先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制方法及装置与流程

本发明涉及压缩空气储能技术领域，更具体地，涉及先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制方法及装置。

背景技术：

风电出力的随机性、间歇性和波动性特点给电力系统的安全稳定运行带来严峻挑战，日益严重的弃风问题严重阻碍了其健康持续发展。为风电场配置一定容量的储能，以风储协同的方式并网运行可提高风电的可调度性、降低弃风率和系统运行成本。先进绝热压缩空气储能(advancedadiabaticcompressedairenergystorage，aa-caes)具有存储容量大、使用寿命长、响应速度快、变工况运行范围宽等优点，是解决弃风问题、实现能量大规模时空转移、推动能源清洁化转型的重要技术手段。aa-caes系统涉及气动、热动、电动等多物理过程的动态耦合，能量转化过程复杂，且为适应风功率的大幅波动需频繁在非额定工况下运行。当实际运行点偏离设计值时，压缩机和透平的等熵效率、换热器的效能等将受较大影响。

风储系统运行优化策略的制定依赖于所用模型。现有研究或未计及aa-caes系统实际存在的压力、流量、功率等运行约束，或未充分考虑非额定工况下储能系统动态效率的影响，这种简单处理难以准确反映aa-caes系统实际的运行状态，按照据此得出的优化策略对aa-caes系统进行控制也难以保证系统安全高效运行。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制方法及装置。

第一个方面，本发明实施例提供一种先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制方法，所述系统包括沿进气方向依次设置的压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统，所述控制方法包括：

采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值；

根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值；

其中，所述目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成

第二个方面，本发明实施例提供一种先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制装置，所述系统包括压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统，所述控制装置包括：

采集指令模块，用于采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值；

协调控制模块，用于根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值；

其中，所述目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的先进绝热压缩空气储能系统的风储协调控制方法及装置，以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建目标模型，通过协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值，尽可能地增加储气库中的利用效率，实现风储系统安全高效并网运行的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的aa-caes系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的aa-caes系统的风储协调控制方法的流程示意图；

图3为根据本发明实施例提供的压缩机的稳定工作范围的示意图；

图4为根据本发明另一个实施例提供的aa-caes系统的结构示意图；

图5为根据本发明实施例提供的aa-caes系统的风储协调控制装置的结构示意图；

图6为根据本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性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。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种aa-caes系统的风储协调控制方法，其发明构思为：以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建目标模型，通过协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值，尽可能地增加储气库中的空气的利用效率，实现风储系统安全高效并网运行的目的。

图1为根据本发明实施例提供的aa-caes系统的结构示意图，aa-caes系统包含沿进气方向依次设置的压缩子系统、储热子系统、储气库、发电子系统及相关辅助设备。如图1所示，电动机101、第一压缩机102、第一压缩侧换热器103、第二压缩机104和第二压缩侧换热器105共同构成压缩子系统，电动机101和两个压缩机同轴连接。低温储热罐106和高温储热罐107共同构成储热子系统，储热子系统的功能主要是为了存储压缩过程产生的热量，低温储热罐的输入端与两个压缩侧换热器的输出端连接，低温储热罐的输出端与两个发电侧换热器的输入端连接，高温储热罐的输入端与两个发电侧换热器的输出端连接，高温储热罐的输出端与两个压缩侧换热器的输入端连接。储气库8可为盐穴等天然储气空间或管线钢、储气罐等压力容器。第一发电侧换热器110、第一透平111、第二发电侧换热器113、第二透平114和发电机115共同构成发电子系统；两个透平和发电机同轴连接。第一导热油流量控制阀109和第二导热油流量控制阀112用于调节发电过程中导热油的流量，从而控制透平进气温度。

图2为根据本发明实施例提供的aa-caes系统的风储协调控制方法的流程示意图，如图2所示，包括：

s101、采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值。

可以理解的是，本发明实施例中压缩子系统中的压缩机在压缩过程中消耗的电功率与拖动电机的效率、压缩机的等熵效率、空气的质量流量和温度和压缩机的压缩比等运行状态数据相关。储气库是aa-caes系统中用于存储空气的装置，储气库的空气压力、温度以及换热损失等信息属于储热子系统的运行状态数据。发电子系统中发电机的效率、流经透平的空气的质量流量、透平入口的空气温度、透平的级数等数据则属于发电子系统需要实时采集的运行状态数据。储热子系统中的温度和导热油量等运行状态数据是对于风储协调控制重要的信息。在本发明实施例中，压缩子系统的功耗参考值和发电子系统输出功率参考值分别指示了压缩子系统和发电子系统的目标工作范围。

s102、根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值。

其中，目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成。

对于aa-caes系统来说，压缩机处于滑压运行模式，压缩过程压缩机消耗的电功率为：

为t时段压缩机的功耗；ηm为拖动电机的效率；ηc,t为t时段压缩机的等熵效率；为t时段流经压缩机的空气的质量流量；cp,a为空气的定压比热容；nc为压缩机的级数，为t时段第i级压缩机入口空气的温度；βc,i,t为t时段第i级压缩机的压缩比；κ为等熵指数。

