一種小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法，特別是一種小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)及 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著環(huán)境污染與能源危機的影響越來越大，以風能、太陽能等為代表的可再生分 布式發(fā)電系統(tǒng)最近十年得到了長足的進步，已經成為了世界各國能源領域的發(fā)展方向。但 新能源分布式發(fā)電具有周期性、間歇式和不穩(wěn)定性的特點，直接連接電網具有較大的沖擊 性，需要通過微網的形式來實現更好的利用。因此，需要結合能量存儲單元來降低新能源微 網的波動性，增強其穩(wěn)定性。壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一種能夠實現大容量和長時間電能存儲 的電力儲能系統(tǒng)。它通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時將高壓空氣釋放，通過膨脹機 做功發(fā)電。隨著電力負荷峰谷比快速增加、可再生能源特別是風力發(fā)電的迅猛發(fā)展，壓縮空 氣儲能系統(tǒng)的研宄已得到了高度重視。目前華北電力大學正在進行壓縮空氣蓄能系統(tǒng)熱力 性能計算與優(yōu)化及其經濟性分析的研宄；西安交通大學進行了冷、電、熱聯供的新型壓縮空 氣儲能的相關研宄；哈爾濱電力部門和中石油等也有很多儲氣方面的研宄和成果。
[0003] 現有的壓縮空氣蓄能技術主要不足包括以下幾個方面：
[0004] 1、已建成的壓縮空氣儲能電站，是以底下洞穴為容器的大容量儲能電站，實現電 網的削峰填谷功能。對于小型分布式發(fā)電或者以單位、社區(qū)為單位的小型儲能設備，目前壓 縮空氣儲能技術很少涉及。
[0005] 2、壓縮空氣儲能電站在釋放能量的時候，一般與燃氣輪機發(fā)電相結合。利用壓縮 空氣結合燃料進行燃燒，產生高壓高溫空氣推動燃氣輪機做工，再帶動發(fā)電機發(fā)電。這種模 式需要結合天然氣、甲烷燃氣，對于資源貧乏的地區(qū)就有很大的局限性。
[0006] 3、壓縮空氣儲能電站，壓縮空氣用的電動機及發(fā)電用的發(fā)電機一般都是兩套獨立 的設備，在大型發(fā)電站中電機占的成本、體積較少。而對于小型或者微型的壓縮空氣儲能設 備，兩套獨立的電機在成本、體積、維護等方面都會增加。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明的目的是要提供一種結構合理、體積小、效率高，可以為電力系統(tǒng)及方法提 供削峰填谷的小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法。
[0008] 為實現上述目的：本發(fā)明的小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法，儲能系統(tǒng)的儲能裝置 包括：控制器、氣動馬達、壓縮機、開關磁阻電動/發(fā)電機、調節(jié)閥和儲氣罐；控制器的輸出 端分別與氣動馬達、壓縮機、開關磁阻電動/發(fā)電機和調節(jié)閥的控制輸入端連接，分別控制 氣動馬達、壓縮機、開關磁阻電動/發(fā)電機和調節(jié)閥的打開或關閉；壓縮機的輸出端經過調 節(jié)閥與儲氣罐的輸入端連接，儲氣罐的輸出端經過調節(jié)閥與氣動馬達的輸入端連接，氣動 馬達、壓縮機的輸入輸出軸與開關磁阻電動/發(fā)電機的輸入輸出軸同軸轉動。
[0009] 所述的控制器包括：DSP控制器、傳感器、電壓電流調理電路、調節(jié)閥開度控制模 塊、繼電器輸入輸出模塊、觸摸屏控制模塊、報警指示模塊、通信模塊、電機控制模塊；DSP 控制器的輸出端分別通過調節(jié)閥開度控制模塊和電機控制模塊分別與調節(jié)閥和開關磁阻 電動/發(fā)電機連接；DSP控制器與繼電器輸入輸出模塊連接，DSP控制器的輸出端與報警指 示模塊連接；觸摸屏控制模塊與DSP控制器的輸入端連接，傳感器通過電壓電流調理電路 與DSP控制器的輸入端連接，所述的傳感器為：空氣壓力傳感器、空氣流量傳感器、閥門位 置傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、轉速傳感器和轉矩傳感器；DSP控制器通過通信模塊 與遠程監(jiān)控實現遠程序通信。
[0010] 所述的儲能方法包括：開關磁阻電動/發(fā)電機雙功能電機的控制方法、壓縮過程 中電機跟蹤優(yōu)化壓縮轉速曲線的自適應控制方法、發(fā)電過程中控制壓力閥門使得發(fā)電轉速 跟蹤優(yōu)化發(fā)電轉速的自適應控制方法；
[0011] 所述的開關磁阻電動/發(fā)電機雙功能電機的控制方法：在壓縮空氣儲能時，開關 磁阻電動/發(fā)電機帶動空氣壓縮機，將電能轉換成機械能，再將機械能轉換成尚壓空氣存 儲到儲氣罐中，完成儲能；在壓縮空氣釋放能量時，高壓空氣釋放帶動氣動馬達轉動，氣動 馬達再帶動開關磁阻電動/發(fā)電機發(fā)電運行，將存儲能量轉換為電能輸出；控制器根據上 級控制系統(tǒng)的要求，對儲能系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控，對整個儲能系統(tǒng)中氣動馬達、壓縮機、開 關磁阻電動/發(fā)電機、調節(jié)閥的單獨控制，在儲能、發(fā)電的時候切換各個單元合適的狀態(tài)， 在系統(tǒng)故障時及時發(fā)出警告。
[0012] 所述的壓縮過程中電機跟蹤優(yōu)化壓縮轉速曲線的自適應控制方法：首先根據儲氣 罐的特性獲得效率優(yōu)先的最佳壓縮轉速特性曲線，并將該曲線作為壓縮過程轉速跟蹤目標 函數；將實際測得的實時轉速與目標函數進行比較，獲得轉速偏差；轉速偏差以及轉速偏 差的導數輸入到滑模控制器里面進行處理，最終輸出電機的控制信號對開關磁阻電動/發(fā) 電機轉速進行控制，削減轉速偏差，使得開關磁阻電動/發(fā)電機轉速跟蹤目標函數，獲得最 優(yōu)的轉速特性曲線；滑模變結構控制器可以快速的跟蹤目標曲線，具有良好的魯棒性能。
[0013] 所述的發(fā)電過程中控制壓力閥門使得發(fā)電轉速跟蹤優(yōu)化發(fā)電轉速的自適應控制 方法：首先通過氣動馬達與發(fā)電機的選型、參數獲取氣動馬達與開關磁阻電動/發(fā)電機優(yōu) 化的效率、轉速、功率之間的特性曲線；通過數據分析，獲取優(yōu)化的發(fā)電轉速、效率曲線，作 為發(fā)電目標轉速曲線；轉速偏差采用滑模PI的控制方法進行削減；在轉速偏差較大的時 候，采用滑模控制器，使得轉速偏差盡快的減小；在轉速偏差較小的時候，采用PI的控制方 法，使得發(fā)電轉速穩(wěn)定的跟蹤目標轉速；通過控制的調整輸出實際對壓力調節(jié)閥的控制信 號，調整