能系统还包括：控制系统，所述控制系统根据电网的运行状态控制通过所述电力电子变流模块控制电机模块；根据所述有功功率的波动量确定所述功率型储能模块的配置容量，通过所述电力电子变流模块控制所述功率型储能模块进行补偿。

可选地，当所述复合重力储能系统单次运行时，根据复合重力储能系统中功率型储能模块补偿策略的不同，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量配置：当所述功率型储能模块采用基于重力势能转换功率补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量配置，所述第一配置容量根据质量模块的质量、质量模块运行的速度以及电机模块的效率计算；当所述功率型储能模块采用基于梯形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、启动阶段质量模块的速度、加速度以及吸收的能量计算；当所述功率型储能模块采用基于矩形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第配置容量、电机模块的效率、质量模块运行的速度以及启动阶段质量模块的加速度计算。

可选地，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块还用于在所述质量模块的上行过程中放电，在所述质量牵引模块复位期间充电；在所述质量模块的下行过程中充电，在所述质量牵引模块的复位期间放电。

可选地，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块的充电能量或放电能量基于交换功率的积分与运行周期的比值确定，所述功率型储能模块的配置容量结合所采用的单次运行的补偿策略，按照一个周期中的充电能量或放电能量与第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量中的技术经济性较优者进行配置。

本发明实施例第二方面提供一种复合重力储能系统的控制方法，包括：获取电网的运行状态或接收电网的调度指令；根据电网的运行状态或电网的调度指令控制重力储能装置将电网多余的电能转化为重力势能或者在电网电能不足时将重力势能转化为电能释放回馈到电网中；控制功率型储能模块补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

可选地，该复合重力储能系统的控制方法还包括：当所述复合重力储能系统单次运行时，基于功率型储能模块补偿策略的不同，根据第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量配置所述功率型储能模块的容量；其中，当所述功率型储能模块采用基于重力势能转换功率补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量配置，所述第一配置容量根据质量模块的质量、质量模块运行的速度以及电机模块的效率计算；当所述功率型储能模块采用基于梯形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、启动阶段质量模块的速度、加速度以及吸收的能量计算；当所述功率型储能模块采用基于矩形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、电机模块的效率、质量模块运行的速度以及启动阶段质量模块的加速度计算。

可选地，该复合重力储能系统的控制方法还包括：当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，控制所述功率型储能模块在质量模块的上行过程中放电，在质量牵引模块复位期间充电；在质量模块的下行过程中充电，在质量牵引模块的复位期间放电。

可选地，该复合重力储能系统的控制方法还包括：当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，基于交换功率的积分与运行周期的比值确定所述功率型储能模块的充电能量或放电能量；结合所采用的单次运行的补偿策略，按照一个周期中的充电能量或放电能量与第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量中的技术经济性较优者对所述功率型储能模块的配置容量进行配置。

本发明提供的技术方案，具有如下效果：

本发明实施例提供的复合重力储能系统及其控制方法，通过对重力储能技术与功率型储能技术两者优点的结合，克服了重力储能技术输出功率波动性以及无法实现毫秒级及以上响应的问题，有利于电网的安全稳定运行。实现安全可靠的大规模储能的同时能很好地满足电网或负荷稳定运行与电能高效转换的需求。

本发明实施例提供的复合重力储能系统，利用功率型储能模块提供了电机模块启停过程的能量的缓存区域，提高了重力储能系统的循环效率，延长了电机的使用寿命，大幅提高了资源利用率与系统的综合效益。本发明实施例提出的复合重力储能系统，具有储能容量大、造价较低、安全性高、循环效率高、不造成环境污染，受地理条件限制小等优点，相比其他单一类型的储能技术有明显优越性，能适应分布式与规模化应用，具备广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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是根据本发明实施例的复合重力储能系统的结构框图；

图2是根据本发明实施例的复合重力储能系统充电原理示意图；

图3是根据本发明实施例的复合重力储能系统放电原理示意图；

图4是根据本发明实施例的复合重力储能系统中储能接入直流侧原理示意图；

图5是根据本发明实施例的复合重力储能系统中储能接入机侧原理示意图；

图6是根据本发明实施例的复合重力储能系统中储能接入网侧原理示意图；

图7(a)是根据本发明实施例的补偿前与补偿后电网侧功率示意图，图7(b)是根据本发明实施例的功率型储能模块的交换功率示意图，图7(c)是根据本发明实施例的重力储能装置的交换功率示意图，图7(d)是根据本发明实施例的复合重力储能系统的交换功率示意图；

