一种利用绝热压缩空气储能实现电网调频的方法和系统

1.本发明属于电网调频领域，更具体地，涉及一种利用绝热压缩空气储能实现电网调频的方法和系统。


背景技术：

2.随着化石燃料的不断消耗与自然环境的持续恶化，以风电为代表的可再生能源得到了大规模的开发与应用。由于风电不具有自动实现频率响应的特性，因此给电网频率稳定性造成了巨大影响。因此，需要充分利用电网已有调频资源，并不断开发新调频资源以维持电网的频率稳定性。
3.现有电网一般采用火电机组进行调频，该方法通过火电机组调速器响应电网频率变化，从而实现电网调频。该方式已经在电网运行多年，并取得了令人满意的效果。但是，火电机组一般采用化石能源供能，近年来，随着化石能源的存量不断下架、全球能源危机的形势愈加严重、环境污染问题逐渐受到国际重视，电网中的火电机组比例不断降低，造成电网中的调频容量不断降低。a
‑
caes具有大容量、无污染、不需要化石能源等优点，可成为未来电网中重要的调频资源。
4.目前，关于a
‑
caes参与电网调频的研究尚处于初级阶段。虽然有学者研究a
‑
caes参与电网调频的方法，但这些方法未关注a
‑
caes在参与电网调频过程中的效率问题。换句话说，现有方法虽然能够使得a
‑
caes参与到电网调频，但是调频过程中流出换热器的空气温度t
sh
未进行有效控制，而一旦t
sh
较低，将直接影响a
‑
caes在调频过程中的效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用绝热压缩空气储能实现电网调频的方法和系统，其目的在于提高a
‑
caes在实现电网调频过程中的效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种利用绝热压缩空气储能实现电网调频的方法，包括：
7.s1.在绝热压缩空气储能运行于放电状态下时，根据电网频率变化状态，通过控制流入透平的空气压力p
a
调节发电机的发电机电磁功率p
g,e
，使电网频率恢复正常；
8.s2.通过控制热水质量流量m
w
，使得流出换热器的空气温度t
sh
始终跟踪流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
。
9.进一步地，步骤s1具体为，电网频率下降时，通过控制p
a
提高发电机的发电机电磁功率p
g,e
，减少频率下降幅度；电网频率上升时，通过控制p
a
减少发电机的发电机电磁功率p
g,e
，减少频率增加幅度。
10.进一步地，通过控制流入透平的空气压力p
a
调节发电机的发电机电磁功率p
g,e
具体包括，
11.获取流入透平的空气压力实测值p
a
、发电机电磁功率实测值p
g,e
、发电机电磁功率参考值p
g,e,ref
、发电机转速ω
g
和发电机转速参考值ω
g,ref
；
12.设置p
a
的上限参数p
a,max
、下限参数p
a,min
，发电机调节参数μ
g
、发电机调速器的比例增益参数k
t,p
和发电机调速器的积分增益参数k
t,i
；
13.当流入透平的空气压力实测值p
a
不满足期望要求时，利用获取的发电机转速ω
g
、发电机转速参考值ω
g,ref
、发电机电磁功率参考值p
g,e,ref
以及发电机调节参数μ
g
，得到发电机电磁功率比对值
14.将和发电机电磁功率实测值p
g,e
进行比较，将两者误差输入k
t,p
和k
t,i
对应的pi控制器中，并通过p
a
的上、下限参数p
a,max
和p
a,min
产生空气压力p
a
，将其输入透平；通过上述过程不断调节p
a
，直至和p
g,e
相等。
15.进一步地，发电机电磁功率比对值计算公式为：
[0016][0017]
进一步地，步骤s2具体为，
[0018]
获取流入换热器的热水质量流量实测值m
w
、流出换热器的空气温度实测值t
sh
、流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
；
[0019]
设置m
w
的上限参数m
w,max
、下限参数m
w,min
，温度控制器的比例增益参数k
h,p
、温度控制器的积分增益参数k
h,i
；
[0020]
流入换热器的热水质量流量实测值m
w
不满足期望要求时，将流出换热器的空气温度实测值t
sh
与流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
进行比较，将两者误差输入k
h,p
和k
h,i
对应的pi控制器中；
[0021]
将k
h,p
和k
h,i
对应的pi控制器的输出除以发电机转速ω
g
与发电机转速参考值ω
g,ref
的比值，并通过m
w
的上、下限参数m
w,max
和m
w,min
产生热水质量流量m
w
，将其输入换热器；
[0022]
通过上述过程不断调节m
w
，直至t
sh
与t
sh,ref
相等。
[0023]
进一步地，所述绝热压缩空气储能包括：透平、发电机、换热器、发电机调速器和温度控制器；
[0024]
透平，用于将空气的内能转化为动能，推动与之相连的发电机；
[0025]
发电机，用于将动能转化为电能；
[0026]
换热器，用于将热水的内能释放给压缩空气，保证压缩空气储能效率，压缩空气流入透平进而驱动透平做功；
[0027]
发电机调速器，用于调节发电机的电磁功率；
[0028]
温度控制器，用于控制换热器的空气温度。
[0029]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0030]
(1)本发明a
‑
caes的运行效率在调频过程中始终较高；通过控制热水质量流量m
w
，使得流出换热器的空气温度t
sh
始终跟踪流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
，在调频过程中a
‑
