CN117639002A - 一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法、记录媒体及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机电工程技术领域，特别涉及一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，通过一组背靠背式变流器实现单台无刷双馈感应发电机在压缩机做功工况和膨胀机发电工况的转速和功率控制。该方案比传统两机式方案成本更低，且能够在额定转速附近的一定范围内实现无级变速运行，机组的运行效率得以提升，同时可以动态参与系统调节，提升了电站的系统效率。尤其适用于电网负荷存在较大波动的场合。本发明还提供一种存储有该方法程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的系统，通过处理电路可以调用程序，执行上述方法。
Description
技术领域
本发明属于机电工程技术领域，公开了一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法、记录媒体及系统。
背景技术
当前，压缩空气储能系统正受到越来越多的关注。若想在竞争激烈的众多储能方式中胜出，降低成本和提升效率是压缩空气储能系统必须克服的两大难题。传统压缩空气储能电站通常在膨胀机侧配置一台传统同步发电机，而在压缩机侧配备一台异步电动机用作驱动装置。这种两机式方案技术成熟，但是并不利于降低系统成本的要求，也阻碍了系统效率的提升。
在传统的异步电动机压缩机做功环节，由于异步电动机的转速固定，输入功率固定，不能直接参与电网调频，系统效率较低；而在膨胀机做功环节，由于膨胀机的机械响应慢，使得调节有功和无功功率缓慢，不能动态地抑制有功和无功功率波动。最优效率转速与膨胀机的质量流量和压强有直接的关系，在不同的质量流量-压强关系下，最优效率转速不同，当膨胀机运行于最优效率转速状况时，膨胀机的效率损失最小。传统压缩空气储能电站一般通过预期的质量流量和压强来计算膨胀机的额定转速，但是由于同步发电机的转速固定，使得膨胀机不能一直工作在最优效率转速状态，导致效率降低，浪费了宝贵的压缩气体资源。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，具体方案包括如下步骤：
使单台无刷双馈感应的发电电动机在不同时段分别执行压缩空气储能系统中的驱动流程和发电流程；所述发电电动机分别通过可离合齿轮箱与压缩机和膨胀机连接，通过一组背靠背式变流器实现所述发电电动机在压缩机做功工况和膨胀机发电工况的转速和功率控制。
优选的，压缩机做功工况的转速和功率控制方法为：闭合压缩机一侧的可离合齿轮箱，脱开膨胀机一侧的可离合齿轮箱，利用所述背靠背式变流器实施变频调速，对磁链矢量值进行跟踪控制，以维持稳定的电压，并获得适应电网功率要求的扭矩。
优选的，膨胀机发电工况的转速和功率控制方法为：闭合膨胀机一侧的齿轮箱，脱开压缩机一侧的齿轮箱；根据系统压强和质量流量，寻找发电电动机最优转速区间，采用空间矢量脉冲宽度调制方法通过所述背靠背式变流器动态调节机组转速，实现最佳功率跟踪。
优选的，所述空间矢量脉冲宽度调制方法为：通过励磁电流的解耦控制实现有功和无功的动态调节，包括分别闭环控制所述发电电动机接入电网的有功功率和无功功率；经转子角速度的关系换算，动态调节所述背靠背式变流器的给定频率。
本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法。
本发明的又一方案在于提供一种压缩空气储能系统的发电电动机调控系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法。
相对于现有技术，本发明产生以下有益效果：
首先，将压缩空气储能系统，从两机式方案变为单机式方案是完全可行的。从压缩空气储能的原理上而言，压缩做功和膨胀发电是两个独立的环节，二者不会同时工作，若一台机组可以实现发电和电动两种功能，单机式方案就会比两机式方案节约成本。从可变速机组的原理上而言，可变速机组可以完全胜任发电和电动两种工况，具体而言，利用背靠背式变流器，可变速机组在膨胀机做功工况时可以实现变速恒频发电，在压缩机做功工况时可以实现无级变速，功能和功效都要比同步发电机和异步电动机的两机式方案得到提升。
