一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统及方法.pdf

本发明公开了一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统及方法，压缩空气承担主要的功率波动平抑任务，蓄电池用来补充压缩空气难以跟踪的波动，从而保证储能系统整体的响应速度并减低储能成本。同时为了提高压缩空气储能系统的快速响应，以尽量降低和减少蓄电池使用量，本发明通过超前调度压缩空气储能系统出力，有效克服了压缩空气储能系统因为机械惯性，气动设备响应延迟等问题，提高压缩空气储能系统的响应速度，减少了蓄电池使用量，增强了系统的整体经济型。

1.一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统，其特征是：包括风力发电机组，
所述风力发电机组通过Boost变换器连接到直流母线，蓄电池通过双向DC/DC变换器也连接
在直流母线上；压缩/膨胀设备与永磁同步发电/电动机同轴连接，并通过双向AC/DC变流器
连接到直流母线；
所述双向DC/DC变换器采用同步旋转dq坐标系PI控制，利用功率外环PI调节生成参考
电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使dq轴电流跟踪参考值，气压反馈和补偿PI控制
器用来控制涡旋机气体出口和气罐之间的电磁阀阀门开度，从而完成膨胀过程中涡旋机入
口气体压力和流量的控制。
2.如权利要求1所述的一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统，其特征是：
所述压缩/膨胀设备为涡旋式压缩膨胀一体机，具体包括动涡盘和静涡盘，压缩模式时，动
涡盘在原动机驱动下旋转，将气体从进气口吸入，依次进入压缩腔室和排气腔室，气体因腔
室容积变化而压缩，最终压缩气体经中心气孔排出进入气罐。
3.如权利要求1所述的一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统，其特征是：
所述涡旋式压缩膨胀一体机膨胀模式时，旋转方向与压缩模式的旋转方向相反，压缩气体
由中心气孔进入，在动静涡盘组成的封闭腔室内膨胀后排出，并通偏心主轴功率输出，完成
气体内能和机械能的转化。
4.如权利要求1所述的一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统，其特征是：
所述Boost变换器后端的母线电压保持恒定，改变Boost变换器的占空比以改变风机转速，
进而改变风机工作点，保证其工作在传统风力发电模式下的最大功率跟踪状态。
5.一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方法，其特征是：包括
以下步骤：
(1)根据压缩空气储能风力发电系统结构，建立定桨距永磁直驱结构下的风力发电系
统模型；
(2)对系统中的压缩/膨胀设备进行特性分析，建立涡旋式复合机动态模型；
(3)确定系统运转在压缩与膨胀模式下出工和系统部件的工作状态；
(4)选取时间序列差分自回归模型，对系统负荷进行预测，以预测值作为前馈控制量，
提前调度压缩空气储能系统运转，进行压缩和膨胀时的能量控制。
6.如权利要求5所述的一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方
法，其特征是：所述步骤(1)中，风轮机获得的风能表示为：
$\left\{\begin{array}{c}p\left(t\right)=\frac{1}{2}{c}_p\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ρAv}}^3\\ \mathrm{\λ}={\mathrm{r\ω}}_m/v\end{array}\right.$
其中ρ为空气密度，r为风力机半径，v为风速大小，ωm为叶尖速，Cp为风能利用系数，A为
常数。
7.如权利要求5所述的一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方
法，其特征是：所述步骤(2)中，将压缩气体看作理想气体，综合考虑涡旋式复合机运行时流
量、转矩与转速和气压之间的关系，考虑气体泄漏和摩擦损耗，建立涡旋式复合机动态模
型。
8.如权利要求5所述的一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方
法，其特征是：所述步骤(3)中，压缩/膨胀设备与磁同步发电/电动机直接相连，经双向DC/
AC变流器接入直流母线，双向变流器采用同步旋转dq坐标系PI控制，利用功率外环PI调节
生成参考电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使dq轴电流跟踪参考值。
9.如权利要求5所述的一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方
法，其特征是：所述步骤(3)中，利用气压反馈和补偿PI控制器控制涡旋机气体出口和气罐
之间的电磁阀阀门开度，完成膨胀过程中涡旋机入口气体压力和流量的控制。
10.如权利要求5所述的一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制
方法，其特征是：所述步骤(4)中，系统运行过程中，风机和负荷的功率差经时间序列差分自
回归模型模块预测后得到压缩空气储能系统参考功率，经过压缩空气储能系统延迟时间后
输出实际功率，未被压缩空气储能系统吸收的剩余功率由蓄电池补充。

