一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法与流程

本发明涉及新能源储能，尤其涉及一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法。

背景技术：

1、近年来，我国进行大规模能源调整，建设向以新能源为主体的新型电力系统转型，但是以风能和光能为主的新能源存在持续供电可靠性差、电网安全稳定性差、新能源能量密度小等问题，因此储能技术是建设新型电力系统的关键。

2、飞轮储能是一种电能与飞轮的动能相互转换的物理储能装置，可以作为一种调频调峰手段快速补偿电网的功率不平衡。压缩空气储能通过压缩空气储存电能，发电时通过将高压空气释放经膨胀机与发电机做功发电，适合大容量和长时间电能存储。所提出飞轮储能与压缩空气储能结合的物理储能方式可应对大功率冲击，也可以调峰调频，且两种储能设备之间也会相互传输能量，能更长时间更高效率的储能以应对当前复杂的电网环境，为新能源大规模接入电网提供坚实的基础。

3、有资料显示，目前飞轮储能与压缩空气储能结合的物理储能方式，仍存在功率飞轮能量与压缩空气能量的转换问题，本发明提出功率飞轮与压缩空气储能装置之间的变换控制策略能解决功率飞轮能量与压缩空气能量的转换问题。

4、中国专利文献cn115663848a公开了一种“飞轮与压缩空气混合储能系统的电网调频控制方法及装置”。采用了方法，在电网频率偏差值属于压缩空气储能调频死区时，压缩空气储能系统不工作，可以减少压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率，压缩空气储能系统运行工况稳定，提高压缩空气储能系统使用寿命，同时，控制飞轮储能系统执行充电或放电动作，平抑电网负荷波动，能够单独通过飞轮储能系统调节电网频率。上述技术方案仅能调节压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率实现稳定工况，能量转化损耗大。

技术实现思路

1、本发明主要解决原有的技术方案仅能调节压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率实现稳定工况，能量转化损耗大的技术问题，提供一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法，通过利用功率飞轮输出为动能，直接用功率飞轮代替发动机，作为压缩机的驱动器驱动功率飞轮动能转化为压缩空气势能，省去了动能到电能到势能中转换为电能的一步，减少了能量转换造成的损失，提高动能到势能的能量转化率，同时通过压缩空气储能装置有效实现功率飞轮储能到压缩空气储能的双向能量转换。

2、本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

3、一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，包括储气装置，所述储气装置进气端经过冷却管路与压缩机出气端相连，储气装置出气端经过出气管路与机械传动系统相连，所述压缩机进气端分别与进气管路、功率飞轮、机械传动系统相连。功率飞轮中飞轮的高速磁悬浮轴承都可替换为高强度机械轴承，短时间内承受大功率冲击的能力强。

4、作为优选，所述的冷却管路包括依次相连的第二通气管道、冷却器、第三通气管道和单向阀，所述第二通气管道进气端与压缩机出气端相连，所述单向阀出气端与储气装置进气端相连。利用单向阀可以有效防止储气装置内气体逆流。

5、作为优选，所述的出气管路包括依次相连的第二电动阀、第四通气管道、回热器、第五通气管道和膨胀机，所述第二电动阀进气端与储气装置出气端相连，所述冷却器经过储热器与回热器相连。膨胀机为一种涡轮机，能充分把高温、高压的气体势能转换功率飞轮动能。储热器能把压缩过程中产生的热量存储起来，并在压缩空气储能装置向功率飞轮充能过程中用这部分热量预热压缩空气。

6、作为优选，所述的进气管路包括依次相连的进气口、气储室、第一通气管道和第一电动阀，所述第一电动阀出气端与压缩机进气端相连。气储室可以满足用气设备瞬间增大用气量的需求。压缩机启动的瞬间功率是额定功率的7倍左右，频繁的启停对气体的消耗量很大，若是没有气储室，压缩机会是空载状态，浪费很多能量。而且压缩空气储能系统的用气量不可能什么时候都是平稳的，因此，有必要使用气储室来平衡系统中压力，并提供稳定的气源。

