压缩空气储能系统数学建模与物理模拟

摘要

压缩空气储能系统（CAES）作为一种能够实现大容量、长时间电能存储和大规模商业化的电力储能系统，其应用前景已得到国内外学者越来越多的认同。但其复杂的工况和热力学问题给我们研究其相关特性带来了一定的难度，且在实际的研究和试验中使用真实的压缩空气储能系统将会有成本高、维护困难等问题，还可能会有一定的危险性，给系统的相关研究带来了许多困难，这就需要有完善的数字仿真研究来提供理论依据。因此，对压缩空气储能系统的数学建模与物理模拟研究就显得尤为重要。 本文围绕压缩空气储能系统中的膨胀释能发电过程展开研究，首先对压缩空气储能系统中的核心部件涡旋膨胀机进行了研究，介绍了涡旋膨胀机的结构、工作原理及特点，针对涡旋膨胀机的特性，建立了其数学模型，并对其进行了仿真研究。其次，提出和建立了一种压缩空气储能系统物理模拟系统，并根据试验所记录涡旋膨胀机的转速和转矩进行了压缩空气储能系统物理模拟系统的原理数值仿真和验证，结果表明，本物理模拟系统在全气压工况下均可以达到优良性能，可以实现模拟压缩空气储能系统涡旋式膨胀机的机械转动特性，从而实现系统输出外特性的等效性模拟，达到了对压缩空气储能系统进行物理模拟的目的，解决了压缩空气储能系统研究中无法在实际动态物理模拟系统中实现的瓶颈问题。 最后，利用所搭建的压缩空气储能系统实验平台进行了不同负载的相关试验，主要测量了涡旋式膨胀机的进出口温度、涡旋式膨胀机进出口压力、气体流量、涡旋式膨胀机的转速和转矩、三相永磁发电机的电压、电流、功率等，以此来验证所建立涡旋式膨胀机数学模型的准确性。同时在实际工况下，对压缩空气储能系统的相关特性进行了研究和分析。结果表明，仿真结果与涡旋式膨胀机的实际工况有较好的吻合，从而验证了该数学模型的准确性。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

2 压缩空气储能系统涡旋膨胀机建模与仿真

2.1 涡旋膨胀机

2.1.1 涡旋膨胀机的结构

2.1.2 涡旋膨胀机的工作原理及特点

2.2 涡旋膨胀机的数学建模

2.2.1 涡旋膨胀机的几何建模

2.2.2 涡旋膨胀机的热力学模型

2.2.3 涡旋膨胀机的动力学模型

2.3 涡旋膨胀机的仿真结果

2.4 本章小结

3 压缩空气储能系统物理模拟

3.1 CAES系统物理模拟系统的原理及方案设计

3.2 CAES物理模拟系统数字仿真模型的建立

3.2.1 系统输出外特性的等效性

3.2.2 电动机用于模拟膨胀机的机械转动特性

3.2.3 建立外特性等效摸型

3.3 CAES物理模拟系统的原理数值仿真

3.4 CAES物理模拟系统的原理数值仿真验证及分析

3.5 本章小结

4 压缩空气储能系统实验平台试验

4.1 压缩空气储能系统实验平台介绍

4.1.1 试验装置

4.1.2 数据采集系统

4.2 试验方案

4.3 试验结果

4.3.1 试验一

4.3.2 试验二

4.3.3 试验三

4.4 涡旋膨胀机数学建模的试验验证及分析

4.5 本章小结

5 全文工作总结和研究工作展望

5.1 全文工作总结

5.2 下一步研究工作展望

致 谢

参考文献

附录1 不同负载电阻下的试验结果

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参与的项目