一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能(CAES)是近年来提出的一种新型储能方式。系统利用多余的能量驱
动压缩机将空气储存，需要时将高压空气释放驱动透平设备做功。因其具有效率较高，污染
少、无相变损失等优点而备受关注,业已成为储能领域的研究热点。目前已有的研究大都聚
焦于适用于风电场的大型压缩空气储能电站，而微型风电系统因为使用地点靠近用户且自
身惯性较小，要求储能系统不但结构简单紧凑、噪声低，而且要有较快的动态响应速度，现
有的大型压缩空气储能电站结构和控制策略无法直接移植到微型风电系统中。

微型风力发电系统自身惯性较小且安装高度低，其受风能波动性的影响更大。特
别是独立运行状态下，由于失去了大电网对电压和频率的支撑，要求储能系统必须能够快
速响应以平抑风机的随机波动，保证系统稳定性和电能质量。目前单独的压缩空气储能系
统因为机械惯性，气动设备响应延迟等难以满足其要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能
系统及方法，本发明通过超前调度压缩空气储能系统出力，有效克服了压缩空气储能系统
因为机械惯性，气动设备响应延迟等问题，提高压缩空气储能系统的响应速度，减少了蓄电
池使用量，增强了系统的整体经济型。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于微型风电系统的压缩空气混合储能系统，包括风力发电机组，所述风
力发电机组通过Boost变换器连接到直流母线，蓄电池通过双向DC/DC变换器也连接在直流
母线上；压缩/膨胀设备与永磁同步发电/电动机同轴连接，并通过双向AC/DC变流器连接到
直流母线；

所述双向DC/DC变换器采用同步旋转dq坐标系PI控制，利用功率外环PI调节生成
参考电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使dq轴电流跟踪参考值，气压反馈和补偿PI
控制器用来控制涡旋机气体出口和气罐之间的电磁阀阀门开度，从而完成膨胀过程中涡旋
机入口气体压力和流量的控制。

所述风力发电机组采用定桨距永磁直驱式结构。

所述压缩/膨胀设备为涡旋式压缩膨胀一体机，具体包括动涡盘和静涡盘，压缩模
式时，动涡盘在原动机驱动下旋转，将气体从进气口吸入，依次进入压缩腔室和排气腔室，
气体因腔室容积变化而压缩，最终压缩气体经中心气孔排出进入气罐。

所述涡旋式压缩膨胀一体机膨胀模式时，旋转方向与压缩模式的旋转方向相反，
压缩气体由中心气孔进入，在动静涡盘组成的封闭腔室内膨胀后排出，并通偏心主轴功率
输出，完成气体内能和机械能的转化。

所述Boost变换器后端的母线电压保持恒定，改变Boost变换器的占空比以改变风
机转速，进而改变风机工作点，保证其工作在传统风力发电模式下的最大功率跟踪状态。

其中，压缩/膨胀设备是同时能够完成压缩和膨胀功能的设备，为现有技术，其具
体结构特征在此不再赘述。

一种应用于微型风力压缩空气储能系统的实时负荷预测控制方法，包括以下步
骤：

(1)根据压缩空气储能风力发电系统结构，建立定桨距永磁直驱结构下的风力发
电系统模型；

(2)对系统中的压缩/膨胀设备进行特性分析，建立涡旋式复合机动态模型；

(3)确定系统运转在压缩与膨胀模式下出工和系统部件的工作状态；

(4)选取时间序列差分自回归模型，对系统负荷进行预测，以预测值作为前馈控制
量，提前调度压缩空气储能系统运转，进行压缩和膨胀时的能量控制。

所述步骤(1)中，风轮机获得的风能表示为：

$\left\{\begin{array}{c}p\left(t\right)=\frac{1}{2}{c}_p\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}A{v}^3\\ \mathrm{\λ}={\mathrm{r\ω}}_m/v\end{array}\right.$

其中ρ为空气密度，r为风力机半径，v为风速大小，ωm为叶尖速，Cp为风能利用系
数，A为常数。

所述步骤(2)中，将压缩气体看作理想气体，综合考虑涡旋式复合机运行时流量、
转矩与转速和气压之间的关系，考虑气体泄漏和摩擦损耗，建立涡旋式复合机动态模型。

所述步骤(3)中，压缩/膨胀设备与磁同步发电/电动机直接相连，经双向DC/AC变
流器接入直流母线，双向变流器采用同步旋转dq坐标系PI控制，利用功率外环PI调节生成
参考电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使dq轴电流跟踪参考值。

