一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法
【专利摘要】本发明提供一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，针对压缩空气储能系统工作在电机态或发电态模式下，对压缩空气储能系统中的蓄能子系统和发电子系统进行建模；蓄能子系统包括电动机机电暂态模型和空气压缩机模型，所述发电子系统包括发电机机电暂态模型和燃气透平机模型。本发明突破了现有电力系统仿真分析中无法考虑压缩空气储能系统的限制，可模拟空气压缩机利用电网富余电能压缩空气做功以及高压气体膨胀做功向电网发电两种不同工况，并可反映电力系统突发故障以及压缩空气储能系统技术指标突变情况下的系统响应，建模方法通用性强、实现简单、计算精度高，为研究压缩空气储能系统的特性提供了基础性平台，有利于工程实际应用。
【专利说明】—种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法。
【背景技术】
[0002]压缩空气储能系统(Compressed-Air Energy Storage, CAES)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。它利用电网的富余电力驱动空气压缩机工作，通过压缩空气储存多余的能量，在电网需要电力时，再将高压空气释放通过膨胀机透平做功发电。自从1949年Stal Laval提出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来，国内外学者开展了大量的研究和实践工作，并已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行。我国对CAES的研究起步较晚，但随着电力储能需求的快速增长，相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视，但目前该类研究大多集中在理论和小型实验层面，还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。
[0003]目前，国内外关于CAES的仿真建模研究具备了一定的基础，但这些建模更多考虑储能系统内部机械、气流等介质的稳态或动态过程，关注于其热力学上的特性，而CAES应用于电力系统分析中的仿真建模研究开展得还不够深入，相关模型在各电力系统分析工具中也未见应用。当CAES并网运行之后，其与电力系统之间的相互影响，需要通过建立相关的数学模型进行仿真分析。因此，寻求用于电力系统仿真分析的CAES建模方法，是压缩空气储能研究的一个重要方向。
[0004]CAES是在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在矿井、山洞、储气罐、储气井等中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。CAES是一种可以调峰填谷，快速响应负荷变化，具有较好调荷、调频能力，亦可作为事故备用的电力储能方式。针对CAES用于电力系统的工程实际，需要仿真CAES与电力系统之间相互影响、分析系统安全稳定特性的问题，提出用于电力系统机电暂态仿真分析的CAES建模方法，实施简单，易于工程实现。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，突破了现有电力系统仿真分析中无法考虑压缩空气储能系统的限制，可模拟空气压缩机利用电网富余电能压缩空气做功以及高压气体膨胀做功向电网发电两种不同工况，并可反映电力系统突发故障以及压缩空气储能系统技术指标突变情况下的系统响应，建模方法通用性强、实现简单、计算精度高，为研究压缩空气储能系统的特性提供了基础性平台，有利于工程实际应用。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0007]本发明提供一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，针对所述压缩空气储能系统工作在电机态或发电态模式下，对所述压缩空气储能系统中的蓄能子系统和发电子系统进行建模；所述蓄能子系统包括电动机机电暂态模型和空气压缩机模型，所述发电子系统包括发电机机电暂态模型和燃气透平机模型；所述方法包括以下步骤:
[0008]步骤1:建立电动机/发电机机电暂态模型；
[0009]步骤2:建立空气压缩机模型；
[0010]步骤3:建立燃气透平机模型。
[0011]所述步骤I中，设滑差为S，根据s的正负决定压缩空气储能系统的工作模式，有s为正值时，电机作为电动机运行;s为负值时电机作为发电机运行；
[0012]电动机机电暂态模型或发电机机电暂态模型如下:
【权利要求】
1.一种基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，其特征在于:针对所述压缩空气储能系统工作在电机态或发电态模式下，对所述压缩空气储能系统中的蓄能子系统和发电子系统进行建模；所述蓄能子系统包括电动机机电暂态模型和空气压缩机模型，所述发电子系统包括发电机机电暂态模型和燃气透平机模型；所述方法包括以下步骤: 步骤1:建立电动机/发电机机电暂态模型； 步骤2:建立空气压缩机模型； 步骤3:建立燃气透平机模型。
2.根据权利要求1所述的基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，其特征在于:所述步骤I中，设滑差为S，根据s的正负决定压缩空气储能系统的工作模式，有s为正值时，电机作为电动机运行；s为负值时电机作为发电机运行； 电动机机电暂态模型或发电机机电暂态模型如下:
3.根据权利要求1所述的基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，其特征在于:所述步骤2中，空气压缩机输出的机械轴功率用Pm'表示，其表达式为:
P: = 16.745PlQk/(k-l) [(P2/Pl) (k^1)/k-l]/ η (9) 其中，P1S空气压缩机进气压力，取大气压；ρ2为空气压缩机排气压力；k为空气比热t匕，取1.4 ; η为空气压缩机效率；Q为空气压缩机排气量，其与转子转速成正比，表示为:
Q = Ii1 (l-s)w (10) 其中，w为转子转速，Ii1为空气压缩机排气量对转子转速的比例系数。
4.根据权利要求1所述的基于机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，其特征在于:所述燃气透平机输出的机械轴功率用Pm"表不，其表达式为:
P/7 = 1.3 (fff-0.23) + (l-w)/2 (11) 其中，Wf为燃料流量。
【文档编号】G06F17/50GK103699755SQ201410005091
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】夏天, 何蕾, 田芳, 安宁, 金逸, 费益军 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 江苏省电力公司