本發(fā)明涉及一種可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)及其優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

常規(guī)能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨嚴重使得風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電得到了極大的關(guān)注和發(fā)展。然而可在生能源的不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的非穩(wěn)態(tài)特性導(dǎo)致其功率難以有效預(yù)測、調(diào)度和控制，嚴重制約其發(fā)展和利用。儲能技術(shù)能夠?qū)﹄娔苓M行時空平移，為平抑可再生能源功率波動、改善電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性等提供了一種有效手段，業(yè)已成為可再生能源大規(guī)模利用不可或缺的組成部分和至關(guān)重要的技術(shù)支撐。

壓縮空氣儲能技術(shù)因其具有儲能成本低、環(huán)境友好、無相變損耗的優(yōu)點而成為近年來備受關(guān)注的大規(guī)模儲能技術(shù)。為了提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能量密度和功率密度，目前大多數(shù)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)都采取多級壓縮、多級膨脹的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，然而壓縮空氣儲能系統(tǒng)充電或者放電過程中，儲氣罐的氣壓將不斷變化，壓縮機\膨脹機的實際工作壓縮比\膨脹比偏離設(shè)計的比例，這使得壓縮機、膨脹機組大多數(shù)時間工作在非設(shè)計工況的條件下，甚至超出工作范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)效率和經(jīng)濟性大幅度降低，整個系統(tǒng)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

為了克服上述問題，很多壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用限制儲氣壓力變化的方法，儲氣壓力被限制在很小的變化范圍內(nèi)運行，以防止壓縮、透平設(shè)備大范圍偏離額定設(shè)計工況，如德國的Hunterf電站儲氣室額定氣壓72bar，但是正常運行期間壓力范圍僅為46bar～66bar，導(dǎo)致壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣罐容量利用率很低，浪費嚴重。此外一些壓縮空氣儲能系統(tǒng)在透平發(fā)電過程中采用節(jié)流的方法維持透平設(shè)備進氣壓力恒定，保證效率和輸出功率，但是節(jié)流的過程會造成一部分能量損耗，降低系統(tǒng)效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)及其優(yōu)化控制方法，本發(fā)明能夠根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整氣路結(jié)構(gòu)，改變接入系統(tǒng)的壓縮\透平機組數(shù)量以及機組之間的串并聯(lián)關(guān)系，自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)壓縮、膨脹比例，盡量接近當(dāng)前氣罐壓力下實際工作壓力比，以避免長時間、大范圍偏離設(shè)計工況，從而有效提高了系統(tǒng)的整體循環(huán)效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，包括壓縮空氣儲能機組和可重構(gòu)氣路系統(tǒng)，其中：

所述壓縮空氣儲能機組包括若干壓縮設(shè)備，所述壓縮設(shè)備均連接有帶動其工作的電動設(shè)備，所述壓縮設(shè)備的輸出端連接儲氣裝置的輸入口，所述儲氣裝置的輸出口連接有若干個膨脹設(shè)備，每個膨脹設(shè)備連接有一個發(fā)電設(shè)備；

所述可重構(gòu)氣路系統(tǒng)，包括多個氣流管路，所述氣流管路包括壓縮設(shè)備、膨脹設(shè)備之間的連接管路，以及各個壓縮設(shè)備與儲氣裝置的連接管路，各個膨脹設(shè)備與儲氣裝置的連接管路，且每個氣流管路上均設(shè)置有開關(guān)閥；

通過控制各個開關(guān)閥的開斷，調(diào)整所述各個壓縮設(shè)備或/和膨脹設(shè)備之間的串并聯(lián)關(guān)系與接入數(shù)量。

優(yōu)選的，所述壓縮設(shè)備之間通過氣流管路級聯(lián)。

優(yōu)選的，所述膨脹設(shè)備之間通過氣流管路級聯(lián)。

所述壓縮設(shè)備的輸入端均通過氣流管路連接空氣入口，輸出端均通過氣流管路連接儲氣裝置。

所述膨脹設(shè)備的輸入端均通過氣流管路連接儲氣裝置，輸出端連接排氣通道。

所述壓縮設(shè)備一側(cè)的氣流管路上的開關(guān)閥為電磁閥，所述膨脹設(shè)備一側(cè)的氣流管路上的開關(guān)閥為節(jié)流閥。

