一种可重构压缩空气储能系统及其优化控制方法

摘要

本发明公开了一种可重构压缩空气储能系统及其优化控制方法，本发明能够根据当前工况调整气路结构，改变接入系统的压缩透平机组数量以及机组之间的串并联关系，同时针对该系统，提出一种双层预测优化控制策略。有效解决了传统固定流程结构随着储气压力变化以及压缩空气储能系统输入输出功率需要大范围变化过程中导致的压缩膨胀设备偏离设计工况的问题，有效提高了系统的整体循环效率和控制灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可重构压缩空气储能系统及其优化控制方法。

背景技术

常规能源日益枯竭和环境污染日趋严重使得风能、太阳能等可再生能源发电得到了极大的关注和发展。然而可在生能源的不连续、不稳定、不可控的非稳态特性导致其功率难以有效预测、调度和控制，严重制约其发展和利用。储能技术能够对电能进行时空平移，为平抑可再生能源功率波动、改善电能质量、提高系统稳定性与可靠性等提供了一种有效手段，业已成为可再生能源大规模利用不可或缺的组成部分和至关重要的技术支撑。

压缩空气储能技术因其具有储能成本低、环境友好、无相变损耗的优点而成为近年来备受关注的大规模储能技术。为了提高压缩空气储能系统的能量密度和功率密度，目前大多数的压缩空气储能系统都采取多级压缩、多级膨胀的串联结构，然而压缩空气储能系统充电或者放电过程中，储气罐的气压将不断变化，压缩机\膨胀机的实际工作压缩比\膨胀比偏离设计的比例，这使得压缩机、膨胀机组大多数时间工作在非设计工况的条件下，甚至超出工作范围，导致系统循环效率和经济性大幅度降低，整个系统处于不稳定工作状态。

为了克服上述问题，很多压缩空气储能系统采用限制储气压力变化的方法，储气压力被限制在很小的变化范围内运行，以防止压缩、透平设备大范围偏离额定设计工况，如德国的Hunterf电站储气室额定气压72bar，但是正常运行期间压力范围仅为46bar～66bar，导致压缩空气储能系统储气罐容量利用率很低，浪费严重。此外一些压缩空气储能系统在透平发电过程中采用节流的方法维持透平设备进气压力恒定，保证效率和输出功率，但是节流的过程会造成一部分能量损耗，降低系统效率。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可重构压缩空气储能系统及其优化控制方法，本发明能够根据当前工况调整气路结构，改变接入系统的压缩\透平机组数量以及机组之间的串并联关系，自适应调整系统压缩、膨胀比例，尽量接近当前气罐压力下实际工作压力比，以避免长时间、大范围偏离设计工况，从而有效提高了系统的整体循环效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可重构压缩空气储能系统，包括压缩空气储能机组和可重构气路系统，其中：

所述压缩空气储能机组包括若干压缩设备，所述压缩设备均连接有带动其工作的电动设备，所述压缩设备的输出端连接储气装置的输入口，所述储气装置的输出口连接有若干个膨胀设备，每个膨胀设备连接有一个发电设备；

所述可重构气路系统，包括多个气流管路，所述气流管路包括压缩设备、膨胀设备之间的连接管路，以及各个压缩设备与储气装置的连接管路，各个膨胀设备与储气装置的连接管路，且每个气流管路上均设置有开关阀；

通过控制各个开关阀的开断，调整所述各个压缩设备或/和膨胀设备之间的串并联关系与接入数量。

优选的，所述压缩设备之间通过气流管路级联。

优选的，所述膨胀设备之间通过气流管路级联。

所述压缩设备的输入端均通过气流管路连接空气入口，输出端均通过气流管路连接储气装置。

所述膨胀设备的输入端均通过气流管路连接储气装置，输出端连接排气通道。

所述压缩设备一侧的气流管路上的开关阀为电磁阀，所述膨胀设备一侧的气流管路上的开关阀为节流阀。

优选的，相邻的压缩设备之间、膨胀设备之间连接有缓冲罐，以稳定气压。

所述压缩设备一侧为储能系统的压缩系统，膨胀设备一侧为储能系统的透平系统。

一种基于双层预测控制的可重构压缩空气储能系统优化控制方法，包括以下步骤：

(1)确定每个压缩设备和膨胀设备的动态方程，建立压缩空气储能系统预测控制模型；

(2)根据当前输入或者输出工况，以储能或释能过程效率最高为目标，确定系统上层目标函数；

(3)根据设定的系统目标函数和约束条件，设置上层约束条件，完成上层优化，确定最优重构结构，同时给出下层的动态优化的输入给定；

(4)在线优化求解，将模型预测控制的求解转换为一个混合整数二次规划问题，通过求解优化问题得到优控制序列，不断滚动优化。

所述步骤(1)中，根据质量守恒和能量守恒等物理定律确定每个模态的动态方程，选择模型中便于测量和需要控制的变量作为整个系统动态方程的输入、输出变量，对于模型中难以测量或者无法测量的变量采用经验值或通过实验数据进行估计，得到每个单独压缩、膨胀 设备的动态方程。