进一步的，所述步骤(3)中，d轴电流参考给定值id*设定为0。

所述步骤(3)中，利用气压反馈和补偿PI控制器控制涡旋机气体出口和气罐之间
的电磁阀阀门开度，完成膨胀过程中涡旋机入口气体压力和流量的控制。

所述步骤(4)中，系统运行过程中，风机和负荷的功率差经时间序列差分自回归模
型模块预测后得到压缩空气储能系统参考功率，经过压缩空气储能系统延迟时间后输出实
际功率，未被压缩空气储能系统吸收的剩余功率由蓄电池补充。

本发明的有益效果为：

(1)相对于单独采用蓄电池的传统储能系统，本发明压缩空气承担主要的功率波
动平抑任务，蓄电池用来补充压缩空气难以跟踪的波动，从而保证储能系统整体的响应速
度并减低储能成本；

(2)风力发电系统自身惯性较小且安装高度低，其受风能波动性的影响更大。特别
是独立运行状态下，由于失去了大电网对电压和频率的支撑，要求储能系统必须能够快速
响应以平抑风机的随机波动，保证系统稳定性和电能质量，本发明中采用蓄电池和压缩空
气储能复合储能结构，相比单独的压缩空气储能结构，系统整体响应速度高；

(3)针对气动系统的功率延迟大、响应滞后的问题，本发明根据风机和负载功率变
化特点，提出基于ARIMA的短期负荷预测方法，提前调度压缩空气储能系统出力，提高了压
缩空气储能系统的响应速度，降低了系统中蓄电池的容量和功率；

(4)通过超前调度压缩空气储能系统出力，有效克服了压缩空气储能系统因为机
械惯性，气动设备响应延迟等问题，提高压缩空气储能系统的响应速度，减少了蓄电池使用
量，增强了系统的整体经济型。

附图说明

图1是本发明提出的微型压缩空气储能风电系统结构图

图2是本发明中的压缩空气储能系统控制结构图

图3是本发明中系统负荷预测流程图

其中，1、风力发电机组，2、Boost变换器，3、蓄电池，4、双向DC/DC变换器，5、涡旋式
压缩膨胀一体机，6、永磁同步发电/电动机，7、双向AC/DC变流器。

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。

本发明提出了一种应用于微型风电系统的压缩空气蓄电池复合储能系统，压缩空
气承担主要的功率波动平抑任务，蓄电池用来补充压缩空气难以跟踪的波动，从而保证储
能系统整体的响应速度并减低储能成本。同时为了提高压缩空气储能系统的快速响应，以
尽量降低和减少蓄电池使用量，本发明提出了一种压缩空气复合储能系统的实时负荷预测
控制策略，通过超前调度压缩空气储能系统出力，有效克服了压缩空气储能系统因为机械
惯性，气动设备响应延迟等问题，提高压缩空气储能系统的响应速度，减少了蓄电池使用
量，增强了系统的整体经济型。

图1是本发明的一种实现硬件结构拓扑，风力发电机组(1)采用定桨距永磁直驱式
结构，通过Boost变换器(2)连接到直流母线；蓄电池(3)通过双向DC/DC变换器(4)连接到系
统直流母线上；压缩/膨胀设备采用涡旋式压缩膨胀一体机(5)，一体机后同轴接永磁同步
发电/电动机(6)并通过双向AC/DC变流器(7)连接到直流母线。

如前所述的涡旋式压缩膨胀一体机工作模式如下：压缩模式时，动涡盘在原动机
驱动下旋转，将气体从进气口吸入，依次进入压缩腔室和排气腔室，气体因腔室容积变化而
压缩，最终压缩气体经中心气孔排出进入气罐；而膨胀模式与压缩工作原理类似，但旋转方
向相反，压缩气体由中心气孔进入，在动静涡盘组成的封闭腔室内膨胀后排出，并通偏心主
轴功率输出，完成气体内能和机械能的转化。

图1中的Boost变换器工作在CCM模式下，输入、输出电压之间的关系可以表示为：

$1-D=\frac{u_{in}}{u_{dc}}=\frac{{\mathrm{KV}}_g}{u_{dc}}=\frac{K(\sqrt{{\left({\mathrm{k\φ\ω}}_g\right)}^2-I_g{x}_s}-I_g{R}_s)}{u_{dc}}$

由于Boost变流器后端的母线电压udc保持恒定，所以改变占空比D可以改变风机
转速，进而改变风机工作点，保证其工作在传统风力发电模式下的最大功率跟踪状态
(MPPT)。