優(yōu)選的，相鄰的壓縮設(shè)備之間、膨脹設(shè)備之間連接有緩沖罐，以穩(wěn)定氣壓。

所述壓縮設(shè)備一側(cè)為儲能系統(tǒng)的壓縮系統(tǒng)，膨脹設(shè)備一側(cè)為儲能系統(tǒng)的透平系統(tǒng)。

一種基于雙層預(yù)測控制的可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：

(1)確定每個壓縮設(shè)備和膨脹設(shè)備的動態(tài)方程，建立壓縮空氣儲能系統(tǒng)預(yù)測控制模型；

(2)根據(jù)當(dāng)前輸入或者輸出工況，以儲能或釋能過程效率最高為目標(biāo)，確定系統(tǒng)上層目標(biāo)函數(shù)；

(3)根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，設(shè)置上層約束條件，完成上層優(yōu)化，確定最優(yōu)重構(gòu)結(jié)構(gòu)，同時給出下層的動態(tài)優(yōu)化的輸入給定；

(4)在線優(yōu)化求解，將模型預(yù)測控制的求解轉(zhuǎn)換為一個混合整數(shù)二次規(guī)劃問題，通過求解優(yōu)化問題得到優(yōu)控制序列，不斷滾動優(yōu)化。

所述步驟(1)中，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒等物理定律確定每個模態(tài)的動態(tài)方程，選擇模型中便于測量和需要控制的變量作為整個系統(tǒng)動態(tài)方程的輸入、輸出變量，對于模型中難以測量或者無法測量的變量采用經(jīng)驗值或通過實驗數(shù)據(jù)進行估計，得到每個單獨壓縮、膨脹 設(shè)備的動態(tài)方程。

所述步驟(1)中，所述輸入、輸出變量包括轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、氣壓和/或流量。

所述步驟(1)中，所述難以測量或者無法測量的變量包括泄漏間隙，流量系數(shù)和/或摩擦系數(shù)。

所述步驟(2)中，所述儲能過程的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置過程的具體步驟包括：

(2-1)確定壓縮儲能過程中單獨一個壓縮設(shè)備儲能效率；

(2-3)根據(jù)可重構(gòu)壓縮空氣儲能內(nèi)在組成特性和外部使用環(huán)境對儲能系統(tǒng)的輸入、輸出功率要求，以及儲能系統(tǒng)自身的物理條件限制，劃分所有可能的重構(gòu)模式；

(2-3)計算每一重構(gòu)模式下壓縮空氣儲能系統(tǒng)整體效率；

(2-4)根據(jù)當(dāng)前的氣壓和功率要求選擇最優(yōu)的重構(gòu)模式。

所述步驟(2)中，所述釋能過程的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置過程的具體步驟包括：

(2-a)確定膨脹釋能過程中單獨一個膨脹設(shè)備的透平效率；

(2-3)根據(jù)可重構(gòu)壓縮空氣儲能內(nèi)在組成特性和外部使用環(huán)境對儲能系統(tǒng)的輸入、輸出功率要求，以及儲能系統(tǒng)自身的物理條件限制，劃分所有可能的重構(gòu)模式；

(2-3)計算每一重構(gòu)模式下透平系統(tǒng)整體效率；

(2-4)根據(jù)當(dāng)前的氣壓和功率要求選擇最優(yōu)的重構(gòu)模式。

所述步驟(3)中，約束條件包括整個儲能系統(tǒng)的工作壓比約束、功率約束以及氣壓和轉(zhuǎn)速約束。

所述步驟(4)中，具體方法為：將模型預(yù)測控制的求解轉(zhuǎn)換為一個混合整數(shù)二次規(guī)劃MIQP(Mixed Integer Quadratic Programming)問題，通過求解優(yōu)化問題得到優(yōu)控制序列，選擇第一個控制信號作為當(dāng)前時刻的控制量，在下一個時刻繼續(xù)重復(fù)上述過程，不斷滾動優(yōu)化。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提出一種新型的可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，相對固定流程結(jié)構(gòu)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，本發(fā)明系統(tǒng)能夠根據(jù)儲氣罐壓力變化范圍靈活重組串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而改變單個壓縮膨脹設(shè)備的實際工作壓比，避免其工作在非設(shè)計工況的條件下，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率和經(jīng)濟性；