所述步骤(1)中，所述输入、输出变量包括转矩、转速、气压和/或流量。

所述步骤(1)中，所述难以测量或者无法测量的变量包括泄漏间隙，流量系数和/或摩擦系数。

所述步骤(2)中，所述储能过程的目标函数设置过程的具体步骤包括：

(2-1)确定压缩储能过程中单独一个压缩设备储能效率；

(2-3)根据可重构压缩空气储能内在组成特性和外部使用环境对储能系统的输入、输出功率要求，以及储能系统自身的物理条件限制，划分所有可能的重构模式；

(2-3)计算每一重构模式下压缩空气储能系统整体效率；

(2-4)根据当前的气压和功率要求选择最优的重构模式。

所述步骤(2)中，所述释能过程的目标函数设置过程的具体步骤包括：

(2-a)确定膨胀释能过程中单独一个膨胀设备的透平效率；

(2-3)根据可重构压缩空气储能内在组成特性和外部使用环境对储能系统的输入、输出功率要求，以及储能系统自身的物理条件限制，划分所有可能的重构模式；

(2-3)计算每一重构模式下透平系统整体效率；

(2-4)根据当前的气压和功率要求选择最优的重构模式。

所述步骤(3)中，约束条件包括整个储能系统的工作压比约束、功率约束以及气压和转速约束。

所述步骤(4)中，具体方法为：将模型预测控制的求解转换为一个混合整数二次规划MIQP(Mixed Integer Quadratic Programming)问题，通过求解优化问题得到优控制序列，选择第一个控制信号作为当前时刻的控制量，在下一个时刻继续重复上述过程，不断滚动优化。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出一种新型的可重构压缩空气储能系统，相对固定流程结构的压缩空气储能系统，本发明系统能够根据储气罐压力变化范围灵活重组串并联结构，从而改变单个压缩膨胀设备的实际工作压比，避免其工作在非设计工况的条件下，从而提高系统循环效率和经济性；

(2)本发明可以根据实际系统对储能装置功率要求，合理的切入切出部分设备，从而进一步降低功率、低流量状态条件下设备的摩擦、泄漏损坏，提高系统效率，同时有效拓展了储能系统的工作范围和功率边界条件，提高其灵活性；

(3)本发明提出了一种针对可重构压缩空气储能系统的双层优化预测控制策略，有效的解决了重构结构选择和单个压缩膨胀设备实时控制对控制器时间尺度、精度等的不同要求，具有很强的工程实用性；

(4)本发明能够根据当前工况调整气路结构，改变接入系统的压缩\透平机组数量以及机组之间的串并联关系，有效解决了传统固定流程结构随着储气压力变化以及压缩空气储能系统输入输出功率需要大范围变化过程中导致的压缩\膨胀设备偏离设计工况的问题，有效提高了系统的整体循环效率和控制灵活性。

附图说明

图1是传统固定结构多级压缩空气储能系统示意图；

图2是本发明的可重构压缩空气储能系统原理示意图；

图3是本发明双层预测控制原理图；

图4(a)是固定并联模式的效果的仿真结果图；

图4(b)是固定串联模式的效果的仿真结果图；

图4(c)是本发明可重构模式的效果的仿真结果图；

其中，1、压缩设备，2、膨胀设备，3、储气设备，4、电动设备，5、发电设备，6、电磁阀，7、节流阀。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图2为本发明提供的一种可重构压缩空气储能系统与如图1所示的传统固定流程结构的原理行对比。本发明所述的压缩空气储能系统包括压缩空气储能机组和可重构气路两部分：

其中压缩空气储能机组包括若干压缩设备(1)、膨胀设备(2)、缓冲罐、储气设备(3)、发电设备(5)、电动设备(4)等，压缩设备通过轴和电动设备连接；所述的膨胀设备通过轴和电动设备连接；缓冲罐连接在相邻压缩或膨胀设备之间，起到稳定气压的作用。