压缩过程中AC/DC变换器工作于逆变状态，驱动电机带动涡旋机压缩空气储能，涡
旋机功率为：

$P_{com}=\frac{\mathrm{\ω}}{60}\left(p_s{V}_s\frac{m_1}{m_1-1}\right({\mathrm{\ρ}}^{\frac{m_1-1}{m_1}}-1\left)\right)$

其中，ρ＝pa/ps表示系统压缩比，pa为大气压力，ps为涡旋机排气压，由于压缩过
程中电磁阀全部打开(k＝1)，所以ps等于气罐内气体压力。Vs为涡旋机腔室体积，m1为空气
压缩指数，与气体压缩过程中与外界能量交换的程度有关，ωg为涡旋机转速。

膨胀过程中，涡旋机膨胀做功带动永磁同步电机发电，变流器工作在整流状态，此
时膨胀输出功率为：

$P_{\exp }=\frac{1}{4\mathrm{\ρ}\mathrm{\π}}\left\{\left(p\right(2{\mathrm{\ρV}}_s+\left(\mathrm{\ρ}-1\right)V_d)-p_d(1+p^2\left)V_s\right)\mathrm{\ω}\right\}$

其中，ρ＝pc/pout，为系统膨胀比，pc为进气口实际压力，可由电磁阀控制，pout和
pd分别表示理论排气压力和实际排气压力

涡旋机膨胀过程中存在摩擦、泄露等损耗，其效率与涡旋机转速、进气口压力等密
切相关，罐内气压很高时，过高的进气压力会导致膨胀机运行于过膨胀状态，增加功率损
耗。因此需要通过控制涡旋机进气口的气压，保持实际膨胀比接近额定膨胀比,涡旋机进气
口压力满足：

$\frac{{\mathrm{dp}}_c}{dt}=\frac{1}{V}\{R\sqrt{T_s}{\mathrm{\γC}}_f{\mathrm{Su}}_p{p}_{s}f(p,p_s)-{\mathrm{\ρ}}_{air}{\mathrm{pV}}_{in}{\mathrm{\ω}}_g\}$

其中uP为比例阀门开度，ps，Ts是气罐气体压力和温度；r，cf为气体常量和排气系
数；S，V为阀门截面积和阀门与进气口间缓冲区体积；P，ρair是大气压力和标况下空气密
度。

稳定工作时，进气口压力保持恒定，罐内气压变化很缓慢，f(p,ps)可认为不变，因
此气体压力的变化主要受涡旋机转速(ωg)影响，由式可知，涡旋机膨胀输出功率的变化是
进气口压力的主要扰动源，为了克服涡旋机和气动部件响应速度慢的缺点，本文将负荷预
测值(P*CAES)作为前馈控制量，提前控制比例阀门开度，从而保证系统风速和负荷不断变
化过程中能够快速的维持进口气压维持。

本发明短期负荷预测控制的一种实现方式包括以下步骤：

(1)根据微型压缩空气储能风力发电系统结构，建立定桨距永磁直驱结构下的风
力发电系统模型。

(2)对系统中的关键部件涡旋机进行特性分析，建立涡旋式复合机动态模型。

(3)根据系统平台结构，设计相应的控制结构。分析系统运转在压缩与膨胀模式下
出工和系统部件的工作状态。

(4)根据系统结构，针对负载或风速不稳定导致的风电功率不平衡，制定系统压缩
和膨胀时的能量控制策略。选取时间序列差分自回归模型(ARIMA)对系统负荷进行预测，提
前调度压缩空气储能系统运转，提高系统动态响应速度，降低蓄电池容量和功率，提高电池
寿命。

步骤(1)中，在当前系统结构中。风轮机获得的风能可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}p\left(t\right)=\frac{1}{2}{c}_p\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}A{v}^3\\ \mathrm{\λ}={\mathrm{r\ω}}_m/v\end{array}\right.$

其中ρ为空气密度，r为风力机半径，v为风速大小。ωm为叶尖速，Cp为风能利用系
数，本发明所用的微型风机采用定桨距控制，风能利用系数可以表示为：

$C_p\left(\mathrm{\λ}\right)=0.5176(\frac{116}{\mathrm{\λ}}-9.06)e^{0.735-\frac{21}{\mathrm{\λ}}}+0.0068\mathrm{\λ}$