其次，采用的可变速无刷双馈发电电动机，具有恒频变速的优点，在额定转速上下波动一定范围内，使得膨胀机/压缩机可以稳定运行，当质量流量和负载发生变化时，始终可以跟踪最优效率转速，实现系统效率的提升。
最后，可变速无刷双馈发电电动机可以在相当大的转速范围内调速，在压缩机做功工况时，若系统频率的波动，可通过转子励磁变频改变电机的转速，从而达到快速调节有功和无功功率的目地。
附图说明
图1为本发明实施例中压缩空气储能系统整体连接示意图；
图2为本发明实施例中压缩空气储能系统整体控制示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新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。
本发明提供的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法的实施例如下：
单机可变速压缩空气储能系统的主要组成部分有一台无刷双馈感应发电电动机、压缩机/膨胀机及其齿轮箱调速系统和一组背靠背式变流器。无刷双馈感应发电电动机通过机械转轴和可离合齿轮箱与压缩机/膨胀机相连，实现电能与机械能的转换；压缩机/膨胀机可以通过导气阀调节系统的气体质量流量，从而实现压缩机/膨胀机转速和机械功率的调节；变流器通过电磁感应为无刷双馈感应发电电动机转子提供交流励磁电流，并且保证不同运行工况下转子与电网能量的双向传输。如图1所示，无刷双馈感应发电电动机的功率回路通过升压变压器与电网直接相连，控制回路则通过一组背靠背变流器后接入电网，与压缩机/膨胀机调速系统之间通过机电协调控制策略实现二者协调配合。各部分保持动态的能量平衡，最终实现可变速压缩空气储能机组的稳定运行。
在压缩机做功工况时，闭合压缩机一侧的齿轮箱，脱开膨胀机一侧的齿轮箱。根据电网频率和功率要求，通过调节机侧变流器，动态调节机组转速。在膨胀机做功工况时，闭合膨胀机一侧的齿轮箱，脱开压缩机一侧的齿轮箱。根据系统压强和质量流量，寻找机组最优转速区间，通过背靠背变流器动态调节机组转速。单机可变速压缩空气储能发电电动机在膨胀机做功工况和压缩机做功工况的工作逻辑如图2所示。
压缩空气储能系统需频繁变工况运行，其效率不仅与进气温度、进气压力和质量流量有关，还与不同工况下的转速密切相关。并网运行压缩空气储能发电电动机的动态数学模型可按照转子同步速，以电网、机组和转子绕组的dq轴分量作为状态变量的动态数学模型可表示为：
其中，V、I、K、Ψ、R和L分别表示电压、电流、阻抗、磁链、电阻和电感矩阵，下标dq代表对应参数的dq轴分量。
在膨胀机做功工况下，并网运行的压缩空气储能发电电动机是供的是机组电流的动态调节，以达到电机输出特定有功功率和无功功率的目的。
发电电动机在膨胀机做功工况下的机组侧变流器的控制方法包含有四个部分：有功功率输出闭环控制，无功功率输出闭环控制，功率计算器用于动态跟踪系统有功和无功和转子位置角计算。
根据发电电动机的运行原则，机组侧变流器输出的电流相位给定值θS2 *可表示为，
θs2 *＝θs1-(p1+p2)*θm (式2)
其中，θm是转子的机械位置，它可由转子位置编码器获得。P1、P2分别为功率绕组和控制绕组的极数，电网输出的电流角速度可表示为2πfs1rad/s，也可以通过锁相环获得；而机组输出电压的给定角速度由磁链计算器计算得出。
在q方向的有功控制环中，控制的输入为参考有功功率值和系统总功率值的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为q方向的机组电压。在d方向的无功控制环中，控制的输入为电网的参考无功功率值和电网无功功率的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为d方向的机组电压。
功率计算器对电网的三相电压和三相电流进行采集，有功功率P和无功功率Q的计算公式如下：
其中，v代表电压，i代表电流，下标含1对应功率绕组，下标含2对应控制绕组，下标含d对应d轴分量，下标含q对应q轴分量,机组电流的脉动将会通过LC滤波器加以消除，提高电能输出的质量。
综上可总结出发电电动机在膨胀机做功工况下的控制策略：由给定的有功和无功经过闭环PI调节，得到机组电流的给定值，再经过电流内环PI调节，计算出机组电压直接输入电机机组。
在压缩机做功工况下，发电电动机的电磁转矩表达式可写为：
可以看出电磁转矩表达式由两个分量组成，分别对应功率绕组和控制绕组与转子耦合产生的电磁转矩。由于电网直接与电网相联，所以只有机组侧的电压矢量可控。机组侧变流器选择合适的控制策略来调节机组电压磁链Ψs2，从而实现对控制绕组与转子耦合产生的电磁转矩的控制，进而达到控制电磁转矩Te和发电总功率的目的。