可重构气路结构包含若干节流阀(7)、电磁阀(6)等阀门，可以通过控制阀门开通关断改变气路的连接方式。

本发明提出的压缩空气储能机组和可重构气路结合，可以改变压缩或者膨胀设备之间的串并联关系，也可以通过调整气路切入、切除部分压缩膨胀设备，改变接入系统的压缩、膨胀设备数量。

上述可重构系统的工作流程如下：

一种基于双层预测控制的可重构压缩空气储能系统优化控制方法，其基本原理如图3所示，包括以下步骤：

步骤(1)：首先建立压缩空气储能系统预测控制模型；

步骤(2)：根据当前输入或者输出工况，以储能(释能)过程效率最高为目标，确定系统上层目标函数；

步骤(3)：设置上层约束条件，根据步骤(2)的系统目标函数和约束条件。所述约束条件包括电负荷平衡约束，压缩、膨胀设备最大输入输出功率限制约束，压缩空气储能系统储气容量约束；

步骤(4)完成上层优化，确定最优重构结构，同时给出下层的动态优化的输入给定。

步骤(5)：在线优化求解，将模型预测控制的求解转换为一个混合整数二次规划MIQP(Mixed Integer Quadratic Programming)问题，通过求解优化问题得到优控制序列，选择第一个控制信号作为当前时刻的控制量，在下一个时刻继续重复上述过程，不断滚动优化；

所述步骤(1)的步骤为：

1、根据质量守恒和能量守恒等物理定律确定每个模态的动态方程，选择模型中方便测量和需要控制的变量(如转矩、转速，气压、流量)作为整个系统动态方程的输入、输出变量，对于模型中难以测量或者无法测量的变量(如泄漏间隙，流量系数、摩擦系数)采用经验值或通过实验数据进行合理估计，最终得到每个单独压缩、膨胀设备的动态方程；

2、根据模型预测控制对模型的结构形式要求，对上述建立的模块化模型进行标准化处理并最终得到如下的单个压缩、膨胀设备流量、转矩、排气温度的动态方程：

q＝C₁n-C₂ξn^-1-C₃ξ²

M＝C₄ξ+C₅n+C₆

式中：M为转矩，n为转速q为流量，T为排气温度，c_p空气比热容比。ξ为单个压缩设备的实际工作压比。C₁到C₉为拟合参数，通过实验测量和系统辨识得到。

所述步骤(2)包括以下步骤：

1、压缩储能过程中，单独一个压缩设备的储能效率η_com，i为：

式中：M为转矩，n为转速，ρ为标况下空气密度，q为压缩流量，T为排气温度，c_p空气比热容比。ξ为单个压缩设备的实际工作压比。

2、根据可重构压缩空气储能内在组成特性和外部使用环境对储能系统的输入、输出功率要求，以及储能系统自身的物理条件限制，合理划分所有可能的重构形式。

3、任一重构模式下压缩空气储能系统整体效率η_{com_tot，}σ可以表示为：

式中m为所有压缩设备的个数，σ为系统所有可能的模态，σ＝k时表示系统处于第k种重构模态。

4、根据当前的气压和功率要求选择最优的重构模式σ，设置目标函数如下：

5、膨胀释能过程目标函数设置和压缩过程相同，仅需将单独一个压缩设备的储能效率替换为单独一个膨胀设备的透平效率表达η_exp，i：

式中：M为转矩，n为转速，ρ为标况下空气密度，q为压缩流量，T为排气温度，c_p空气比热容比。ξ为单个压缩设备的实际工作压比。

所述步骤(3)中的约束条件包括整体的工作压比约束：

式中Nσ为第σ种重构系统中所有串联设备的级数。

所述步骤(3)中的约束条件还包括功率约束：

式中P_max,n为单个压缩/膨胀设备在某一气压下最大输入/输出功率，P_g为储能系统当前接收到的功率给定。

所述步骤(3)中的约束条件还包括气压和转速约束：

式中p_k为储气设备当前时刻压力，q为单个设备的质量流量，R_g为理想气体质量常数，s位某重构结构下所有并联压缩、膨胀设备的个数,T为储气设备温度，p0>

仿真过程中采用涡旋式压缩\膨胀机作为压缩/膨胀设备，分别测试不同结构下压缩空气储能系统从1bar压缩空气储能到10bar整个过程的系统效率。图4a是2个压缩设备并联的效率结果，图4b是2级串联结构下的效率，图4c是可重构结构的结果，2个压缩设备开始采用并联结构，在储气压力达到5个bar时候切换结果到串联。对比可知，可重构结果能够明显提高系统的整体效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。