一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統及其控制方法，系統包括間歇式發電電源、能量控制模塊、能量轉換模塊、渦旋式復合機和儲氣裝置，其中，間歇式發電電源連接能量控制模塊，能量控制模塊連接動力機，動力機連接能量轉換模塊，能量轉換模塊通過離合器連接壓縮氣體，渦旋式復合機通過高壓氣路連接儲氣裝置；能量控制模塊同時與電網負荷連接，能量控制模塊采集間歇式發電電源的發電功率和電網負荷，根據二者差值判斷儲能系統充放電狀態；本發明利用響應速度快的飛輪儲能設備進行充放電操作，當飛輪儲能設備的SOC達到設定值時，啟動壓縮空氣儲能設備，配合飛輪儲能一起實現充放電，實現分布式發電系統充放電要求的快速響應。
【專利說明】-種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及將風能、太陽能等分布式能源轉化為壓縮空氣勢能和動能存儲的混合 儲能裝置，尤其設及一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 能源是人類生存和發展的重要物質基礎，攸關國計民生和國家安全，亦是科技創 新服務與應用的首要領域。高效、清潔、低碳的新能源發電已經成為當今世界能源發展的主 流方向。目前電力供應系統正趨向于跨地區甚至跨國聯網，實行全天候供電；多種間歇式能 源如風能、太陽能大量接入系統。然而供電與用電總是不匹配，尤其在深夜，過剩電力"大放 空"幾乎無法避免間歇式能源的大比例接入更是加劇了該種形勢；風力發電、太陽能發電等 分布式發電方式，其電能輸出由于風速的波動、光照強度波動等因素而具有隨機性和波動 性的特點，間歇式能源的接入對電網穩定造成沖擊。為改變該個局面，人們弾思竭慮地尋找 蓄能"蓄電"方法，比如化學儲能、物理儲能等等；卻由于能效低、壽命短、環保成本高等原因 而難W可持續發展；各種的蓄電池（包括超級電容），其蓄能密度和壽命比我們的要求低了 1?2個數量級，電力系統渴望發明一種高密度、長壽命、快響應、無污染且價格合理的儲能 系統。
[0003] 現有改進型的儲能設備有如壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。壓縮空氣儲能利用風機 驅動空壓機，將空氣壓入高壓氣罐、巖洞等容器，將風能轉化為壓縮空氣勢能存儲。壓縮空 氣儲能具有環境污染小，使用壽命長，能量密度大，無相變損失等優點，在大時間尺度上可 解決間歇式能源供需不匹配的矛盾，但壓縮空氣儲能工作條件是空壓機出氣口壓力大于儲 氣瓶中氣壓，為了保證空壓機工作，就要求環境風速大于最低工作風速，限制了低風速的利 用，同時壓縮空氣儲能作為一種容量型儲能設備，其存在系統響應慢的缺點，平抑波動的能 力較差。飛輪儲能利用風機驅動電機，帶動飛輪旋轉將風能轉化為動力勢能。該些儲能設 備具有功率密度大，瞬時響應速度快，維護費用低等優點，可用于平抑秒級的功率波動，且 響應速度較快，而飛輪儲能作為一種功率型儲能設備，又存在系統容量小的缺點，在大功率 應用場合，需要疊加應用，增大了使用成本。市面上現有的儲能設備沒有一種兼具較大的能 量密度同時又有較大功率密度，該限制了儲能設備的應用。
[0004] 為解決上述矛盾，人們嘗試將容量型儲能設備和功率型儲能設備結合使用，現有 技術大多將壓縮空氣儲能系統與飛輪儲能系統通過電禪合的方式連接，當間歇式能源與電 網負荷需求不平衡時，根據供需差值，決定壓縮空氣儲能和飛輪儲能的輸入輸出功率。該種 電禪合方式的混合儲能系統，體現出了 "混合儲能"該一概念，吸收了飛輪儲能和壓縮空氣 儲能的優點，在不同時間尺度上平抑間歇式能源輸出功率波動。但電禪合方式由于其能量 轉換環節較多，系統的整體效率有所降低，同時并未解決壓縮空氣儲能啟動慢，狀態切換時 間長的問題。
