新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統(system)膨脹助力控制褚曉廣I2，張承慧孔英3，李珂\王吉紅4（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟南250061；2.曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院，日照276826；3.濟寧醫學(xué)院醫學(xué)信息工程學(xué)院，日照276800；4.英國華威大學(xué)工程學(xué)院，考文垂CV47AL）模式混雜動(dòng)態(tài)模型。提出了渦旋機柔性切入、切入后動(dòng)態(tài)協(xié)調以及膨脹助力優(yōu)化控制等三級膨脹助力控制策略，采用輸入輸出反饋線(xiàn)性化以及前饋控制等方法完成控制器設計?；?kW風(fēng)電系統試驗(test)平臺驗證了控制策略的有效性，提高了模式切換過(guò)渡過(guò)程和風(fēng)能捕獲的動(dòng)態(tài)速度，有效降低了壓縮氣體的消耗，渦旋機全效率提升至46.7%.：機械耦合；壓縮空氣儲能；渦旋機；膨脹；動(dòng)態(tài)協(xié)調隨著(zhù)常規能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨嚴重，新能源技術(shù)已成為全球經(jīng)濟增長(cháng)以及能源可持續發(fā)展(Develop)的新引擎。風(fēng)力發(fā)電因其完全污染、蘊含容量大等優(yōu)點(diǎn)獲得長(cháng)足發(fā)展，但風(fēng)電功率波動(dòng)性影響供電質(zhì)量，尤其當其大面積并網(wǎng)后對電網(wǎng)安全、運行成本等帶來(lái)了諸多負面影響，已成為風(fēng)電大規模推廣應用的制約瓶頸。研究（research)表明能量存儲是解決上述問(wèn)題、提高電能輸出質(zhì)量最有效手段之一。
　　風(fēng)電系統采用的儲能方式主要有電池、超級電容(capacitance)、飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣(Basin air)儲能等幾種。與其他儲能方式相比，壓縮空氣儲能是唯一可在綜合效益方面和抽水蓄能相媲美的儲能方式，備受儲能界關(guān)注。但傳統壓縮空氣儲能是由燃氣輪機技術(shù)發(fā)展而來(lái)，氣體膨脹需與化石燃料混合燃燒，特別是其對地理環(huán)境、化石燃料的依賴(lài)以及排放污染等方面限制了其大規模推廣。近年來(lái)，興起了多種應用于風(fēng)電領(lǐng)域無(wú)污染的壓縮空氣儲能（compressedairenergy storage，CAES）技術(shù)，但普遍存在轉化環(huán)節多、氣動(dòng)基金項目：國家自然科學(xué)基金重大國際（地區）合作(collaborate)研究資助項目（61320106011）；曲阜師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項目（2012008）；曲阜師范大學(xué)學(xué)校級基金資助項目（2013kj0009）。
　　通訊作者：褚曉廣，xgchu163.com.天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）負載負載電壓控制器！
　　非可控整流器Buck變流器1新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統工作(gōng zuò)原理新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統（見(jiàn)）由風(fēng)機、機械費合裝置、壓縮空氣儲能、永磁發(fā)電機、Buck變流器以及輔助(Aid)性負載等幾部分組成。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。因風(fēng)速、負載等工況變化，系統可運行于傳統(Tradition)風(fēng)電、壓縮儲能以及膨脹助力等3種工作模式（見(jiàn)），其中壓縮儲能和膨脹助力間模式切換需由渦旋機壓縮和膨脹復用功能(gōng néng)改變而實(shí)現，但動(dòng)渦盤(pán)快速逆轉極易導致渦盤(pán)損壞，為此模式切換必須以傳統風(fēng)電模式作為切換中介。
　　2.1風(fēng)機模型小型風(fēng)機一般為直驅定槳距系統，捕獲功率和轉矩完全依靠葉片自動(dòng)調節，分別表示為能利用系數。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　為實(shí)現風(fēng)能最大捕獲，必須控制風(fēng)機轉速使風(fēng)能利用系數最大，此時(shí)風(fēng)機捕獲功率和轉矩為/lmt為優(yōu)化葉尖速比，其由廠(chǎng)家所提供功率曲線(xiàn)獲得，cpmax為最大風(fēng)能利用系數。
