一种小型压缩空气储能系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压缩空气储能系统及方法，特别是一种小型压缩空气储能系统及 方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境污染与能源危机的影响越来越大，以风能、太阳能等为代表的可再生分 布式发电系统最近十年得到了长足的进步，已经成为了世界各国能源领域的发展方向。但 新能源分布式发电具有周期性、间歇式和不稳定性的特点，直接连接电网具有较大的冲击 性，需要通过微网的形式来实现更好的利用。因此，需要结合能量存储单元来降低新能源微 网的波动性，增强其稳定性。压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间电能存储 的电力储能系统。它通过压缩空气储存多余的电能，在需要时将高压空气释放，通过膨胀机 做功发电。随着电力负荷峰谷比快速增加、可再生能源特别是风力发电的迅猛发展，压缩空 气储能系统的研宄已得到了高度重视。目前华北电力大学正在进行压缩空气蓄能系统热力 性能计算与优化及其经济性分析的研宄；西安交通大学进行了冷、电、热联供的新型压缩空 气储能的相关研宄；哈尔滨电力部门和中石油等也有很多储气方面的研宄和成果。
[0003] 现有的压缩空气蓄能技术主要不足包括以下几个方面：
[0004] 1、已建成的压缩空气储能电站，是以底下洞穴为容器的大容量储能电站，实现电 网的削峰填谷功能。对于小型分布式发电或者以单位、社区为单位的小型储能设备，目前压 缩空气储能技术很少涉及。
[0005] 2、压缩空气储能电站在释放能量的时候，一般与燃气轮机发电相结合。利用压缩 空气结合燃料进行燃烧，产生高压高温空气推动燃气轮机做工，再带动发电机发电。这种模 式需要结合天然气、甲烷燃气，对于资源贫乏的地区就有很大的局限性。
[0006] 3、压缩空气储能电站，压缩空气用的电动机及发电用的发电机一般都是两套独立 的设备，在大型发电站中电机占的成本、体积较少。而对于小型或者微型的压缩空气储能设 备，两套独立的电机在成本、体积、维护等方面都会增加。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是要提供一种结构合理、体积小、效率高，可以为电力系统及方法提 供削峰填谷的小型压缩空气储能系统及方法。
[0008] 为实现上述目的：本发明的小型压缩空气储能系统及方法，储能系统的储能装置 包括：控制器、气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机、调节阀和储气罐；控制器的输出 端分别与气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的控制输入端连接，分别控制 气动马达、压缩机、开关磁阻电动/发电机和调节阀的打开或关闭；压缩机的输出端经过调 节阀与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端经过调节阀与气动马达的输入端连接，气动 马达、压缩机的输入输出轴与开关磁阻电动/发电机的输入输出轴同轴转动。
[0009] 所述的控制器包括：DSP控制器、传感器、电压电流调理电路、调节阀开度控制模 块、继电器输入输出模块、触摸屏控制模块、报警指示模块、通信模块、电机控制模块；DSP 控制器的输出端分别通过调节阀开度控制模块和电机控制模块分别与调节阀和开关磁阻 电动/发电机连接；DSP控制器与继电器输入输出模块连接，DSP控制器的输出端与报警指 示模块连接；触摸屏控制模块与DSP控制器的输入端连接，传感器通过电压电流调理电路 与DSP控制器的输入端连接，所述的传感器为：空气压力传感器、空气流量传感器、阀门位 置传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器和转矩传感器；DSP控制器通过通信模块 与远程监控实现远程序通信。
[0010] 所述的储能方法包括：开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法、压缩过程 中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法、发电过程中控制压力阀门使得发电转速 跟踪优化发电转速的自适应控制方法；
[0011] 所述的开关磁阻电动/发电机双功能电机的控制方法：在压缩空气储能时，开关 磁阻电动/发电机带动空气压缩机，将电能转换成机械能，再将机械能转换成尚压空气存 储到储气罐中，完成储能；在压缩空气释放能量时，高压空气释放带动气动马达转动，气动 马达再带动开关磁阻电动/发电机发电运行，将存储能量转换为电能输出；控制器根据上 级控制系统的要求，对储能系统的运行进行监控，对整个储能系统中气动马达、压缩机、开 关磁阻电动/发电机、调节阀的单独控制，在储能、发电的时候切换各个单元合适的状态， 在系统故障时及时发出警告。
[0012] 所述的压缩过程中电机跟踪优化压缩转速曲线的自适应控制方法：首先根据储气 罐的特性获得效率优先的最佳压缩转速特性曲线，并将该曲线作为压缩过程转速跟踪目标 函数；将实际测得的实时转速与目标函数进行比较，获得转速偏差；转速偏差以及转速偏 差的导数输入到滑模控制器里面进行处理，最终输出电机的控制信号对开关磁阻电动/发 电机转速进行控制，削减转速偏差，使得开关磁阻电动/发电机转速跟踪目标函数，获得最 优的转速特性曲线；滑模变结构控制器可以快速的跟踪目标曲线，具有良好的鲁棒性能。
[0013] 所述的发电过程中控制压力阀门使得发电转速跟踪优化发电转速的自适应控制 方法：首先通过气动马达与发电机的选型、参数获取气动马达与开关磁阻电动/发电机优 化的效率、转速、功率之间的特性曲线；通过数据分析，获取优化的发电转速、效率曲线，作 为发电目标转速曲线；转速偏差采用滑模PI的控制方法进行削减；在转速偏差较大的时 候，采用滑模控制器，使得转速偏差尽快的减小；在转速偏差较小的时候，采用PI的控制方 法，使得发电转速稳定的跟踪目标转速；通过控制的调整输出实际对压力调节阀的控制信 号，调整