图8(a)是根据本发明实施例的采用基于稳定连续运行交换功率的补偿后的上行实际交换功率曲线示意图，图8(b)是根据本发明实施例的采用基于稳定连续运行交换功率的补偿后的下行实际交换功率曲线示意图，图8(c)是根据本发明实施例的采用基于稳定连续运行交换功率的补偿后的基于重力势能补偿的交换功率曲线示意图，图8(d)是根据本发明实施例的基于稳定连续运行交换功率的补偿后的基于梯形补偿的交换功率示意图，图8(e)是根据本发明实施例的基于稳定连续运行交换功率的补偿后的基于矩形补偿的交换功率示意图，图8(f)是根据本发明实施例的基于稳定连续运行交换功率的补偿后的交换功率示意图；

图9是根据本发明实施例的常规速度检测控制的上行波形示意图；

图10是根据本发明实施例的复合重力储能系统中质量模块下行波形示意图；

图11是根据本发明实施例的复合重力储能系统中质量模块上行波形示意图；

图12是根据本发明实施例的复合重力储能系统储能能量与功率变化示意图；

图13(a)根据本发明实施例的复合重力储能系统基于重力势能转换功率补偿方法的上行交换功率变化示意图，图13(b)根据本发明实施例的复合重力储能系统基于重力势能转换功率补偿方法的下行交换功率变化示意图；

图14根据本发明实施例的复合重力储能系统基于梯形补偿方法的系统交换功率变化示意图；

图15根据本发明实施例的复合重力储能系统基于矩形补偿方法的系统交换功率变化示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种复合重力储能系统，如图1所示，包括：重力储能装置100和功率型储能模块1，所述重力储能装置100用于吸收电网多余的电能或者在电网电能不足时释放电能；所述功率型储能模块1用于补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

本发明实施例提供的复合重力储能系统，通过对重力储能技术与功率型储能技术两者优点的结合，克服了重力储能技术输出功率波动性以及无法实现毫秒级及以上响应的问题，有利于电网的安全稳定运行。实现安全可靠的大规模储能的同时能很好地满足电网或负荷稳定运行与电能高效转换的需求。

在一实施方式中，如图2和图3所示，所述重力储能装置100包括：重力储能模块、电机模块101以及电力电子变流模块102，所述电机模块101连接所述重力储能模块，用于控制所述重力储能模块运动进而吸收或释放电能；所述电力电子变流模块102一端连接电网，另一端连接所述电机模块101，用于控制所述电机模块101。其中，电机模块101可以由若干台可再生制动电机构成，通过各电机投切的配合，能够有效减小输出功率的脉动。所述重力储能模块包括：质量模块103、质量牵引模块104以及支撑模块105(未示出)；所述支撑模块105为具有高度差的自然地形或人造的构筑系统，用于提供所述质量模块103运动时所需的高度差并为所述质量模块103提供支撑；所述质量牵引模块104用于在所述电机模块101的控制下牵引所述质量模块103上行或下行运动；所述质量模块103用于将电能转换为重力势能存储或者将重力势能转换为电能释放。

具体地，该复合重力储能系统的充放电示意图如图2和图3所示，其中，当电网中电能过剩时，重力储能装置吸收过剩的电能驱动电机模块通过质量牵引模块提升质量模块，将被消耗的电能转为重力储能储存；当电网中电能不足时，驱动电机模块释放质量模块，质量模块拖动电机模块发电，质量模块的重力势能转换为电能回馈到电网。

对于支撑模块既可以是丘陵、山谷与悬崖等天然的具有一定高度差的自然地形，也可以是竖井、人工支撑结构等人造的能提供一定高度差的构筑系统；为了能够在质量模块上行或下行之后提供支撑，支撑模块包括至少两个海拔高度不同的堆垛平台，例如，当包括两个堆垛平台时，其中海拔高度高的堆垛平台为上堆垛平台，海拔高度低的堆垛平台为下堆垛平台。虽然支撑模块既可以选用自然地形也可以采用构筑系统，但是重力储能装置的容量达到GWh及以上时，支撑模块选用自然地形，能够有效减少成本并为质量模块提供更为可靠的支撑。并且，支撑模块选用自然地形时，更容易在海拔高度不同的堆垛平台之间形成数百米以上的高度落差。

所述质量模块可以由具备一定质量的模块化重物块构成，也可以由模块化容器及其运载的重物构成。例如，质量模块可以由采用混凝土、铁块或砂石等成本相对较低而密度相对较高的材料制成的质量块构成。其中，当选用材料为混凝土或铁矿石时，可以制成独立的质量块组成质量模块；当选用材料为砂砾时，可以将其装载在容器中构成质量块。质量模块中可以包含一个或多个质量块，优选采用多个质量块，更有利于输出功率的平衡。在形成质量模块时，将其构造为模块化的长方体或六棱柱结构以便紧密堆叠。质量模块中质量块的重量在考虑到其他结构的机械强度后宜在0.1吨到1000吨之间，在实际应用中，可以根据具体实际需求确定。