　　2.2基于輔助(Aid)性負載調控的發(fā)電系統模型由于永磁發(fā)馬達經(jīng)非可控整流功率輸出，4與ih的夾角相對較小，如果忽略整流橋換向過(guò)程，系統穩定時(shí)可近似認為《s與4同相，則發(fā)電機負載可等效為阻性負載。永磁發(fā)電機定子每相等效電路(Circuits)和相量關(guān)系如所示，其中五為發(fā)電機磁電動(dòng)(electric)勢，其超前于電流（電壓）功率角0，為發(fā)電機g軸電流，晃和Xs分別為定子電阻和同步電抗。
　　由（b）發(fā)電機相量圖可知，發(fā)電機g軸電流為效率低等缺陷為傳統風(fēng)電模式采用輔助性負載實(shí)現風(fēng)能捕獲，由直流側功率平衡可得發(fā)電機直流阻抗為尺A而膨脹助力模式為降低壓縮氣體消耗，輔助性負載必須關(guān)斷，發(fā)電機等效直流阻抗為供電電壓；匕為直流母線(xiàn)電壓。
　?。╝）等效電路（b）相量圖永磁發(fā)電機等效電路和相量3新型壓縮(compression)空氣儲能風(fēng)電系統助力模式動(dòng)態(tài)模型以渦旋機速度、風(fēng)機轉速以及供氣壓力；7為狀態(tài)變量(Variable)，以閥門(mén)開(kāi)度《為輸人變量，建立風(fēng)電系統助力模式動(dòng)態(tài)模型為d外人qu+仰c2人別為風(fēng)機和渦旋機等效轉動(dòng)慣量；S和扎分別為風(fēng)機和渦旋機摩擦系數；（7為切換變量，（7=0，1，-1分別為傳統風(fēng)電模式、壓縮儲能模式以及膨脹助力模式；：Td為渦旋機有效助力力矩；《。為風(fēng)機與渦旋機的變速比；R和匕分別為吸氣體積和排氣體積；為固定膨脹比，'=/7/0；/7d和；分別為排氣壓力和理論排氣壓力；和分別為罐內氣壓和溫度；i為氣體常量；Cf為排氣系數；S為閥門(mén)面積；知為泄漏系數；F為閥門(mén)到進(jìn)氣孔口容積。
　　3傳統(Tradition)風(fēng)電模式(pattern)控制策略傳統風(fēng)電模式為風(fēng)電系統工作模式的切換中介，其高效工作點(diǎn)為渦旋機切人跟蹤狀態(tài)，為此需對其優(yōu)化控制重點(diǎn)研究傳統風(fēng)電模式采用了基于風(fēng)機（Draught Fan）優(yōu)化轉速PI跟蹤和輔助性負載功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少）前饋補償相結合的混合控制策略，實(shí)現最大風(fēng)能捕獲。
　　風(fēng)機優(yōu)化轉速PI跟蹤控制器為旋切動(dòng)協(xié)渦機人態(tài)1/嫌句熱一每楚褚曉廣等：新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統膨脹助力控制為提高動(dòng)態(tài)響應速度，采用供氣閥門(mén)(功能：截止、導流、穩壓、分流等)開(kāi)度直接控制渦旋機的補償轉矩，由式（11）可得基于渦旋機補償轉矩供氣壓力(pressure)的閥門(mén)開(kāi)度為其中4.3膨脹助力模式風(fēng)電系統的優(yōu)化控制為有效降低膨脹助力壓縮氣體消耗，為此必須(have to)實(shí)現基于膨脹助力的風(fēng)機最大功率跟蹤，同時(shí)為提高風(fēng)機最大功率捕獲的動(dòng)態(tài)響應速度，提出了基于渦旋機轉矩前饋補償和風(fēng)機優(yōu)化轉速PI轉速跟蹤相結合的混合控制器。
　　基于風(fēng)機優(yōu)化轉速的渦旋機補償轉矩為由式（11）和式（25）可得渦機優(yōu)化供氣壓力(pressure)為凡=置風(fēng)機優(yōu)化轉速跟蹤控制器為新型風(fēng)電系統膨脹助力模式總控制器輸出(Output)為w 5試驗驗證搭建了新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統試驗平臺（如所示），其中1kW風(fēng)機由西門(mén)子變頻器（MM440）和4kW西門(mén)子異步機進(jìn)行模擬；渦旋機經(jīng)由電磁離合器和皮帶(與風(fēng)機在發(fā)馬達前端耦合，變速比nc為1.2；負載電壓（DC100V）由Buck變流器控制實(shí)現，為風(fēng)機轉速變化軌跡。
　　渦旋機供氣壓力模型為標準(biāo zhǔn)非線(xiàn)性仿射系統，即其中鑒于執嚴格為正，對其進(jìn)行反饋線(xiàn)性化設供氣壓力偏差為e=A-p，其開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性為為使供氣壓力具有良好跟蹤性能，設置e =-kae，其中ka為正控制增益，則供氣壓力前饋控制器輸出為鑒于模型參數經(jīng)常變化，為提高系統魯棒性，設風(fēng)電系統初始風(fēng)速(Wind speed)為5.7m/s，罐內氣壓為0.5MPa，負載為100W，風(fēng)機運行于傳統風(fēng)電模式，協(xié)調控（釋義：調節、控制）制器通過(guò)開(kāi)關(guān)管占空比的調節，實(shí)現風(fēng)機優(yōu)化轉速跟蹤，即使在50，s和75s負載功率發(fā)生100W和50，W跳變（（b）），占空比能夠快速調整(Adjustment)實(shí)現風(fēng)能最大捕獲（（c）），風(fēng)機轉速波動(dòng)僅為20|r/min，同時(shí)輔助性負載功率制熱氣罐氣體，減小了因泄漏和溫度散失等所致氣罐氣壓的降低（reduce)，氣罐氣壓基本維持0.5MPa不變，驗證(Experimental)了本文所提出輔助性負載制熱氣罐氣體，提高氣體內能策略(strategy)的有效性。
