CN204344376U - 一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，包括风力机、电控离合器、第一电机、第二电机、涡旋复合机和储气装置；其中，风力机与第一电机同轴连接，第一电机通过电控离合器连接第二电机，第二电机与涡旋复合机同轴连接，所述涡旋复合机通过气路与蓄热装置的输入端连接，蓄热装置的输出端与储气装置连接，所述风力机与第一电机的连接轴上安装有第一转速转矩传感器，所述第二电机与涡旋复合机的连接轴上设置有第二转速转矩传感器；本实用新型结构紧凑，运行方式灵活，通过协调控制两台电机的转速转矩和离合器的吸合分离，在涡旋复合机切入切出时，不存在机械冲击和损耗，完成了压缩空气系统与风力发电系统的无缝高效结合。

Description

一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统。

背景技术

目前风力发电系统受到风能波动性和间歇性制约，不能长时间连续稳定供能，传统的蓄电池由于价格昂贵，无法做到大容量储能。压缩空气储能成本低，寿命长，没有蓄电池的二次污染，适合应用在风电系统中的作为大容量储能设备。

一般机械式的风力机压缩空气则多采用刚性传动，部件多且结构复杂，一般只能制取高压空气用于燃烧释放，不能作为储能设备调节风力发电系统的功率平衡，更无法被系统再次高效利用。虽然采用风力可以节省电力成本，但是在压缩空气装置启动停止时不可避免的产生机械冲击，齿轮磨损加重，不可避免的出现强烈的振动、噪声和润滑等问题，最终导致运行环境差，维护困难，寿命短暂。并且机械传动的系统运行和维护。

现在多数能够应用在风力发电系统中的压缩空气储能设备所存在的问题有二，一是使用风力发电产生的电能带动电动机压缩空气，能量转化环节多，造成储能有损失；二是采用燃气轮机燃烧混合高压空气的燃料来释放储存的空气内能，虽然可以调节功率供给，但是燃烧排放的废气除了环境污染还损失了大量热能，同时还需要依赖燃气轮机、天然气管道等配套设施与其配合，结构复杂，成本昂贵，储能转换利用的效率低下。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，该系统可将独立的压缩空气储能释能设备以机械耦合和电耦合两种方式灵活接入风力发电系统，既能消纳风力直接压缩空气，代替蓄电池进行大规模的储能，又能直接利用压缩空气膨胀发电，释放风能。有效调节风力发电系统的能量供需平衡，而且储能规模大，效率高且无污染。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，包括风力机、电控离合器、第一电机、第二电机、涡旋复合机、气路、储气装置和PC上位机；其中，风力机与第一电机一端轴连，构成风力发电子系统；第二电机与涡旋复合机轴连，涡旋复合机的气口通过气路与储气装置相连，构成压缩空气储能释放一体化子系统；所述第一电机和第二电机轴都是两端引出，电控离合器将第一电机和第二电机进行轴连，将风力发电子系统和压缩空气储能释放一体化子系统结合起来。

为采集系统运行信息，所述风力机与第一电机的连接轴上设置有第一转速转矩传感器用以获得第一发电机的转矩转速；所述第二电机与涡旋复合机的连接轴上设置有第二转速转矩传感器用以获得第二电机的转矩转速。

所述气路上装有第一气体检测装置和第二气体检测装置，各自包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，第一气体检测装置用以检测涡旋复合机气口的气体压力、流量和温度，第二气体检测装置用以检测储气装置的气体压力、流量和温度。

所述气路上连接有第一热交换器、蓄热器、第二热交换器、单向阀和比例控制阀，分为两条气路；一条是压缩气路，涡旋复合机压缩产生的高压气体经过单向阀和第一换热器进入储气装置；另一条是膨胀气路，储气装置内的高压气体经过比例控制阀和第二换热器进入涡旋复合机膨胀后释放。

所述第一换热器和第二换热器之间通过蓄热器交换热能。所述涡旋复合机采用中国专利申请201110002249中名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩－膨胀复合机》中的复合机，其既可以对低压气体进行压缩也可以对高压气体进行膨胀，是完成压缩空气储能和释放一体化的重要部件。