7、一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，包括以下步骤：s1获取功率飞轮参数；

8、s2判断功率飞轮储存的能量ek和压缩空气储能装置储气量状态；

9、s3根据判断结果控制功率飞轮与压缩空气装置的充能方向。

10、作为优选，所述的步骤s1功率飞轮参数具体包括，功率飞轮质量m，功率飞轮半径r，功率飞轮转动惯量系数k和功率飞轮角速度ω。

11、作为优选，所述的步骤s3判断结果具体包括，若是功率飞轮储能量大于70％，且压缩空气储能装置储气量低于90％，则打开第一电动阀且关闭第二电动阀，功率飞轮向压缩空气储能装置充能；若是功率飞轮储能量低于30％，且压缩空气储能装置储气量高于10％，则关闭第一电动阀且打开第二电动阀，压缩空气储能装置向功率飞轮充能。当第一电动阀关闭、第二电动阀打开，高温高压气体驱动涡轮机向飞轮充能，气体势能转化为动能。可实现功率飞轮储能到压缩空气储能和压缩空气储能到功率飞轮储能的双向能量转换。

12、作为优选，所述的功率飞轮向压缩空气装置充能时，第一电动阀打开、第二电动阀关闭，空气从气储室进入压缩机，飞轮动能转化为气体势能，功率飞轮作为压缩机的驱动器，飞轮动能直接转化为压缩空气势能，

13、

14、其中，η为动能到势能的能量转化率，en为压缩空气势能，ek为功率飞轮动能。

15、en＝η压ek-δq总

16、其中，η压为压缩机的工作效率，δq总为外部环境带来的能量损失。

17、δq总＝δqk-d+δqd-n

18、其中，δqk-d为动能转化为电能时外部环境带来的能量损失；δqk-d为电能转化为势能时外部环境带来的能量损失。

19、|δqk-n|<|δqk-d|+|δqd-n|

20、其中，δqk-n为动能转化为势能是外部环境带来的能量损失，

21、当δq总＝|δqk-n|时，δq总减小，en增大，动能到势能的能量转化率η提高。

22、作为优选，在电网在电量富余或电网负荷需求量低谷时段，自启动功率飞轮和压缩空气储能装置快速储存大量的二次能源，完毕后控制第一电动阀打开、第二电动阀关闭，压缩机、冷却器、储热器开始工作，功率飞轮向压缩空气装置充能，将多余电量通过压缩空气储能装置快速存储，储能装置能量公式具体为：

23、

24、其中，zavg为气体压缩因子，mw为气体分子质量，r为摩尔气体常数，n为多元指数，p2为排气压力，p1为进气压力，t为吸入温度，i为飞轮的转动惯量，ω为角速度。

25、作为优选，还包括对压缩机的转子型线进行优化，采用分段贝塞尔曲线设计阴阳转子型线，设权因子均相等，k次分段贝塞尔阴转子曲线方程：

26、

27、其中，pi为第i个控制点，k表示的是分段贝塞尔曲线的次数，ni,k表示控制点k次分段贝塞尔基函数；控制点个数为n+1与节点个数m关系为m＝n+k+1；

28、使用de boor-cox的公式对分段贝塞尔基函数进行推导的结果如下：

29、

30、

31、再对k次分段贝塞尔基函数求一阶导数为：

32、

33、则分段贝塞尔转子曲线方程的一阶导函数可以表示为：

34、

35、由6个控制点定义的3段三次贝塞尔曲线，定义控制点pi的n＝5，k＝3，节点个数n+k+1＝9，重复度k+1＝4，内节点n-k＝2，t＝，根据贝塞尔曲线规范定义域及重复度为4，即定义x0＝x1＝x2＝x3＝0，x6＝x7＝x8＝x9＝1；

36、使用hartley-judd算法定义内节点x4、x5，则3段三次曲线相应的控制多边形总长l为：

37、

38、根据hartley-judd算法，得：

39、

40、

41、定义域[x3，x6]的内节点根据贝塞尔插值条件，得：

42、

43、式中

44、

45、

46、求上式，得到6个控制点pi，然后再根据k次分段贝塞尔阴转子曲线方程，得到阴转子三次分段贝塞尔曲线方程，再把该方程代入阴阳转子坐标转换关系得到对应阳转子共轭曲线方程，利用分段贝塞尔曲线的几何不变性和三阶光滑性，用以测量的数据设计阴转子曲线，反求阳转子曲线的共轭线，解决阴阳转子曲线的三阶不平滑问题。

47、本发明的有益效果是：通过利用功率飞轮输出为动能，直接用功率飞轮代替发动机，作为压缩机的驱动器驱动功率飞轮动能转化为压缩空气势能，省去了动能到电能到势能中转换为电能的一步，减少了能量转换造成的损失，提高动能到势能的能量转化率，同时通过压缩空气储能装置有效实现功率飞轮储能到压缩空气储能的双向能量转换，采用分段贝塞尔曲线对双螺杆压缩机转子型线进行优化，适用性强，动平衡好，适合压缩空气量不是持续供应且功率变换复杂场合。