在实际控制系统中很难直接测得电磁转矩的幅值，因此需要通过电机模型得到的关系间接计算，在转子同步速坐标系的电磁转矩简化到两相dq坐标系下：
Te＝p1(iqs1ψds1-ids1ψqs1)+p2(iqs2ψds2-ids2ψqs2) (式5)
电网侧和机组侧的电压与磁链关系可表示为：
上式中均为dq坐标系下变量且可计算得到，其中，P1、P2分别为功率绕组和控制绕组的极数，v代表电压，i代表电流，r代表电阻，Ψ代表磁链，下标含s1对应功率绕组，下标含s2对应控制绕组，下标含d对应d轴分量，下标含q对应q轴分量。
由于机组定子绕组直接与电网相联，其电压幅值vs1稳定，而转子绕组电阻rs1很小，其影响可忽略不计，因此电网磁链幅值Ψs1基本保持不变。若令机组磁链沿着电压矢量轨迹，在可容许的误差范围内按圆形旋转。则在任意时刻，根据机组磁链Ψs2的矢量，分别对电磁转矩和磁链幅值进行滞环控制，从而对开关状态做出合理的选择，就可以使Ψs2幅值维持在基本不变的滞环带宽内，并有目的地调整Ψs2旋转速度从而控制定转子磁链夹角的大小，完成对输出转矩和磁链幅值的调节。
系统给定机组磁链幅值Ψs2 *，通过滞环比较器对电磁转矩和机组磁链进行闭环控制，实现对给定转速的实时跟踪。由控制系统框图可知，要提高系统运行的稳定性与控制精度，一方面可以调节滞环比较器的带宽，另一方面要保证机组磁链与电磁转矩的精确计算。
综上可总结出发电电动机在压缩机做功工况下的控制策略：由发电电动机的数学模型和设计参数，得到电磁转矩的数值，再与电磁转矩的给定值进行滞环比较，得到差值ΔTe；通过机组磁链的计算，得到一个位置角度θs2；通过机组磁链与给定磁链的滞环比较，得到差值ΔΨs2；ΔTe、ΔΨs2、θs2再用于机组电压矢量的给定。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成压缩空气储能系统的储能/发电过程双向调控，则构成本发明的“一种压缩空气储能系统的发电电动机调控系统”技术方案。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，其特征在于包括以下步骤：
使单台无刷双馈感应的发电电动机在不同时段分别执行压缩空气储能系统中的驱动流程和发电流程；所述发电电动机分别通过可离合齿轮箱与压缩机和膨胀机连接，通过一组背靠背式变流器实现所述发电电动机在压缩机做功工况和膨胀机发电工况的转速和功率控制。
2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，其特征在于，压缩机做功工况的转速和功率控制方法为：闭合压缩机一侧的可离合齿轮箱，脱开膨胀机一侧的可离合齿轮箱，利用所述背靠背式变流器实施变频调速，对磁链矢量值进行跟踪控制，以维持稳定的电压，并获得适应电网功率要求的扭矩。
3.根据权利要求2所述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，其特征在于，膨胀机发电工况的转速和功率控制方法为：闭合膨胀机一侧的齿轮箱，脱开压缩机一侧的齿轮箱；根据系统压强和质量流量，寻找发电电动机最优转速区间，采用空间矢量脉冲宽度调制方法通过所述背靠背式变流器动态调节机组转速，实现最佳功率跟踪。
4.根据权利要求3所述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法，其特征在于，所述空间矢量脉冲宽度调制方法为：通过励磁电流的解耦控制实现有功和无功的动态调节，包括分别闭环控制所述发电电动机接入电网的有功功率和无功功率；经转子角速度的关系换算，动态调节所述背靠背式变流器的给定频率。
5.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求1-4中任一项所述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法。
6.一种压缩空气储能系统的发电电动机调控系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求1-4中任一项所述的一种压缩空气储能系统的发电电动机调控方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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