所述第一电机和第二电机的定子绕组分别连接第一变流器和第二变流器，变流器之间通过直流母线连接，变流器通过各自的驱动器控制，驱动器的控制信号通过PC上位机改变。

所述直流母线上连接有蓄电池、超级电容和用电负载。

本实用新型的工作原理为：

风力机受风力推动，带动第一电机发电，电能通过第一变流器到达直流母线。风力机会受到风能波动影响从而导致电机的转速不稳定，直流母线上的电压和电流会产生高频波动。对瞬时快速储能装置(蓄电池和超级电容)进行充放电可以平抑波动，保证直流母线的稳定，以此保证负载平衡和系统稳定运行。根据当前风速和风机特性曲线，可以找到此风速下风机达到最大功率输出的最优转速。通过驱动器控制第一变流器，可以调节第一电机的转速和转矩，改变风力机的负载，从而跟踪风力机的最优转速，实现风力机的最大功率的追踪。第一转速转矩传感器检测风机输出轴的转速转矩，以便PC上位机对第一电机进行闭环控制。

当涡旋复合机工作在压缩状态时，高温高压空气沿着气路首先到达换热器中，压缩空气与蓄热器中循环的冷媒进行热交换，热量被带入蓄热器中储存起来。之后高压空气进入储气装置储存。当涡旋复合机工作在膨胀状态时，来自储气装置的高压空气沿着气路通过比例流量阀在换热器中接受来自蓄热器的热能预热，之后到达涡旋复合机膨胀做功带动电机发电。其中，蓄热器通过管路与换热器相连，可以将压缩时储存的气体热量回馈给膨胀时的气体，不仅减少了压缩的热能损失，还有助于提高膨胀时的功率，显著提高了压缩空气储能的效率。根据第一气体检测装置和第二气体检测装置测得的气路内空气的压力、温度、和流量，可以由公式估算涡旋复合机的工作功率，其中P_s为涡旋复合机工作功率，p_d为涡旋复合机进口压力，Q为涡旋复合机排气流量，p_s为涡旋复合机排气压力。根据涡旋复合机工作情况改变涡旋复合机的转速和比例流量阀的开度，从而控制压缩空气储能系统可以实时满足功率需求，并且工作在优化的效率区间内。

当风机功率大于负载需求时，系统包括两种压缩空气储能方式运行：一种是PC上位机发出指令，使电控离合器分离，第一电机发出的电能经过变流装置被第二电机消耗，超过负载需求的多余电能带动涡旋复合机压缩空气储能；另一种方式是首先通过第二电机以电动模式带动涡旋复合机升速，当第二电机与第一电机转速相同之后，PC上位机发出指令使电控离合器吸合，第二电机与第一电机之间通过机械传动传递能量。

当风机功率小于负载需求时，PC上位机发出指令使电控离合器分离，风力机带动第一电机发电，涡旋复合机带动第二电机发电，共同补足负载所需功率。由于第一电机和第二电机之间不再有机械传动，二者的运行状态互不干扰，调节电机转速可以满足各自优化运行状态。

实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型采用压缩空气储能技术，采用的涡旋复合机能够完成压缩和膨胀两种工作模式，风力机捕获的能量流动方向和比例能够自由调整，在高风速时压缩空气储能，在低风速时膨胀释放能量，有效解决了风能和负载在长时间尺度上不平衡的问题。同时采用的储能装置成本低、容量大、结构紧凑、效率高，而且膨胀无需燃烧，绿色环保；

(2)本实用新型实现了一种压缩空气储能系统与风力发电系统的无缝高效结合方式，其结构设计简单紧凑，部件集成度高，可实现性好，易于搭建和维护；

(3)本实用新型的系统工作模式切换灵活且互不干扰：通过控制离合器的吸合或者分离，可以将涡旋复合机切入切出，更换工作模式。同时协调两台电机的转速转矩控制风机和涡旋复合机，既能各自工作在独立高效的工作区内，二者结合时又可以事先匹配转速，消除结合的机械冲击和损耗，系统运行平滑稳定；