如图4所示，所述质量牵引模块104包括滑轮组、绳索、齿轮箱和固定组件2构成，其中，绳索用于电机模块101和质量模块103之间的连接，固定组件2用于绳索和质量模块103的连接，滑轮组用于改变绳索的牵引方向，齿轮箱用于改变绳索的牵引速度。具体地，固定组件2可以采用轿厢形式，也可以采用钩子或者机械爪等形式，具体可以基于质量模块中质量块的具体结构选择合适的形式。通过设置的质量牵引模块，能够在电机模块的控制下控制质量模块在平行于地面的第一方向与垂直于地面的第二方面上运动，从而实现了质量模块在海拔高度不同的堆垛平台之间的自由移动。

所述电机模块能够实现四象限运行，是能量转换的枢纽。例如，如图4所示，在支撑模块包括上堆垛平台3和下堆垛平台4时，若电网电能过剩，电机模块101吸收过剩电能后提升驱动与质量牵引模块104将质量模块103从下堆垛平台4搬运到上堆垛平台3，实现电能向重力势能的转换；当电网电能不足，电机模块101驱动质量牵引模块104将质量模块103从上堆垛平台3搬运到下堆垛平台4，重物在此过程中被下放并驱动电机模块101产生电能，实现重力势能向电能的转换。

在一实施方式中，对于电力电子变流模块的拓扑结构，根据容量和电压需要而定，应能实现功率的双向传输，根据接收的PWM波形对各开关器件进行控制。在具体实施方式中，电力电子变流模块之间为直流回路，通过稳压电容维持直流侧电压稳定。在本实例中，所述功率型储能模块在图4与图5中以直流电压源表示，具体地，该功率型储能模块由高功率密度的储能设备构成，例如可以是超级电容器、电池组或飞轮储能等功率型储能模块。优选的，功率型储能模块宜采用超级电容器能够实现更好的动态响应并延长系统寿命。所述功率型储能模块通过所述电力电子变流模块接入所述重力储能装置。

在一具体实施方式中，如图4所示，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的直流侧；或者，如图5所示，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的整流侧；或者，如图6所示，所述功率型储能模块的接入所述电力电子变流模块的逆变侧。其中，如图4所示，当功率型储能模块1接入电力电子变流模块102的直流侧时，通过变压电路5和电力电子变流模块102的直流侧连接，变压电路5的设计能够减小功率型储能模块102的容量配置需求，降低系统成本，实现功率型储能模块102和直流侧的能量双向交换。并且，通过接入电力电子变流模块的直流侧，有利于维护直流侧电压稳定。当功率型储能模块接入电力电子变流模块的整流侧即机侧时，能够减小电机模块的出力脉动，更利于质量模块的稳定运行，并且对减小电机模块的损耗也更加有效。当功率型储能模块接入电力电子变流模块的逆变侧即网侧时，能够更好的抑制网侧交换功率的波动，更利于电网安全稳定运行。在实际应用中，功率型储能模块的接入方式根据需要进行选择，本发明实施例对此不作限定。

更具体地，当所述复合重力储能系统接入10kV及以上的高压大容量场景时，所述电力电子变流器采用级联全桥或模块化多电平拓扑结构，所述功率型储能模块为所述电力电子变流器中的直流支撑电容。此时更适合高压大容量场合的应用。

如图7(a)至图7(d)所示，所述功率型储能模块用于补偿所述电机模块启动与制动阶段的有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。所述功率型储能模块具体用于在重力储能或电网有功功率的波动量为正时，发出功率补偿大小为波动量的缺额功率；在重力储能或电网有功功率的波动量为负时，吸收功率补偿大小为波动量的过剩功率。具体地，功率型储能模块不仅能实现重力储能装置本身工作过程中有功功率的波动量，同时由于电网的功率需求(比如惯量支撑、抑制新能源出力波动的工况)是快速波动的，这些快速波动的功率需求也能由功率型储能模块来满足，使得重力储能功率本身是平稳的。

具体地，质量模块的运动过程受力可以以式(1)描述：

F＝ma+mg#(1)

式中，m表示质量模块的质量，a表示质量模块的加速度，g表示质量模块的重力加速度。

质量模块的交换功率可以由式(2)描述：

P_total＝P_const+ΔP#(2)

式中，P_total为质量模块的总功率；P_const为质量模块的恒定功率，为一常量；ΔP为质量模块的波动功率，为一变化量。P_const、ΔP具体可表示为：

P_const＝mgv#(3)