　　率僅為200，W，而負載功率250W，為此快速啟動(dòng)渦旋機，系統由傳統風(fēng)電模式切換至膨脹助力模式補充不足功率，由中風(fēng)機轉速和渦旋機轉速對比圖可知，渦旋機僅在0.5s內完成了風(fēng)機轉速的跟蹤（渦旋機轉速因傳動(dòng)變比為風(fēng)機轉速的1.2倍），渦旋機切人時(shí)風(fēng)機轉速平穩，有效降低了渦旋機切人所致的機天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)(technology)版）時(shí)間/s風(fēng)電系統功率變化由風(fēng)電系統功率變化可知：傳統風(fēng)電模式風(fēng)機功率CPwmd）和發(fā)電機功率CPgmeratj基本都為350W，而負載功率和輔助(Aid)性負載功率之和為295W，兩者功率之差為發(fā)電機內部損耗；135s時(shí)風(fēng)時(shí)間/S（C）占空比渦旋機切人后即進(jìn)人膨脹助力控制策略中動(dòng)態(tài)協(xié)調控制階段，負載功率無(wú)法滿(mǎn)足是由風(fēng)速降低所致，系統運行于模式2區，渦旋機以風(fēng)機最大功率點(diǎn)對應轉矩快速補償負載功率之不足，提高了風(fēng)機向最大功率點(diǎn)過(guò)渡（transition)速度，由風(fēng)機轉速變化軌跡可知，風(fēng)機僅用25s實(shí)現了風(fēng)機優(yōu)化轉速的快速跟蹤，此過(guò)渡過(guò)程負載功率的不足由渦旋機實(shí)現了有效補償，補償功率為150W（見(jiàn)）。210s時(shí)負載功率降至200W，在風(fēng)機捕獲功率基本恒定情況(Condition)下，渦旋機根據負載功率變化快速降低膨脹驅動(dòng)功率，助力功率降至75W，同時(shí)風(fēng)機轉速波動(dòng)僅為15r/min，且調節(adjust)時(shí)間也只有10s，即已完成風(fēng)機優(yōu)化轉速跟蹤，有效降低了膨脹助力模式壓縮氣體(gas)的消耗。
　　時(shí)間/s（b）負載電流械沖擊。昆山空壓機保養是回轉式連續氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過(guò)它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　時(shí)間/s（a）風(fēng)速）渦旋機轉速時(shí)間/S）氣體壓力(pressure)風(fēng)機、渦旋機轉速以及氣體壓力變化情況va槭忍褚曉廣等：新型壓縮(compression)空氣(Basin air)儲能風(fēng)電系統膨脹助力控制。607.速降低，協(xié)調控制器快速將輔助性負載功率控制占空比減小至0（見(jiàn)（c）），以消除輔助性負載功率PI控制滯后所致壓縮氣體的額外（extra)損耗；135s后系統進(jìn)人膨脹助力模式，發(fā)電機功率為風(fēng)機功率和渦旋機助力功率（Pexpander）之和，從而驗證了基于皮帶耦合方式可實(shí)現風(fēng)機和渦旋機功率耦合有效性；同時(shí)，負載功率變化時(shí)渦旋機可快速調整補償功率，并可快速實(shí)現風(fēng)機最大功率捕獲，有效降低了壓縮氣體消耗。中給出了壓縮氣體消耗功率（Palr）變化情況，在負載250W和200W階段，氣體消耗功率分別為270W和125W，而此時(shí)渦旋機補償功率分別為126W和56W，渦旋機全效率（“=Pexpmder/Pair，Px―er=Tce隊-Pw，其中Tce和吒由轉矩轉速傳感器(transducer)測試獲得）可達46.7%（而傳統(Tradition)葉輪式馬達氣動(dòng)效率不足20%），從而進(jìn)一步驗證了新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統方案的設計合理性。
　　6結語(yǔ)本文提出了一種新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統，采用渦旋機在發(fā)電機前端平抑風(fēng)機波動(dòng)功率。本文首次將模式(pattern)切換過(guò)程納入系統優(yōu)化控制研究中，并重點(diǎn)研究了膨脹助力模式的優(yōu)化控制。首先建立了膨脹助力模式混雜系統動(dòng)態(tài)模型；進(jìn)而分析了膨脹助力模式切換機理，提出了基于渦旋機柔性切人、切人后動(dòng)態(tài)協(xié)調及膨脹助力優(yōu)化控制等3級膨脹助力控制策略，采用輸人輸出反饋（fǎn kuì）線(xiàn)性化以及前饋補償等方法(method)完成了3級控制器的設計。搭建了1kW新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統試驗平臺，驗證了新型壓縮空氣儲能風(fēng)電系統方案合理性以及膨脹助力模式控制策略的有效性，實(shí)現了壓縮氣體最小消耗的優(yōu)化目標，渦旋機全效率可達46.7%.