[发明专利]一种可重构压缩空气储能系统及其优化控制方法

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。