ΔP＝mav#(4)

式中，v表示质量模块的速度。

将式(1)两侧积分得到式(5)，则质量模块的能量可以以式(6)描述：

E_total＝E_P+E_K#(6)

式中，E_total为质量模块的总能量；E_P为质量模块的重力势能；E_K为质量模块1的动能。

在本实施例中，取竖直向上为正参考方向，功率与能量以吸收为正，各物理量的变化情况如下：

电动模式下启动时a＞0；P_const＝const；ΔP＞0；P_total＞0；E_P增加；E_K增加；E_total增加。

电动模式下恒速时a＝0；P_const＝const；ΔP＝0；P_total＞0；E_P增加；E_K不变；E_total增加。

电动模式下制动时a＜0；P_const＝const；ΔP＜0；P_total＞0；E_P增加；E_K减少；E_total增加。

发电模式下启动时a＜0；P_const＝const；ΔP＜0；P_total＜0；E_P减少；E_K增加；E_total减少。

发电模式下恒速时a＝0；P_const＝const；ΔP＝0；P_total＜0；E_P减少；E_K不变；E_total减少。

发电模式下制动时a＞0；P_const＝const；ΔP＞0；P_total＜0；E_P减少；E_K减少；E_total减少。

由此，基于上述受力分析，为了抑制功率波动需要对有功功率的波动量ΔP进行补偿，ΔP的大小决定了功率型储能模块的功率大小。而根据式(5)和是(6)可知，功率波动量ΔP在时间上的积分是质量模块的动能E_K变化量，可以通过E_K的大小决定功率型储能模块的容量大小。

需要说明的是，以上是对各类重力储能技术的一般性讨论，各类重力储能技术都适用于以上的模型进行分析，因此对于功率型储能模块与重力储能的混合型储能技术中功率型储能模块的选型分析也具有一般性。另外，以上是基于单个质量块的运行分析，当质量模块包括若干个质量块时，只需根据实际情况确定同时运行的质量块数量就可以通过简单的叠加关系得到实际所需的功率型器件的选型要求。

采用上述方法，可以完成复合重力储能系统中功率型储能模块的容量与功率配置。在具体实施过程中，根据前述分析功率波动量ΔP的正负性决定功率型储能模块的控制模式。当ΔP>0时，重力储能装置需要吸收额外的功率，为维持对外交换功率恒定，控制功率型储能模块发出功率以补偿大小为ΔP的缺额功率。当ΔP<0时，重力储能装置将会释放额外的功率，为维持对外交换功率恒定，控制功率型储能模块吸收功率以补偿大小为ΔP的过剩功率。

在一实施方式中，复合重力储能系统还包括：控制系统，所述控制系统根据电网的运行状态控制通过所述电力电子变流模块控制电机模块；根据所述有功功率的波动量确定所述功率型储能模块的配置容量，通过所述电力电子变流模块控制所述功率型储能模块进行补偿。具体地，控制系统能够发出控制信号，如产生PWM波形对电力电子变流模块中的各开关器件进行控制；从而实现对电机模块的控制，或者实现对功率型储能模块的补偿量的控制。

具体地，当所述复合重力储能系统单次运行时，对于功率型控制模块的配置容量，基于补偿策略的不同，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量配置。当所述功率型储能模块采用基于重力势能转换功率补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量配置，所述第一配置容量根据质量模块的质量、质量模块运行的速度以及电机模块的效率计算；当所述功率型储能模块采用基于梯形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、启动阶段质量模块的速度、加速度以及吸收的能量计算；当所述功率型储能模块采用基于矩形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、电机模块的效率、质量模块运行的速度以及启动阶段质量模块的加速度计算。其中，对于第一配置容量、第二配置容量以及第三配置容量的具体计算公式参见下文控制方法的具体计算过程，在此不再赘述。

以上是针对复合重力储能系统单次运行即单个质量块的运行分析。考虑到实际情况中电网侧的功率平抑需求较大，复合重力储能系统将连续运行于上行或下行工况。与抽水蓄能不同，重力储能的质量模块是离散的，因此当某一电机模块通过质量牵引模块完成一个质量模块的移动后需要时间使质量牵引模块复位，在这一复位时间内该电机模块将无法完成电网中电能与质量模块重力势能的转换，使得该电机模块与电网的交换功率为零，进而导致了在不考虑多机协调控制以进行功率互补的实际情况下连续运行工况的交换功率大幅波动的问题。

如图8(a)至图8(f)所示，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块还用于在所述质量模块的上行过程中放电，在所述质量牵引模块复位期间充电；其中，放电能量为功率型储能模块的第一交换能量27，充电能量为功率型储能模块的第二交换能量28；考虑能量守恒约束，功率型储能模块的第一交换能量27与功率型储能模块的第二交换能量28将相等。