caes的运行效率始终较高。
[0031]
(2)本发明技术手段简单；仅需通过控制流入透平的空气压力p
a
来调节发电机的发电机电磁功率p
g,e
，从而实现电网调频；此外，仅需要控制热水质量流量m
w
，即可保证a
‑
caes的运行效率。
附图说明
[0032]
图1是本发明提供的a
‑
caes控制框图；
[0033]
图2是本发明提供的a
‑
caes中透平、换热器与发电机的连接关系图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
储能技术被认为是解决可再生能源大规模消纳、提高电网运行经济性与安全性的最有效手段之一，近年来被广泛用于电网调频中。在诸多储能技术中，绝热压缩空气储能(adiabatic compressed air energy storage,a
‑
caes)因具有容量大、寿命长、成本低、清洁环保、可多能联储/联供、频率响应能力优越等特点而备受瞩目，被认为是极具发展潜力的大规模储能技术之一，在未来可作为电网新的调频资源。
[0036]
a
‑
caes的运行状态包含放电状态和充电状态，在a
‑
caes工作于放电状态下，本发明提出了一种利用a
‑
caes实现电网调频的方法，具体包括以下步骤：
[0037]
s1.获取放电状态下a
‑
caes用于调频的运行参数，包含：流入透平的空气压力实测值p
a
、发电机电磁功率实测值p
g,e
、发电机电磁功率参考值p
g,e,ref
、发电机转速ω
g
、发电机转速参考值ω
g,ref
、流入换热器的热水质量流量m
w
、流出换热器的空气温度t
sh
、流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
；
[0038]
设置放电状态下a
‑
caes用于调频的限制参数，包含：m
w
的上限参数m
w,max
、m
w
的下限参数m
w,min
、p
a
的上限参数p
a,max
、p
a
的下限参数p
a,min
；
[0039]
设置放电状态下a
‑
caes用于调频的控制参数，包含：发电机调节参数μ
g
、发电机调速器的比例增益参数k
t,p
、发电机调速器的积分增益参数k
t,i
、温度控制器的比例增益参数k
h,p
、温度控制器的积分增益参数k
h,i
。
[0040]
s2.对放电状态下的a
‑
caes进行控制，主要通过控制p
a
来调节发电机的发电机电磁功率p
g,e
，从而实现电网调频。
[0041]
具体地，在电网频率下降时，电网需要增加电磁功率使频率恢复正常，方法通过控制p
a
来提高发电机的发电机电磁功率p
g,e
，从而响应频率变化，减少频率下降幅度，从而实现电网电网频率下降时的调频；在电网频率上升时，电网需要减少电磁功率使频率恢复正常，方法通过控制p
a
来减少发电机的发电机电磁功率p
g,e
，从而响应频率变化，减少频率增加幅度，从而实现电网电网频率上升时的调频。
[0042]
其中，透平、换热器与发电机链接关系如图2所示，透平：也叫膨胀机或涡轮机，它的功能是通过膨胀，将空气的内能转化为动能，推动与之相连的发电机，又将动能转化为电能。
[0043]
发电机：透平推动与之相连的发电机，将动能转化为电能。
[0044]
换热器：热水进入换热器，将内能释放给压缩空气，保证压缩空气的温度一直处于
较高状态，保证压缩空气储能效率，压缩空气流入透平进而驱动透平做功，透平进而驱动发电机进行发电。
[0045]
发电机调速器：属于软件，由控制参数组成，并没有实际对应的硬件结构。
[0046]
温度控制器：属于软件，由控制参数组成，并没有实际对应的硬件结构。
[0047]
对放电状态下的a
‑
caes控制框图如图1所示，
[0048]
第一，对于发电机，其调节方程式为：
[0049][0050]
因此，利用获取的发电机转速ω
g
、发电机转速参考值ω
g,ref
、发电机电磁功率参考值p
g,e,ref
以及设置的发电机调节参数μ
g
，即可得到发电机电磁功率比对值将和发电机电磁功率实测值p
g,e
进行比较，若和p
g,e
不相等，则式(2)所对应的等式将不成立，该等式所产生的误差将输入k
t,p
和k
t,i
对应的pi控制器中，并通过设置p
a,max
和p
a,min
对应的上下限约束，产生空气压力p
a
并输入透平。p
a
输入至透平之后，将减小和p
g,e
之间的误差，通过调节p
a
，和p
g,e
最终将相等。若和p
g,e
不相等，p
a
的值将不断变化，直至和p
g,e
最终将相等。通过该方法，实现了通过p
a
来控制p
g,e
的目的。k
t,p
和k
t,i
对应的pi控制器的引入，将使得式(2)所对应的等式所产生的误差不断减小，直至式(2)所对应的等式成立。
[0051][0052]
第二，为保证a
‑
caes的运行效率，需要控制热水质量流量m
w
；具体地，将流出换热器的空气温度t
sh
与流出换热器的空气温度参考值t
sh,ref
进行比较，并将对应的误差输入k
h,p
和k
h,i
对应的pi控制器中；同时，计算发电机转速ω
g
除以发电机转速参考值ω
g,ref
的结果，将k
h,p
和k
h,i
对应的pi控制器的输出除以该结果的值；最后通过设置m
w
的上限参数m
w,max
和m
w
的下限参数m
w,min
对应的上下限约束，产生热水质量流量m
w
并输入换热器。m
w
输入至换热器之后，将减小t
sh
与t
sh,ref
之间的误差，通过调节m
w
，t
sh
与t
sh,ref
最终将相等。若t
sh
与t
sh,ref
不相等，m
w
的值将不断变化，直至t
sh
与t
sh,ref
最终将相等。通过该方法，实现了通过m
w
来控制t
sh
的目的。
[0053]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。