[0005] 由于壓縮空氣儲能與飛輪儲能二者的蓄能和釋能形式相似，人們開始研究W其他 禪合方式將二者結合，W期解決壓縮空氣儲能響應速度的問題。發明專利《風力壓縮空氣 儲能系統》（專利號；201220187224)提出了一種機械禪合式混合儲能系統，風機通過無級 變速器驅動飛輪，飛輪通過離合器實現與空壓機的離合，風機通過無級變速器將采集的風 能傳遞給飛輪蓄能，飛輪和空壓機的合離分別實現驅動空壓機和飛輪再蓄能。上述設備通 過加入飛輪，解決了風力壓縮空氣時工作點變化過大的問題。但將飛輪與風機剛性連接，由 于飛輪具有較大的慣性，當風機轉軸和飛輪速度不匹配時，機械軸承受較大的扭矩，容易斷 裂。同時，飛輪的轉速直接由風速決定，雖然加速了無級變速器，但飛輪的轉速控制還是不 夠靈活。
【發明內容】
[0006] 本發明為了解決上述問題，提出了一種W壓縮空氣儲能為主體、飛輪儲能系統為 輔助的混合儲能系統及其控制方法，本系統將飛輪儲能和壓縮空氣儲能W電磁禪合的方式 進行連接，可W有效抑制間歇性式發電輸出功率波動對電力系統的負面影響，同時又可降 低壓縮空氣儲能系統啟動延遲和狀態切換延時對整個系統響應速度的影響。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[000引一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，包括間歇式發電電源、能量控制模塊、能 量轉換模塊、禍旋式復合機和儲氣裝置，其中，間歇式發電電源連接能量控制模塊，能量控 制模塊連接動力機，動力機連接能量轉換模塊，能量轉換模塊通過離合器連接壓縮氣體，禍 旋式復合機通過高壓氣路連接儲氣裝置；能量控制模塊同時與電網負荷連接，能量控制模 塊采集間歇式發電電源的發電功率和電網負荷，根據二者差值判斷儲能系統充放電狀態。
[0009] 優選的，所述動力機為發電/電動機。
[0010] 優選的，所述能量轉換模塊為定轉子均可旋轉的電動機械，其轉子連接飛輪，內轉 子繞電樞繞組，通過滑環接入=相電，定子連接發電/電動機并通過離合器與禍旋式復合 機通過機械軸同軸相連。
[0011] 優選的，所述定子為永磁體，轉子繞有=相繞組的能量轉換模塊實現飛輪與機械 軸的電磁禪合。
[0012] 優選的，所述禍旋式復合機為禍旋式壓縮機，直接由機械軸驅動壓縮，并復用作為 膨脹機實現壓縮空氣膨脹做功。
[0013] 優選的，所述發電/電動機為多極電機。
[0014] 優選的，所述離合器兩側設有轉速傳感器。
[0015] 優選的，所述高壓氣路復用。
[0016] 基于上述系統的控制方法，具體方法為：
[0017] 采集并記錄能量轉換模塊的飛輪轉速Of大小所反映的不同荷電狀態和實時采集 發電功率偏離負載需求的差值作為控制目標庫的制定及檢索依據；設上下限轉速、余量系 數分別為《,_<1^、9，儲能系統所需吞吐總功率為1\^，飛輪充放電功率為口,壓縮空 氣儲能最大充放電功率為P^ES;飛輪存儲的動能為
【權利要求】
1. 一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：包括間歇式發電電源、能量控 制模塊、能量轉換模塊、渦旋式復合機和儲氣裝置，其中，間歇式發電電源連接能量控制模 塊，能量控制模塊連接動力機，動力機連接能量轉換模塊，能量轉換模塊通過離合器連接壓 縮氣體，渦旋式復合機通過高壓氣路連接儲氣裝置；能量控制模塊同時與電網負荷連接，能 量控制模塊采集間歇式發電電源的發電功率和電網負荷，根據二者差值判斷儲能系統充放 電狀態。
2. 如權利要求1所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述動力 機為發電/電動機。
3. 如權利要求1所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述能量 轉換模塊為定轉子均可旋轉的電動機械，其轉子連接飛輪，內轉子繞電樞繞組，通過滑環接 入三相電，定子連接發電/電動機并通過離合器與渦旋式復合機通過機械軸同軸相連。