当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块还用于在所述质量模块的下行过程中充电，在所述质量牵引模块的复位期间放电。其中，充电能量为功率型储能模块的第一交换能量27，放电能量为功率型储能模块的第二交换能量28；考虑能量守恒约束，功率型储能模块的第一交换能量27与功率型储能模块的第二交换能量28将相等。

如图8(a)至图8(f)所示，为前述不同情况下的交换功率曲线，虽然交换功率曲线的表达式不同，但是由于前述补偿策略只通过对能量进行时移来改变交换功率，因此不同交换功率曲线的积分都相同，因此功率型储能模块的第一交换能量27与功率型储能模块的第二交换能量28可以式(27)表示：

其中，E_continue为功率型储能模块的第一交换能量27或基功率型储能模块的第二交换能量28；t为运行时刻；T为一个运行周期，包括运行时间t_op与牵引模块复位时间T-t_op；P为交换功率。

相应的，基于稳定连续运行交换功率的补偿方法中的功率型储能模块的配置应考虑是否采用前述的基于重力势能转换功率的补偿方法、基于梯形的补偿方法或基于矩形的补偿方法(此三者统称为基于离散运行的补偿策略)中的任一种，若采用，最终确定的功率型储能模块的配置容量应为E_continue与第一配置容量、第二配置容量或第三配置容量(取决于采用的基于离散运行补偿策略)中的技术经济性较优者，例如从经济性的角度考虑，可以从采用E_continue或第一、第二、第三任一种配置容量时成本较低的一个作为配置容量；此外，从技术性角度考虑也可以从E_continue与第一配置容量、第二配置容量或第三配置容量中选取较大值作为配置容量。

该控制策略面向重力储能的连续运行工况，利用所述复合重力储能的功率型储能模块完成重力储能介质离散化带来的交换功率波动问题。

本发明实施例提供的复合重力储能系统，利用功率型储能模块提供了电机模块启停过程所需的缓冲能量，提高了重力储能系统的循环效率，延长了电机的使用寿命，大幅提高了资源利用率与系统的综合效益。本发明实施例提出的复合重力储能系统，具有储能容量大、造价较低、安全性高、循环效率高、不造成环境污染，受地理条件限制小等优点，相比其他单一类型的储能技术有明显优越性，能适应分布式与规模化应用，具备广阔的应用前景。

本发明实施例还提供一种复合重力储能系统的控制方法，包括：获取电网的运行状态或接收电网的调度指令；根据电网的运行状态或接收电网的调度指令控制重力储能装置将电网多余的电能转化为重力势能或者在电网电能不足时将重力势能转化为电能释放回馈到电网中；控制功率型储能模块补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

本发明实施例提供的复合重力储能系统的控制方法，通过对重力储能技术与功率型储能技术两者优点的结合，克服了重力储能技术输出功率波动性以及无法实现毫秒级及以上响应的问题，有利于电网的安全稳定运行。实现安全可靠的大规模储能的同时能很好地满足电网或负荷稳定运行与电能高效转换的需求。

目前，在采用重力储能的系统中，如图9所示，为常规速度检测控制的上行波形中重牵引力曲线10和实际运行速度曲线11的示意图；其中，主要是通过电机改变转矩大小以提供质量块开始运动所需的加速度，当速度达到额定速度时停止施加加速转矩，由于惯性作用，质量块的速度将突破额定速度，因此需加入反向制动转矩来减小速度到额定值，如此反复直到系统稳定，在速度曲线上体现为衰减的阻尼振荡，在转矩曲线上体现为快速交替变换的转矩。

显然，该控制方法通过检测实际速度过额定值的时刻来施加控制转矩，虽然该方法控制简单，但是存在转矩、速度波动的不利工况，一方面不利于系统稳定，影响了响应速度，另一方面也加剧了损耗，降低了效率。本质上，该控制方法在速度达到额定速度时才施加制动转矩，此时质量块的速度曲线斜率不为零，即加速度不为零，故其速度不能立即稳定在额定速度上。

为避免该控制方法带来的不利工况，本发明提出一种能使速度立即稳定在额定速度的控制方法，如图10和图11所示，其基本思想是使质量块速度达到额定速度时具备为零的加速度，根据牛顿第二定律，应使质量块所受合外力为零，即电机模块应提供等于质量块重力的转矩。为使转矩回落到质量块重力时速度恰为额定速度以及精确描绘曲线形态以便功率型储能模块进行有功功率补充，需要求得转矩曲线、速度曲线与功率曲线的数学解析式。