(4)本实用新型利用了压缩产热和膨胀吸热的热力学特性，通过换热器可以将压缩过程中气体的热能带到蓄热器中存储起来，在膨胀时被回收利用，降低了热能损失，做到能量高效利用。既提高了系统储能效率，又提高了膨胀发电功率和效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中：1.风力机；2.第一变流器；3.蓄电池；4.超级电容；5.第二变流器；6.第一转速转矩传感器；7.比例流量阀；8.第一电机；9.电控离合器；10.第一热交换器；11.第二电机；12.第二转速转矩传感器；13.涡旋复合机；14.储气装置；15.第二气体检测装置；16.第二热交换器；17.蓄热器；18.单向阀；19.第一气体检测装置；20.气路。

图2为系统控制框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种结合压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统。包括风力机1、第一电机8、第二电机11、电控离合器9、涡旋复合机13、气路20、蓄热装置17、储气装置14、蓄电池3、超级电容4。

其中风力机1轴和第一电机8相连，轴中间装有第一转速转矩传感器6。涡旋复合机13和第二电机11相连，轴中间装有第二转速转矩传感器12。第一电机8和第二电机11之间可以通过电控离合器9完成分离或连接。

所述第一电机8定子绕组接有第一变流器2，第二电机定子绕组接有第二变流器5，第一变流器2和第二变流器5的驱动控制指令来自PC上位机。第一变流器2和第二变流器5之间的直流母线上挂接有瞬时快速储能装置(蓄电池3和超级电容4)和用电负载。

所述涡旋复合机13压缩时产生的气体通过气路20，分别经过第一气体检测装置(19、单向阀18、换热器16、第二气体检测装置15进入储气装置14。在膨胀时，储气装置14中的气体通过气路20，分别经第二气体检测装置(包括压力、温度、流量传感器)15、比例流量阀7、换热器10、第一气体检测装置(包括压力、温度、流量传感器)19到达涡旋复合机13。

所述换热器10和换热器16共同连接在同一蓄热装置17上。

系统可以有多种工作模式应对工况变化，满足实际运行需求。

其中风力机1、第一变流器2、蓄电池3、超级电容4、第一转速转矩传感器6、第一电机8构成了传统的风力发电子系统：风力机1转动可带动第一电机8发电，电能通过第一变流器2到达直流母线。当风力机受到风能波动影响，电机的转速受到扰动时，直流母线上的电压和电流会产生高频波动。对瞬时快速储能装置(蓄电池3和超级电容4)进行充放电可以平抑波动，保证直流母线的稳定，以此保证负载平衡和系统稳定运行。PC上位机执行系统控制程序，发出控制指令，通过对第一变流器2的控制，调节第一电机的转速和转矩，进而改变风力机的负载，调整风力机运行，完成风力机的最大功率的追踪。第一转速转矩传感器6的作用是检测风机输出轴的转速转矩作为反馈信号，以便PC上位机完成对第一电机8的闭环控制。

比例流量阀7、第一热交换器10、第二电机11、第二转速转矩传感器12、涡旋复合机13、储气装置14、第二气体检测装置15、第二热交换器16、蓄热器17、单向阀18、第一气体检测装置19和气路20；构成了压缩空气储能释放一体化子系统，系统根据涡旋复合机13的压缩或者膨胀的不同工作状态分为两种情况：当涡旋复合机13工作在压缩状态时，高温高压空气沿着气路20首先到达换热器16中，与蓄热器17中循环的冷媒进行热交换，热量被带入蓄热器17中，之后常温的高压空气进入储气装置14储存；当涡旋复合机13工作在膨胀状态时，来自储气装置14的高压空气沿着气路20通过比例流量阀7在换热器10中接受来自蓄热器17的热能预热，之后到达涡旋复合机13膨胀做功，带动电机11发电。其中蓄热器17通过两条循环管路与换热器10和16相连，不仅可以将压缩时储存的气体热量回馈给膨胀气体，减少压缩的热能损失，还可配以其他热交换设备和管路，用来制取生活用热水等其他用途。显著的拓展了能量利用方式，实现能量梯级利用，提高系统能量利用率。第一气体检测装置15和第二气体检测装置19的作用是检测气路20内空气的压力、温度、和流量，反馈系统实际工作状态，为PC上位机确定运行工况提供依据。同时闭环控制涡旋复合机13的转速和比例流量阀7的开度，从而使压缩空气储能释放一体化子系统可以实时工作在优化的效率区间内。

连接风力发电子系统和压缩空气储能释放一体化子系统的关键结构为第一电机8、电控离合器9、第二电机11组成的动力系统。系统可以根据不同风机工作环境和负载需求，灵活选择以下多种工作模式:

