微型压缩空气储能发电系统建模及优化控制

摘要

可再生能源的大规模开发利用推动了全球能源体系的历史变革，是缓解能源危机的重要手段之一。然而，风能、太阳能等可再生能源具有较强的波动性及间歇性等特征，为电力系统中的储能环节带来了新的挑战。诸多储能方式中，压缩空气储能因具有环境友好、寿命长、无相变损失以及容量易于监控等突出优点而备受国际社会关注。当前，压缩空气储能系统正向大规模化和微型化方向发展，其中微型压缩空气储能系统以其选址灵活、经济可靠等优势，日益得到学术界和产业界的高度关注。然而压缩空气储能系统相对于其他储能技术而言效率较低，是阻碍其大规模发展的重要因素之一。因此，为提高压缩空气储能系统能量利用和转换的能力，本文以微型压缩空气储能发电系统为研究对象，从系统关键部件建模入手，多角度分析了系统效率的变化规律，并对系统效率的优化控制方法展开了研究。
　　压缩空气储能系统效率分析与优化控制的前提是建立系统关键部件的数学模型。本文选用涡旋式膨胀机作为能量转换设备，并提出了一种基于机理和经验的涡旋膨胀机混合建模方法。该方法综合考虑气体泄漏、过欠膨胀及摩擦等因素的影响建立了涡旋膨胀机体积流量和输出转矩的机理模型，选取进气压力、温度和转速等作为模型的控制变量，对其他参数进行集总并利用大量的试验数据训练未知参数，最终获得了涡旋膨胀机的混合模型。该混合模型兼顾机理模型的精确性和经验模型的工程实用性，极适用于微型压缩空气储能系统的效率分析和优化控制。
　　在涡旋膨胀机混合模型的基础上，本文引入空气有效能的概念建立了膨胀效率评价指标。根据该效率评价指标，本文首先分析了涡旋膨胀机的膨胀效率随进气压力、温度和转速等控制变量的变化规律，可知不同进气压力下存在最优转速使膨胀效率达到最大值。进而，本文定量定性地分析了计及热（冷）量的微型压缩空气储能发电系统效率，仿真结果反映了有效利用系统产生的热（冷）量可大幅提升系统能量综合利用能力。最后，本文从空气有效能的角度定量计算了由调压阀造成的节流损耗，分析了不同节流压力大小对系统效率的影响。
　　本文在系统效率变化规律的基础上提出了效率优化策略，即在系统运行达到稳态时保证输出功率平衡功率需求，同时驱动系统运行于效率高效区。该优化策略基于涡旋膨胀机混合模型，选用拉格朗日乘子法实现优化算法，搜索系统最优工作点。该优化策略建立在混合模型的优势之上，大大简化了优化算法的复杂度，同时满足精确性和快速性的工程需求，极适用于实时优化控制系统。
　　最后本文介绍了微型压缩空气储能发电系统控制平台，试验验证了基于涡旋膨胀机混合模型的效率优化策略的合理性。通过试验验证了不同功率需求下的优化结果，得出结论:本文提出的优化策略能够控制系统输出功率匹配实时变化的功率需求，同时驱动系统运行于效率高效区。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究现状

1．2．1 国内外压缩空气储能的发展现状

1．2．2 微型压缩空气储能效率优化控制研究

1．3 本课题的研究内容

第2章 涡旋式膨胀机混合建模方法研究

2．1 涡旋式膨胀机工作原理

2．2 涡旋式膨胀机混合模型

2．2．1 体积流量机理模型

2．2．2 输出转矩机理模型

2．2．3 混合模型参数集总与辨识

2．3 涡旋膨胀机混合模型试验验证

2．3．1 试验系统搭建

2．3．2 模型验证

2．4 本章小结

第3章 基于涡旋膨胀机的压缩空气储能效率分析

3．1 膨胀效率评价指标

3．2 涡旋膨胀机效率分析

3．3 计及热(冷)量的涡旋膨胀机效率分析

3．3．1 计及热(冷)量的膨胀效率计算

3．3．2 计及热(冷)量的膨胀效率仿真与分析

3．4．计及节流损耗的膨胀效率分析

3．4．1 节流损耗计算

3．4．2 节流损耗仿真及分析

3．5 本章小结

第4章 微型压缩空气储能发电系统效率优化控制策略

4．1 微型压缩空气储能发电优化控制系统

4．2 微型压缩空气储能发电系统效率优化

4．2．1 基于混合模型的效率优化策略

4．2．2 拉格朗日乘子优化算法

4．2．3 优化结果

4．3 本章小结

第5章 微型压缩空气储能发电控制系统及试验验证

5．1 微型压缩空气储能发电控制系统

5．2 试验结果及分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果