假设实际使用的异步电机为一惯性环节，其阶跃指令的响应为指数，设其牵引力响应曲线的水平段F_h、上升段F_up与下降段F_down分别为：

F_h＝B₂mg#(7)

F_up＝B_mm_g+(B_n-B_m)mg(1-e^-At)#(8)

F_down＝B_nmg+(B_m-B_n)mge^-At#(9)

其中，时间t≥0，B_m为牵引力的初值系数，B_n为牵引力的终值系数，A为与所用电机有关的常量。为简化分析，综合分析以上三段牵引力并考虑直流模块重力，质量模块所受合外力可以统一表示为：

F＝(B_n-1)mg+(B_m-B_n)mge^-At#(10)

为简化分析，本实例中假设存在三种稳态牵引力：B₁mg＞B₂mg＝mg＞B₃mg。速度响应曲线可由下式计算：

其中，t₀为牵引力变化的初始时刻，Δt为牵引力变化经过时间，取t₀＝0，根据式(12)可得合外力F产生的速度与加速度响应曲线：

a＝(B_n-1)g+(B_m-B_n)ge^-AΔt#(14)

特别地，当牵引力系数满足式(15)时，式(13)与式(14)可进一步简化为式(16)与式(17)：

a＝Cg(K₁+K₂e^-AΔt)#(17)

其中C为一常量，K₁∈{1，0，-1}，K₂∈{1，0，-1}且K₁K₂≠1。

至此，可以绘制出质量块下行与上行时的牵引力与速度曲线示意图，交换功率示意图可依据式(18)绘制：

P＝Fv#(18)

图10与图11分别给出了复合重力储能系统中质量模块下行波形示意图与复合重力储能系统中质量模块上行波形示意图，由图10与图11中的实际交换功率交换功率曲线、理想交换功率交换功率曲线13、理想交换功率交换功率曲线下功率型储能模块释放的能量14、理想交换功率交换功率曲线下功率型储能模块吸收的能量15可知，在下行过程中的减速初始阶段与上行过程中的加速最终阶段存在较大的功率超调量，该功率超调量将对系统造成不利影响。

复合重力储能系统的重力势能E_P、动能E_K与重力势能功率P_P的表达式如式(19)至式(21)所示：

E_P＝mgh#(19)

P_P＝mgv#(21)

根据式(19)至式(21)可以得到图12复合重力储能系统的储能能量与功率变化示意图，包括重力势能曲线16、重力势能转换功率曲线17。从图12可知所述复合重力储能系统的功率流动关系如下：

当质量块处于上行加速运动阶段时，系统从电网吸收的能量并将其转换为质量块的重力势能和动能；

当质量块处于上行减速运动阶段时，系统从电网吸收的能量并将其与质量块的动能一同转换为质量块的重力势能；

当质量块处于下行加速运动阶段时，系统将质量块的重力势能转换为向系统发出的能量以及质量块的动能；

当质量块处于下行减速运动阶段时，系统将质量块的重力势能以及动能转换为向系统发出的能量；

综上，动能只在上行或下行的运动过程中存在，在运动过程的加速阶段产生，在运动减速过程中减少。

进一步地，将重力势能的转换功率曲线与系统功率曲线进行对比可得到功率型储能设备所需的补偿指令，其中重力势能转换功率曲线17为较为理想的功率响应曲线，可以作为功率型储能设备的补偿目标。图13中对比了实际功率响应曲线12与重力势能转换功率曲线17，实际功率响应曲线12小于重力势能转换功率曲线17的对应面积为较理想交换功率曲线下功率型储能模块释放的能量18；实际功率响应曲线12大于重力势能转换功率曲线17的对应面积为较理想交换功率曲线下功率型储能模块吸收的能量19。

由于运行的始末阶段质量块的速度为零，即始末阶段均不存在动能，因此较理想交换功率曲线下功率型储能模块释放的能量18与较理想交换功率曲线下功率型储能模块吸收的能量19的面积大小相等且等于质量块所能具备的最大动能。基于此，将该补偿方法称为基于重力势能转换功率的补偿方法。

由于所述较理想交换功率曲线下功率型储能模块释放的能量18与较理想交换功率曲线下功率型储能模块吸收的能量19的面积大小相等，如果采用功率型储能模块9将实际功率响应曲线12补偿为重力势能转换功率曲线17的控制方法，在不考虑损耗的情况下，功率型储能模块将在质量块的一个运动周期内可以实现能量守恒，即无需外界提供额外的能量。

最基本的，如图13(a)和图13(b)所示，基于重力势能转换功率的补偿方法将原本不规则的交换功率曲线变得规则且对称，由于抑制了电机启停带来的功率脉冲，使得交换功率曲线更加平滑，减小了并网冲击，利于电网的稳定运行。