4. 如權利要求3所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述定子 為永磁體，轉子繞有三相繞組的能量轉換模塊實現飛輪與機械軸的電磁耦合。
5. 如權利要求2所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述渦旋 式復合機為渦旋式壓縮機，直接由機械軸驅動壓縮，并復用作為膨脹機實現壓縮空氣膨脹 做功。
6. 如權利要求1所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述發電/ 電動機為多極電機。
7. 如權利要求1所述的一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統，其特征是：所述離合 器兩側設有轉速傳感器。
8. 如權利要求1-7中任一項所述的系統的控制方法，其特征是：具體方法為： 采集并記錄能量轉換模塊的飛輪轉速〇^大小所反映的不同荷電狀態和實時采集發電 功率偏離負載需求的差值作為控制目標庫的制定及檢索依據；設上下限轉速、余量系數分 別為wf_uppCT、wf_d_、P，儲能系統所需吞吐總功率為PMg，飛輪充放電功率為Pf壓縮空氣儲 能最大充放電功率為PeAES;飛輪存儲的動能為
式中：Jf是飛輪轉動慣量，《 〇是飛輪當前角速度，《m是飛輪最低角速度； 能量控制模塊根據當前功率差值決定儲能系統工作于儲能狀態還是釋能狀態。
9. 如權利要求8所述的控制方法，其特征是：當采集的發電功率大于負載需求功率時， 多余的電量進入能量控制模塊，能量控制模塊控制飛輪儲能和壓縮空氣儲能蓄能狀態包括 三種蓄能狀態： 蓄能狀態1 : ?f<P? f_upp"，離合器斷開，切除壓縮空氣儲能系統，發電/電動機工作在 電動機模式，系統按所需存儲功率以恒功率方式對飛輪充電； 蓄能狀態2 :p?fuppCT< ? f< ?fuppOT，發電/電動機工作在電動機模式，通過能量轉 換模塊帶動飛輪以恒功率PMf吸收功率；離合器閉合，發電/控制壓縮空氣儲能恒功率PeAES 充電，避免飛輪超倍率充電，飛輪充電功率為PMf =PMg_PCAES; 蓄能狀態3 : ?f> ?fupp"，發電/電動機工作在電動模式，通過能量轉換模塊帶動飛輪 以恒功率PMf釋放功率，離合器閉合，壓縮空氣儲能設備接入系統，控制壓縮空氣儲能系統 充電功率匕咖吸收功率，且PCAES>Preg，從而飛輪放電功率為Pref =PCAES-Preg，直至《f =p?f UPPCT，轉入蓄能狀態2。
10.如權利要求8所述的控制方法，其特征是：當采集的發電功率小于負載需求功率 時，能量控制模塊控制飛輪儲能和壓縮空氣儲能釋能補償負載需求，釋能狀態如下： 釋能狀態1 : ?f>P?f_uppCT，發電/電動機工作在發電機模式，離合器斷開切除壓縮空 氣儲能，飛輪輸出功率為PMf=PMg; 釋能狀態2 : w f_d_< Uf<p wf_uppw，尚合器吸合，壓縮空氣儲能設備接入儲能系統，能 量控制模塊控制壓縮空氣儲能恒功率PeAES放電，飛輪放電補償功率缺額PMf=PMg_PeAES; 釋能狀態3 :wf<of_d_，尚合器閉合，壓縮空氣儲能設備接入儲能系統，能量控制豐旲 塊控制壓縮空氣儲能恒功率PeAES放電，控制壓縮空氣儲能系統放電功率PeAES>PMg，則飛輪按 Praf=PcMS-PMg恒功率充電，直至直至Wf=PWf_uppel，轉入釋能狀態2。
【文檔編號】H02J3/30GK104485677SQ201410797264
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優先權日:2014年12月19日
【發明者】張承慧, 李珂, 馬昕, 呂偉龍 申請人:山東大學