(2)本發(fā)明可以根據(jù)實際系統(tǒng)對儲能裝置功率要求，合理的切入切出部分設(shè)備，從而進一步降低功率、低流量狀態(tài)條件下設(shè)備的摩擦、泄漏損壞，提高系統(tǒng)效率，同時有效拓展了儲能系統(tǒng)的工作范圍和功率邊界條件，提高其靈活性；

(3)本發(fā)明提出了一種針對可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的雙層優(yōu)化預(yù)測控制策略，有效的解決了重構(gòu)結(jié)構(gòu)選擇和單個壓縮膨脹設(shè)備實時控制對控制器時間尺度、精度等的不同要求，具有很強的工程實用性；

(4)本發(fā)明能夠根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整氣路結(jié)構(gòu)，改變接入系統(tǒng)的壓縮\透平機組數(shù)量以及機組之間的串并聯(lián)關(guān)系，有效解決了傳統(tǒng)固定流程結(jié)構(gòu)隨著儲氣壓力變化以及壓縮空氣儲能系統(tǒng)輸入輸出功率需要大范圍變化過程中導(dǎo)致的壓縮\膨脹設(shè)備偏離設(shè)計工況的問題，有效提高了系統(tǒng)的整體循環(huán)效率和控制靈活性。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)多級壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明的可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理示意圖；

圖3是本發(fā)明雙層預(yù)測控制原理圖；

圖4(a)是固定并聯(lián)模式的效果的仿真結(jié)果圖；

圖4(b)是固定串聯(lián)模式的效果的仿真結(jié)果圖；

圖4(c)是本發(fā)明可重構(gòu)模式的效果的仿真結(jié)果圖；

其中，1、壓縮設(shè)備，2、膨脹設(shè)備，3、儲氣設(shè)備，4、電動設(shè)備，5、發(fā)電設(shè)備，6、電磁閥，7、節(jié)流閥。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖2為本發(fā)明提供的一種可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)與如圖1所示的傳統(tǒng)固定流程結(jié)構(gòu)的原理行對比。本發(fā)明所述的壓縮空氣儲能系統(tǒng)包括壓縮空氣儲能機組和可重構(gòu)氣路兩部分：

其中壓縮空氣儲能機組包括若干壓縮設(shè)備(1)、膨脹設(shè)備(2)、緩沖罐、儲氣設(shè)備(3)、發(fā)電設(shè)備(5)、電動設(shè)備(4)等，壓縮設(shè)備通過軸和電動設(shè)備連接；所述的膨脹設(shè)備通過軸和電動設(shè)備連接；緩沖罐連接在相鄰壓縮或膨脹設(shè)備之間，起到穩(wěn)定氣壓的作用。

可重構(gòu)氣路結(jié)構(gòu)包含若干節(jié)流閥(7)、電磁閥(6)等閥門，可以通過控制閥門開通關(guān)斷改變氣路的連接方式。

本發(fā)明提出的壓縮空氣儲能機組和可重構(gòu)氣路結(jié)合，可以改變壓縮或者膨脹設(shè)備之間的串并聯(lián)關(guān)系，也可以通過調(diào)整氣路切入、切除部分壓縮膨脹設(shè)備，改變接入系統(tǒng)的壓縮、膨脹設(shè)備數(shù)量。

上述可重構(gòu)系統(tǒng)的工作流程如下：

一種基于雙層預(yù)測控制的可重構(gòu)壓縮空氣儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，其基本原理如圖3所示，包括以下步驟：

步驟(1)：首先建立壓縮空氣儲能系統(tǒng)預(yù)測控制模型；

步驟(2)：根據(jù)當(dāng)前輸入或者輸出工況，以儲能(釋能)過程效率最高為目標(biāo)，確定系統(tǒng)上層目標(biāo)函數(shù)；

步驟(3)：設(shè)置上層約束條件，根據(jù)步驟(2)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)和約束條件。所述約束條件包括電負荷平衡約束，壓縮、膨脹設(shè)備最大輸入輸出功率限制約束，壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣容量約束；