基于重力势能转换功率的补偿方法所需配置的功率型储能模块容量即第一配置容量E₁为质量模块动能的最大波动量，可由式(21)求得：

其中v_m为质量模块运行的最大速度，η_M为电机效率，其中具体采用的质量模块运行的速度可以是运行的最大速度、平均速度或者加权平均速度等等，本发明实施例对此不作限定。

进一步的，在不计损耗的情况下并满足在一个充放周期内功率型储能模块可实现充放能量守恒的基础上，除去前述的基于重力势能转换功率的补偿方法，本发明实施例还提出梯形补偿法与矩形补偿法。

进一步的，如图14所示，在基于重力势能转换功率的补偿方法的基础上，提出了基于梯形的补偿方法。基于重力势能转换功率的补偿方法虽然将原本不规则的交换功率曲线变得规则且对称，但其交换规律曲线仍然是非线性的，这给精确的功率控制带了不便；基于上述考虑，基于梯形的补偿方法更进一步地将交换功率曲线变得线性化，降低了复合重力储能系统的控制难度。

基于式(13)、式(14)、式(20)与式(21)，基于梯形的补偿方法的功率型储能模块所需的配置容量即第二配置容量E₂可表示为：

a_up＝(B₁-1)g(1-e^-At)#(25)

其中，v_{start up}为启动阶段质量模块的速度；E_{start up}为启动阶段质量模块吸收的能量；a_up为上行匀加速阶段质量模块的加速度。

进一步的，在基于梯形的补偿方法的基础上，提出了基于矩形的补偿方法。基于梯形的补偿方法虽然实现了交换功率曲线的线性化，但其交换功率曲线依然存在上升阶段，也即全功率响应阶段，该阶段对应的时间就是储能系统的全功率响应时间。储能系统作为能量调度者参与到电网的运行控制中，其基本作用就是实现电能在时间与空间上的解耦以实现实时的供需匹配。一旦储能系统被调用，往往是发生了供需不匹配的情况(比如负荷需求或新能源出力的波动)，此时储能系统的快速响应能力就尤为重要。

基于此，基于矩形的补偿方法在基于梯形的补偿方法的基础上，将复合重力储能系统的全功率响应时间从原来的电机响应时间级提高到功率型储能器件响应的时间级，极大提高的复合重力储能系统的响应速度，正因为在原时间尺度上看基于矩形的补偿方法的交换功率响应曲线十分接近于矩阵，该法由此命名。

基于式(20)与式(25)，基于梯形的补偿方法的功率型储能模块所需的配置容量即第三配置容量E₃可表示为：

应当指出，基于矩形的补偿方法所得的系统交换功率曲线23与前述理想交换功率曲线13有所不同。理想交换功率曲线13只体现的系统交换功率的理想形态；如图15所示，基于矩形的补偿方法所得的系统交换功率曲线23不仅实现了理想的系统交换功率曲线形态，同时也实现了功率型储能模块的能量守恒，因而是一种更优的响应。

以上是针对复合重力储能系统单次运行即单个质量块的运行分析。当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，控制所述功率型储能模块在质量模块的上行过程中放电，在质量牵引模块复位期间充电；在质量模块的下行过程中充电，在质量牵引模块的复位期间放电。

并且，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，基于交换功率的积分与运行周期的比值确定所述功率型储能模块的充电能量或放电能量；结合所采用的单次运行的补偿策略，按照一个周期中的充电能量或放电能量与第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量中的技术经济性较优者对所述功率型储能模块的容量进行配置。

具体地，针对功率型储能模块的充电能量或放电能量的具体计算过程参见上述复合重力储能系统中的描述，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种复合重力储能系统，其特征在于，包括：重力储能装置和功率型储能模块，

所述重力储能装置用于吸收电网多余的电能或者在电网电能不足时释放电能；

所述功率型储能模块用于补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

2.根据权利要求1所述的复合重力储能系统，其特征在于，所述功率型储能模块具体用于在重力储能或电网有功功率的波动量为正时，发出功率补偿大小为波动量的缺额功率；在重力储能或电网有功功率的波动量为负时，吸收功率补偿大小为波动量的过剩功率。