近似考虑高压空气与储气库壁面换热造成的能量损失，对于储气空间为vst的储气库，其动态模型可由如下二阶微分方程描述：

分别为t时刻储气库内空气压力和质量的变化率；κ为等熵指数；rg为气体常数；为t时段流经压缩机的空气的质量流量；为t时段流经透平的空气的质量流量；tst,t、tw分别为t时刻储气库内空气的温度、进入储气库的空气的温度和储气库的壁面温度；heff为空气与储气库壁面的传热系数。

换热器采用逆流布置的管壳式换热器，当冷热流体的热容率相等时换热效果最佳，此种情况下换热器的出口温度为：

分别为t时段第i级换热器空气的进出口温度和导热油的进出口温度；εt为t时段换热器的效能。

为保证透平稳定高效运行，采用节流阀将从储气库排出的高压空气降低至某一稳定压力(通常为储气库运行压力下限)再经加热后进入透平，膨胀过程透平输出的电功率为：

式中，为t时段透平输出的电功率；ηg为发电机的效率；ηe,t为t时段透平的等熵效率；为t时段流经透平的空气的质量流量；cp,a为空气的定压比热容；ne为透平的级数；为t时段第i级透平入口空气的温度；βe,i,t为t时段第i级透平的膨胀比(βe,i,t>1)，κ为等熵指数。

在上述实施例的基础上，目标模型的表达式为：

minf＝f1+f2

其中，f为aa-caes系统的运行成本；f1为弃风惩罚成本；f2为aa-caes运行成本；t为优化的时间尺度；pw,t和pwd,t分别为风电场在t时段的最大出力和上网电量；kw为弃风惩罚系数；vc,t和vg,t分别对应压缩工况和发电工况，取值均为0或1变量，当压缩子系统启动时，vc,t为1，反之则为0；当发电子系统启动时，vg,t为1，反之则为0。μc和μg分别为压缩子系统和发电子系统的启停成本；πt为t时段的上网电价，和分别为压缩子系统在t时段的功耗和发电子系统在t时段的输出功率。

约束包括：

vc,t+vg,t≤1

|pst,t-pst,0|≤δpmax

其中，和分别为压缩子系统在t时段的功耗和发电子系统在t时段的输出功率；和分别为压缩子系统的最大和最小功耗；和分别为发电子系统的最大和最小输出功率；vc,t和vg,t分别对应压缩工况和发电工况，取值均为0或1变量；pwd,t为风电场在t时段的上网电量；pd,t为负荷功率；pst,0和pst,t分别为储气库初始时段和t时段的储气压力；为t时段储气库内空气压力的变化率；和分别为储气库运行压力的下限和上限；δpmax为调度结束后允许的最大储气压力偏移量。

本发明实施例的调控方法目的是使得运行总成本达到最小值，在接收到需求指令时，获知pw,t、pwd,t、vc,t以及vg,t，而kw、μc、μg和πt在计算之前可以预先计算出来，因此，计算f的重点即落在计算和

变工况运行时，压缩机的等熵效率受空气质量流量和转速的影响，具体表达式为：

透平的等熵效率受空气质量流量和进气温度的影响，具体表达式为：

式中，分别为压缩机等熵效率、空气质量流量和转速的标幺值；分别为透平等熵效率、空气质量流量和进气温度的标幺值。

将压缩机和透平的等熵效率的公式分别带入压缩子系统的功耗模型以及发电子系统的功率模型中，实现了将压缩子系统的转速、进气空气质量以及压缩子系统的功耗进行关联，以及将发电子系统的进气空气质量流量、进气温度、发电子系统的输出功率以及排气空气质量流量进行关联。

压缩子系统的功耗通过以下公式计算：

其中，ηm为拖动电机的效率；ηc,t为t时段压缩机的等熵效率；为t时段流经压缩机的空气的质量流量；cp,a为空气的定压比热容；nc为压缩机的级数；为t时段第i级压缩机入口空气的温度；βc,i,t为t时段第i级压缩机的压缩比；κ为等熵指数；和分别为压缩子系统的进气空气质量流量和转速的标幺值。

发电子系统的功率通过以下公式计算：

ηg为发电机的效率；ηe,t为t时段透平的等熵效率；为t时段流经透平的空气的质量流量；cp,a为空气的定压比热容；ne为透平的级数；为t时段第i级透平入口空气的温度；βe,i,t为t时段第i级透平的膨胀比(βe,i,t>1)，κ为等熵指数；和分别为透平子系统的进气空气质量流量和进气温度的标幺值。

图3为根据本发明实施例提供的压缩机的稳定工作范围的示意图，压缩机实际运行时受喘振工况和阻塞工况的限制，在这两种工况之间的区域为压缩机的稳定工作范围。为保证安全运行，压缩机必须留有足够的喘振裕度并使实际工作点尽可能远离喘振线。

