[发明专利]一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统。

背景技术

目前风力发电系统受到风能波动性和间歇性制约，不能长时间连续稳定供能，传统的蓄电池由于价格昂贵，无法做到大容量储能。压缩空气储能成本低，寿命长，没有蓄电池的二次污染，适合应用在风电系统中的作为大容量储能设备。

一般机械式的风力机压缩空气则多采用刚性传动，部件多且结构复杂，一般只能制取高压空气用于燃烧释放，不能作为储能设备调节风力发电系统的功率平衡，更无法被系统再次高效利用。虽然采用风力可以节省电力成本，但是在压缩空气装置启动停止时不可避免的产生机械冲击，齿轮磨损加重，不可避免的出现强烈的振动、噪声和润滑等问题，最终导致运行环境差，维护困难，寿命短暂。并且机械传动的系统运行和维护。

现在多数能够应用在风力发电系统中的压缩空气储能设备所存在的问题有二，一是使用风力发电产生的电能带动电动机压缩空气，能量转化环节多，造成储能有损失；二是采用燃气轮机燃烧混合高压空气的燃料来释放储存的空气内能，虽然可以调节功率供给，但是燃烧排放的废气除了环境污染还损失了大量热能，同时还需要依赖燃气轮机、天然气管道等配套设施与其配合，结构复杂，成本昂贵，储能转换利用的效率低下。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，该系统可将独立的压缩空气储能释能设备以机械耦合和电耦合两种方式灵活接入风力发电系统，既能消纳风力直接压缩空气，代替蓄电池进行大规模的储能，又能直接利用压缩空气膨胀发电，释放风能。有效调节风力发电系统的能量供需平衡，而且储能规模大，效率高且无污染。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，包括风力机、电控离合器、第一电机、第二电机、涡旋复合机、气路、储气装置和PC上位机；其中，风力机与第一电机一端轴连，构成风力发电子系统；第二电机与涡旋复合机轴连，涡旋复合机的气口通过气路与储气装置相连，构成压缩空气储能释放一体化子系统；所述第一电机和第二电机轴都是两端引出，电控离合器将第一电机和第二电机进行轴连，将风力发电子系统和压缩空气储能释放一体化子系统结合起来。

为采集系统运行信息，所述风力机与第一电机的连接轴上设置有第一转速转矩传感器用以获得第一发电机的转矩转速；所述第二电机与涡旋复合机的连接轴上设置有第二转速转矩传感器用以获得第二电机的转矩转速。

所述气路上装有第一气体检测装置和第二气体检测装置，各自包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，第一气体检测装置用以检测涡旋复合机气口的气体压力、流量和温度，第二气体检测装置用以检测储气装置的气体压力、流量和温度。

所述气路上连接有第一热交换器、蓄热器、第二热交换器、单向阀和比例控制阀，分为两条气路；一条是压缩气路，涡旋复合机压缩产生的高压气体经过单向阀和第一换热器进入储气装置；另一条是膨胀气路，储气装置内的高压气体经过比例控制阀和第二换热器进入涡旋复合机膨胀后释放。

所述第一换热器和第二换热器之间通过蓄热器交换热能。所述涡旋复合机采用中国专利申请201110002249中名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩－膨胀复合机》中的复合机，其既可以对低压气体进行压缩也可以对高压气体进行膨胀，是完成压缩空气储能和释放一体化的重要部件。

所述第一电机和第二电机的定子绕组分别连接第一变流器和第二变流器，变流器之间通过直流母线连接，变流器通过各自的驱动器控制，驱动器的控制信号通过PC上位机改变。

所述直流母线上连接有蓄电池、超级电容和用电负载。

本发明的工作原理为：

风力机受风力推动，带动第一电机发电，电能通过第一变流器到达直流母线。风力机会受到风能波动影响从而导致电机的转速不稳定，直流母线上的电压和电流会产生高频波动。对瞬时快速储能装置(蓄电池和超级电容)进行充放电可以平抑波动，保证直流母线的稳定，以此保证负载平衡和系统稳定运行。根据当前风速和风机特性曲线，可以找到此风速下风机达到最大功率输出的最优转速。通过驱动器控制第一变流器，可以调节第一电机的转速和转矩，改变风力机的负载，从而跟踪风力机的最优转速，实现风力机的最大功率的追踪。第一转速转矩传感器检测风机输出轴的转速转矩，以便PC上位机对第一电机进行闭环控制。