3.根据权利要求1所述的复合重力储能系统，其特征在于，所述重力储能装置包括：重力储能模块、电机模块以及电力电子变流模块，

所述电机模块连接所述重力储能模块，用于控制所述重力储能模块运动进而吸收或释放电能；

所述电力电子变流模块一端连接电网，另一端连接所述电机模块，用于所述电机模块的控制。

4.根据权利要求3所述的复合重力储能系统，其特征在于，所述重力储能模块包括：质量模块、质量牵引模块以及支撑模块；

所述支撑模块为具有高度差的自然地形或人造的构筑系统，用于提供所述质量模块运动时所需的高度差并为所述质量模块提供支撑；

所述质量牵引模块用于在所述电机模块的控制下牵引所述质量模块上行或下行运动；

所述质量模块用于将电能转换为重力势能存储或者将重力势能转换为电能释放。

5.根据权利要求3所述的复合重力储能系统，其特征在于，所述功率型储能模块通过所述电力电子变流模块接入所述重力储能装置，所述功率型储能模块具体用于补偿所述电机模块启动与制动阶段的有功功率的波动量。

6.根据权利要求5所述的复合重力储能系统，其特征在于，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的直流侧；或者，所述功率型储能模块接入所述电力电子变流模块的交流整流侧；或者，所述功率型储能模块的接入所述电力电子变流模块的交流逆变侧。

7.根据权利要求5所述的复合重力储能系统，其特征在于，

所述功率型储能模块包括超级电容器、电池或飞轮储能中的任意一种；或者，

当所述复合重力储能系统接入10kV及以上的高压大容量场景时，所述电力电子变流器采用级联全桥或模块化多电平拓扑结构，所述功率型储能模块为所述电力电子变流器中的直流支撑电容。

8.根据权利要求4所述的复合重力储能系统，其特征在于，还包括：控制系统，所述控制系统根据电网的运行状态控制通过所述电力电子变流模块控制电机模块；根据所述有功功率的波动量确定所述功率型储能模块的配置容量，通过所述电力电子变流模块控制所述功率型储能模块进行补偿。

9.根据权利要求8所述的复合重力储能系统，其特征在于，

当所述复合重力储能系统单次运行时，根据复合重力储能系统中功率型储能模块补偿策略的不同，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量配置：

当所述功率型储能模块采用基于重力势能转换功率补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量配置，所述第一配置容量根据质量模块的质量、质量模块运行的速度以及电机模块的效率计算；

当所述功率型储能模块采用基于梯形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、启动阶段质量模块的速度、加速度以及吸收的能量计算；

当所述功率型储能模块采用基于矩形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第配置容量、电机模块的效率、质量模块运行的速度以及启动阶段质量模块的加速度计算。

10.根据权利要求9所述的复合重力储能系统，其特征在于，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块还用于在所述质量模块的上行过程中放电，在所述质量牵引模块复位期间充电；在所述质量模块的下行过程中充电，在所述质量牵引模块的复位期间放电。

11.根据权利要求10所述的复合重力储能系统，其特征在于，当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，所述功率型储能模块的充电能量或放电能量基于交换功率的积分与运行周期的比值确定，所述功率型储能模块的配置容量结合所采用的单次运行的补偿策略，按照一个周期中的充电能量或放电能量与第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量中的技术经济性较优者进行配置。

12.一种复合重力储能系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取电网的运行状态或接收电网的调度指令；

根据电网的运行状态或接收电网的调度指令控制重力储能装置将电网多余的电能转化为重力势能或者在电网电能不足时将重力势能转化为电能回馈到电网中；

控制功率型储能模块补偿所述重力储能装置工作过程中有功功率的波动量或向电网提供毫秒级及以上的快速功率补偿。

13.根据权利要求12所述的复合重力储能系统的控制方法，其特征在于，还包括：当所述复合重力储能系统单次运行时，基于功率型储能模块补偿策略的不同，根据第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量配置所述功率型储能模块的容量；其中，

当所述功率型储能模块采用基于重力势能转换功率补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第一配置容量配置，所述第一配置容量根据质量模块的质量、质量模块运行的速度以及电机模块的效率计算；

当所述功率型储能模块采用基于梯形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、启动阶段质量模块的速度、加速度以及吸收的能量计算；

当所述功率型储能模块采用基于矩形的补偿策略进行控制时，所述功率型储能模块的容量采用第二配置容量配置，所述第二配置容量根据第一配置容量、电机模块的效率、质量模块运行的速度以及启动阶段质量模块的加速度计算。

14.根据权利要求13所述的复合重力储能系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，控制所述功率型储能模块在质量模块的上行过程中放电，在质量牵引模块复位期间充电；在质量模块的下行过程中充电，在质量牵引模块的复位期间放电。

15.根据权利要求14所述的复合重力储能系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述复合重力储能系统稳定连续运行时，基于交换功率的积分与运行周期的比值确定所述功率型储能模块的充电能量或放电能量；结合所采用的单次运行的补偿策略，按照一个周期中的充电能量或放电能量与第一配置容量、第二配置容量或者第三配置容量中的技术经济性较优者对所述功率型储能模块的配置容量进行配置。

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