本发明实施例喘振裕度设定为18％。考虑到压缩机转速低于额定转速的80％时，压缩机的等熵效率会随空气流量的降低而急剧下降；当转速达到额定转速的105％时，空气流量的变化将对压比有显著影响，本发明中压缩机的转速调节范围为80％～100％，压缩子系统的最大和最小功耗分别为压缩子系统的额定功率和压缩子系统的额定功率的70％。为了发出工频交流电，透平发电机始终在额定转速运行。由于透平没有喘振和阻塞工况的限制，本发明实施例中透平的功率调节范围设定为30％～100％，即发电子系统的最大和最小输出功率分别为发电子系统的额定功率和发电子系统的额定功率的30％。

压缩机变工况运行时，工况调整的原则是：在满足喘振裕度要求的前提下，控制压缩机的转速和流量，使其在最大效率点运行，为简化对透平发电机的控制，以图1所示的实施例为例，通过调整第一导热油流量控制阀109和第二导热油流量控制阀112，调节发电过程中导热油的流量，控制阀的开度维持13/16发电侧换热器冷热流体的热容率相等，此时透平发电机也近似运行于最大效率点。

换热器的效能ε的表达式为：

式中，χ＝cmin/cmax表示两种流体的热容率的比值，ntu＝(ua)/cmin为换热单元数，是反应换热器结构和流体最小热容率的物理量。u是传热系数，a是传热面积。对于给定的换热器两者均为定值。

当偏离设计工况时，换热器的效能ε会加速下降，这一特性对释能发电环节的影响主要体现为降低透平的进气温度进而影响发电量；对压缩储能环节而言，除减少回收的压缩热外，二级压缩机的功耗也会因进气温度的升高而增大。

考虑到以上因素的影响，图4为根据本发明另一个实施例提供的aa-caes系统的结构示意图，如图4所示，包括：电动机201、第一压缩机202、第一压缩侧换热器203、第一冷却器204、第二压缩机205、第二压缩侧换热器206、第二冷却器207、冷水塔208共同构成压缩子系统，其中第一冷却器204、第二冷却器207以及冷水塔共同构成压缩子系统中的冷却装置，风储协调控制方法还包括：协调控制所述冷却装置，以维持压缩子系统中的二级压缩机以及储气库的进气温度恒定。电动机201和两个压缩机同轴连接。低温储热罐209和高温储热罐210共同构成储热子系统。储气库211可为盐穴等天然储气空间或管线钢、储气罐等压力容器。第一发电侧换热器213、第一透平214、第二发电侧换热器216、第二透平217和发电机218共同构成发电子系统；两个透平和发电机同轴连接。第一导热油流量控制阀212和第二导热油流量控制阀215用于调节发电过程中导热油的流量，从而控制透平进气温度。本发明实施例的aa-caes系统在压缩级换热器后增加由冷却器和冷水塔构成的冷却装置，以维持二级压缩机以及储气库的进气温度恒定。

图5为本发明实施例提供的aa-caes系统的风储协调控制装置的结构示意图，如图5所示，该装置包括：采集指令模块501和协调控制模块502，其中：

采集指令模块501用于采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值。

可以理解的是，本发明实施例中采集指令模块采集压缩机在压缩过程中消耗的电功率与拖动电机的效率、压缩机的等熵效率、空气的质量流量和温度和压缩机的压缩比等运行状态数据。储气库是aa-caes系统中用于存储空气的装置，储气库的空气压力、温度以及传热损失等信息属于储热子系统的运行状态数据。发电子系统中发电机的效率、流经透平的空气的质量流量、透平入口的空气温度、透平的级数等数据则属于发电子系统需要实时采集的运行状态数据。储热子系统中的温度和导热油量等运行状态数据是对于风储协调控制重要的信息。在本发明实施例中，压缩子系统的功耗参考值和发电子系统输出功率参考值分别指示了压缩子系统和发电子系统的目标工作范围。

协调控制模块502，用于根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值。

其中，目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成。

本发明实施例提供的风储协调控制装置，具体执行上述各风储协调控制方法实施例流程，具体请详见上述各风储协调控制方法实施例的内容，在此不再赘述。本发明实施例提供的风储协调控制装置能够实现压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值，尽可能地增加储气库中的利用效率，实现风储系统安全高效并网运行的目的。

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(communicationsinterface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储在存储器630上并可在处理器610上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的风储协调控制方法方法，例如包括：采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值；根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值；其中，目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的风储协调控制方法，例如包括：采集压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的实时运行状态数据；接收需求指令，获知压缩子系统的功耗参考值和发电子系统的输出功率参考值；根据预先构建的目标模型协调控制压缩子系统的转速和发电子系统的进气空气质量流量和进气温度，以使得在压缩子系统的功耗符合功耗参考值以及发电子系统的输出功率符合输出功率参考值的情况下，压缩子系统的进气空气质量流量达到最大值，发电子系统的排气空气质量流量达到最小值；其中，目标模型以最小化aa-caes系统的运行成本为目标，以压缩子系统、储热子系统、储气库和发电子系统的运行状态数据为约束构建而成。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。