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

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

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：

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。

所述步骤1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：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\tau }_j}(T_e-T_m)\\ \frac{{\mathrm{dE}}_d^{\prime }}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{T_{d0}^{\prime }}(-E_d^{\prime }+j(x-x^{\prime })I_q+2\pi f_0{T}_{d0}^{\prime }s{E}_q^{\prime })\\ \frac{{\mathrm{dE}}_q^{\prime }}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{T_{d0}^{\prime }}(-E_q^{\prime }+j(x-x^{\prime })I_d+2\pi f_0{T}_{d0}^{\prime }s{E}_d^{\prime })\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，τ_j为电动机或发电机转子惯性时间常数，T_e为电动机或发电机的电磁转矩，T_m为 输入到电动机或发电机侧的机械转矩，E′_d表示q轴阻尼绕组Q和阻尼绕组q暂态电磁过程， E′_q表示d轴励磁绕组f及阻尼绕组D的暂态电磁过程，f₀为电动机或发电机的额定频率，I_d表示电动机或发电机的直轴同步电抗，I_q表示电动机或发电机的直轴同步电抗，T′_d0为电动机 或发电机的定子开路时转子回路的时间常数；其中T_e、T′_d0、x和x′分别表示为：

$T_e=-\mathrm{Re}\left[{\stackrel{·}{E}}^{\prime }\stackrel{\widehat{·}}{I}\right]---\left(2\right)$

$T_{d0}^{\prime }=\frac{x_2+x_m}{r_2}---\left(3\right)$

x＝x₁+x_m   （4）

$x^{\prime }=x_1+\frac{x_2{x}_m}{x_2+x_m}---\left(5\right)$

其中，I为电动机或发电机注入母线的电流，E′为电动机或发电机的电势，x₁为定子漏 抗，x₂为转子漏抗，r₂为转子绕阻电阻，x_m为激磁电抗，且有x_m＝T′_d0Lr₂·2πf₀-x₂；I表示 为：

$I=\frac{E^{\prime }-U}{x^{\prime }}---\left(6\right)$

其中，U为压缩空气储能系统并网点电压；

电动机或发电机并网运行的接地电抗X′_m表示为：

$X_m^{\prime }=\frac{V_{t\left(0\right)}^2}{\mathrm{\Delta Q}}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Delta Q}=Q_{t\left(0\right)}+\mathrm{Im}\left[{\stackrel{·}{V}}_{t\left(0\right)}{\stackrel{\widehat{·}}{I}}_{\left(0\right)}\right]---\left(8\right)$

其中，V_t(0)为初始电压，Q_t(0)为初始无功功率，I₍₀₎为初始电流。

所述步骤2中，空气压缩机输出的机械轴功率用P_m′表示，其表达式为：

P_m′＝16.745p₁Qk/(k-1)[(p₂/p₁)^(k-1)/k-1]/η   （9）

其中，p₁为空气压缩机进气压力，取大气压；p₂为空气压缩机排气压力；k为空气比热 比，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＝k₁(1-s)w   （10）

其中，w为转子转速，k₁为空气压缩机排气量对转子转速的比例系数。

所述燃气透平机输出的机械轴功率用P_m″表示，其表达式为：

P_m″＝1.3(W_f-0.23)+(1-w)/2   （11）

其中，W_f为燃料流量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

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。

附图说明

图1是压缩空气储能系统中燃烧室调速系统模型结构图；

图2是单机无穷大系统算例框图；

图3是CAES位于发电侧的单机单负荷系统算例框图；

图4是CAES位于负荷侧的单机单负荷系统算例框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2-图3，分别建立单机无穷大系统、单机单负荷系统算例，将用本发明所提供的方 法建立的空气压缩机模型引入算例中，算例如附图2至4所示。其中，发电机额定功率为 330MW，并网点电压为20kV，升压变额定容量为370MVA，高压侧电压为330kV，双回交 流线路长度为72km，负荷消耗有功功率为300MW，消耗无功功率为80Mvar。CAES系统容 量为5MW，并网初始功率因数设为1。用于验证建模方法有效性的结果来自于商业仿真软件 PSASP，仿真总时长为10s，采用0.01s的仿真步长进行仿真，系统容量基值为100MVA。单 机无穷大系统稳态运行数据、单机单负荷系统稳态运行数据（CAES位于发电侧）和单机单 负荷系统稳态运行数据（CAES位于负荷侧）如表1至表3所示。

表1

  CAES工作在发电状态 CAES工作在电机状态 CAES并网点电压（pu） 1.004 1.004 CAES有功出力（MW） 5 -5

表2

  CAES工作在发电状态 CAES工作在电机状态

CAES并网点电压（pu） 0.985 0.984 CAES有功出力（MW） 5 -5

表3

  CAES工作在发电状态 CAES工作在电机状态 CAES并网点电压（pu） 0.976 0.975 CAES有功出力（MW） 5 -5

仿真结果中，在电网发生N-1故障时，CAES的转差率及电磁功率因外部线路的短路故 障而有明显的突变，故障排除后又逐渐回到稳态值，机械功率因为负荷或原动机部分没有变 化而未发生太大改变，但也在故障期间和故障结束后的恢复过程中跟随电磁功率有一定的变 化，出口电压跟随电网侧故障的变化较为明显，也正确反映了其变化的趋势；在电网发生负 荷突变时，可以得到与交流线路N-1情况下的类似结论，曲线正确地反映了CAES内部及出 口处各参量的响应趋势。CAES工作在电机态下，在压缩机出口气压和空气流量增加时，负 载加重，CAES出口电压下降，从电网吸收功率有所提升；CAES工作在发电态下，在燃烧室 燃料流量增加时，发电量增加，CAES出口电压与功率都有所提升，此时调速系统动作，逐 步减少燃料流量，使得出口电压与功率略有回落，最终维持在一个稳态值上。曲线均从理论 上正确反映了各参量的动态响应趋势。

从仿真结果验证了用于电力系统机电暂态仿真分析的压缩空气储能系统建模方法，其可 模拟CAES发电态和电机态两种工作模式，反应正常及非正常工况下系统的动态响应特性。 该模型为研究压缩空气储能系统的特性提供了基础性平台，为新能源接入电网后的安全稳定 运行提供必要的技术支撑。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。