当风机功率正好满足负载需求时，PC上位机发出指令使电控离合器9分离，第一电机8发电，第二电机11停止。同时根据风速大小、风机运行曲线和第一转速转矩传感器6的反馈信号，PC上位机计算第一变流器2的给定控制信号，调节第一电机8和风机运行情况，实现风机最大功率跟踪。对于高频电能的波动可以通过蓄电池和超级电容进行平抑。

当风机功率远大于负载需求时，系统可以两种压缩空气储能方式运行：一种方式使用电能带动涡旋复合机压缩空气储能，首先电控离合器9分离，风力机1带动第一电机8发电，第二电机11电动带动涡旋复合机13，此时第一电机8发出的电能经过第一变流器2、直流母线和第二变流器5，被第二电机11消耗，超过负载需求的多余电能转换成压缩空气储能，PC上位机控制第一电机8和第二电机11的原则是保证风机最大功率跟踪，并且根据气路20内空气的压力、温度、和流量等参数和涡旋复合机13运行曲线，优化压缩空气效率；另一种方式是首先通过第二电机11以电动模式拖动涡旋复合机13运转，当涡旋复合机13与第一电机8转速相同之后，将电控离合器9吸合，PC上位机在保证第二电机11与第一电机8转速相同的前提下，协调控制二者的转矩，使风机轴上多余的能量以机械能的方式传递到涡旋复合机13进行压缩空气储能。第一种方式中风力机1的捕获的机械能在压缩空气储能时需要经过电能的中间环节进行转化，效率受到损失，但风力机1和涡旋复合机13运行互不干扰，控制简单，可同时实现风机最大功率跟踪和涡旋复合机13的效率优化。第二种方式中风机和涡旋机的结合方式巧妙，机械冲击极小，既消除了结合时的能量损失，又延长了部件寿命，同时多余能量不再经电能环节转化，储能效率更高。

当风机功率远小于负载需求时，PC上位机发出指令使电控离合器9分离，风力机1带动第一电机8发电，通过第一变流器2调节第一电机8的转速，跟踪最大功率。同时，通过控制比例阀7的开度，使高压气体在气路20内经过第一热交换器加热后，进入涡旋复合机13膨胀做功，带动第二电机11发电，通过第二变流器5调节第二电机11的转速，跟踪膨胀最大效率。此模式下，电机发电互不干扰共同补足负载所需功率，做到系统效率最大化。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：包括风力机、电控离合器、第一电机、第二电机、涡旋复合机、气路、储气装置和PC上位机；其中，风力机与第一电机一端轴连，构成风力发电子系统；第二电机与涡旋复合机轴连，涡旋复合机的气口通过气路与储气装置相连，构成压缩空气储能释放一体化子系统；所述第一电机和第二电机轴都是两端引出，电控离合器将第一电机和第二电机进行轴连，将风力发电子系统和压缩空气储能释放一体化子系统结合起来。

2.如权利要求1所述的压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：所述风力机与第一电机的连接轴上设置有第一转速转矩传感器用以获得第一发电机的转矩转速；所述第二电机与涡旋复合机的连接轴上设置有第二转速转矩传感器用以获得第二电机的转矩转速。

3.如权利要求1所述的压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：所述气路上装有第一气体检测装置和第二气体检测装置，各自包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，第一气体检测装置用以检测涡旋复合机气口的气体压力、流量和温度，第二气体检测装置用以检测储气装置的气体压力、流量和温度。

4.如权利要求1所述的压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：所述气路上连接有第一热交换器、蓄热器、第二热交换器、单向阀和比例控制阀，分为两条气路；一条是压缩气路，涡旋复合机压缩产生的高压气体经过单向阀和第一换热器进入储气装置；另一条是膨胀气路，储气装置内的高压气体经过比例控制阀和第二换热器进入涡旋复合机膨胀后释放。

5.如权利要求1所述的压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：所述第一电机和第二电机的定子绕组分别连接第一变流器和第二变流器，变流器之间通过直流母线连接，变流器通过各自的驱动器控制，驱动器的控制信号通过PC上位机改变。

6.如权利要求5所述的压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，其特征是：所述直流母线上连接有蓄电池、超级电容和用电负载。