永磁同步发电机相电压方程为：

$V_g=\sqrt{E^2-I_g{x}_s}-I_g{R}_s$

上式中，E为发电机磁电动势且E＝kφωg，为发电机磁场，Rs为定子电阻，xs为同
步电抗。

所述步骤(2)中的涡旋机相比传统气动设备，具有腔室间气体压差小，气体泄漏
小，能量转换效率高，而且其结构简单，可压缩、膨胀双向运行的优点，非常适合于微小型压
缩空气储能系统，涡旋机主要由动涡盘和静涡盘两部分组成。压缩模式时，动涡盘在原动机
驱动下旋转，将气体从进气口吸入，依次进入压缩腔室和排气腔室，气体因腔室容积变化而
压缩，最终压缩气体经中心气孔排出进入气罐；而膨胀模式与压缩工作原理类似，但旋转方
向相反，压缩气体由中心气孔进入，在动静涡盘组成的封闭腔室内膨胀后排出，并通偏心主
轴功率输出，完成气体内能和机械能的转化。

将压缩气体看作理想气体，综合考虑涡旋式复合机运行时流量、转矩与转速和气
压之间的关系，考虑气体泄漏和摩擦损耗，建立了涡旋式复合机动态模型如下：

$\left\{\begin{array}{cc}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_{ca}-T_e-{\mathrm{\σM}}_f\mathrm{\ω}& \mathrm{\σ}=(-1,1)\\ \frac{{\mathrm{dp}}_i}{dt}=\frac{{\mathrm{\γRT}}_i}{V_i}\frac{f(m_{i+1}-m_i)}{dt}-\frac{p_i\mathrm{\γ}}{V_i}\frac{{\mathrm{dV}}_i}{dt}& i=(1,2,3)\end{array}\right.$

其中：

$T=\left\{\begin{array}{cc}\frac{rLh}{2}\left(\right(2-\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}}){\mathrm{\Δp}}_1+(4-\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}}){\mathrm{\Δp}}_2+(6-\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}}\left){\mathrm{\Δp}}_3\right)& \mathrm{\σ}=1\\ \frac{Lh}{\mathrm{\π}}({\mathrm{\θp}}_1+(2\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}){\mathrm{\Δp}}_2+(4\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}\left){\mathrm{\Δp}}_3\right)& \mathrm{\σ}=-1\end{array}\right.$

$m_i=c_f{A}_i{p}_{i}f(p_{i+1}/p_i)/\sqrt{T_i},i=1,2$

Tca为气体转矩，Te为外部电磁转矩，Mf为等效摩擦系数，σ为涡旋机运行模式，压
缩时为1，膨胀时为-1，cf为气体常数，L，h分别为涡盘节距和高度，Pi为涡旋机子腔室气压，
mi表示腔室i向腔室(i+1)的气体泄露质量。

根据系统部件，设计了步骤(3)中所述的压缩空气储能系统控制结构，其中涡旋机
与永磁同步电机直接相连，经双向DC/AC变流器接入直流母线，双向变流器采用同步旋转dq
坐标系PI控制，利用功率外环PI调节生成参考电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使
dq轴电流跟踪参考值。其中d轴电流参考给定值id*设定为0。气压反馈和补偿PI控制器用来
控制涡旋机气体出口和气罐之间的电磁阀阀门开度，从而完成膨胀过程中涡旋机入口气体
压力和流量的控制。

图2是步骤3所述中控制结构的一种实现示意图，其中双向变流器采用同步旋转dq
坐标系PI控制，利用功率外环PI调节生成参考电流分量，再由电流内环反馈及补偿控制使
dq轴电流跟踪参考值。其中d轴电流参考给定值id*设定为0。气压反馈和补偿PI控制器用来
控制涡旋机气体出口和气罐之间的电磁阀阀门开度，从而完成膨胀过程中涡旋机入口气体
压力和流量的控制。

步骤(4)中阐述的时间序列差分自回归模型(ARIMA)如下：

其中，

θ(B)＝1-θ1B-θ2B2-…-θpBp

▽＝1-B

式中：{Xt}(t＝1,2,3,…)为时间序列；{at}为均值为0、方差为σ2的正态白噪声过
程；和为模型θj(j＝1,2,...p)后移差分算子。

系统运行过程中，风机和负荷的功率差X(Z)经ARIMA模块预测后得到压缩空气储
能系统参考功率P*CAES，经过压缩空气储能系统延迟时间τ后输出实际功率PCAES，未被压
缩空气储能系统吸收的剩余功率由蓄电池(Pb)补充。

图3是本发明短期预测控制功率分配流程图，风机和负荷功率差预测后作为压缩
空气储能系统的给定，压缩空气储能系统响应误差作为蓄电池的功率给定。

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。