步驟(4)完成上層優(yōu)化，確定最優(yōu)重構(gòu)結(jié)構(gòu)，同時給出下層的動態(tài)優(yōu)化的輸入給定。

步驟(5)：在線優(yōu)化求解，將模型預(yù)測控制的求解轉(zhuǎn)換為一個混合整數(shù)二次規(guī)劃MIQP(Mixed Integer Quadratic Programming)問題，通過求解優(yōu)化問題得到優(yōu)控制序列，選擇第一個控制信號作為當(dāng)前時刻的控制量，在下一個時刻繼續(xù)重復(fù)上述過程，不斷滾動優(yōu)化；

所述步驟(1)的步驟為：

1、根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒等物理定律確定每個模態(tài)的動態(tài)方程，選擇模型中方便測量和需要控制的變量(如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，氣壓、流量)作為整個系統(tǒng)動態(tài)方程的輸入、輸出變量，對于模型中難以測量或者無法測量的變量(如泄漏間隙，流量系數(shù)、摩擦系數(shù))采用經(jīng)驗值或通過實驗數(shù)據(jù)進行合理估計，最終得到每個單獨壓縮、膨脹設(shè)備的動態(tài)方程；

2、根據(jù)模型預(yù)測控制對模型的結(jié)構(gòu)形式要求，對上述建立的模塊化模型進行標(biāo)準化處理并最終得到如下的單個壓縮、膨脹設(shè)備流量、轉(zhuǎn)矩、排氣溫度的動態(tài)方程：

q＝C₁n-C₂ξn^-1-C₃ξ²

M＝C₄ξ+C₅n+C₆

式中：M為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速q為流量，T為排氣溫度，c_p空氣比熱容比。ξ為單個壓縮設(shè)備的實際工作壓比。C₁到C₉為擬合參數(shù)，通過實驗測量和系統(tǒng)辨識得到。

所述步驟(2)包括以下步驟：

1、壓縮儲能過程中，單獨一個壓縮設(shè)備的儲能效率η_com，i為：

式中：M為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速，ρ為標(biāo)況下空氣密度，q為壓縮流量，T為排氣溫度，c_p空氣比熱容比。ξ為單個壓縮設(shè)備的實際工作壓比。

2、根據(jù)可重構(gòu)壓縮空氣儲能內(nèi)在組成特性和外部使用環(huán)境對儲能系統(tǒng)的輸入、輸出功率要求，以及儲能系統(tǒng)自身的物理條件限制，合理劃分所有可能的重構(gòu)形式。

3、任一重構(gòu)模式下壓縮空氣儲能系統(tǒng)整體效率η_{com_tot，}σ可以表示為：

式中m為所有壓縮設(shè)備的個數(shù)，σ為系統(tǒng)所有可能的模態(tài)，σ＝k時表示系統(tǒng)處于第k種重構(gòu)模態(tài)。

4、根據(jù)當(dāng)前的氣壓和功率要求選擇最優(yōu)的重構(gòu)模式σ，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)如下：

5、膨脹釋能過程目標(biāo)函數(shù)設(shè)置和壓縮過程相同，僅需將單獨一個壓縮設(shè)備的儲能效率替換為單獨一個膨脹設(shè)備的透平效率表達η_exp，i：

式中：M為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速，ρ為標(biāo)況下空氣密度，q為壓縮流量，T為排氣溫度，c_p空氣比熱容比。ξ為單個壓縮設(shè)備的實際工作壓比。

所述步驟(3)中的約束條件包括整體的工作壓比約束：

式中Nσ為第σ種重構(gòu)系統(tǒng)中所有串聯(lián)設(shè)備的級數(shù)。

所述步驟(3)中的約束條件還包括功率約束：

式中P_max,n為單個壓縮/膨脹設(shè)備在某一氣壓下最大輸入/輸出功率，P_g為儲能系統(tǒng)當(dāng)前接收到的功率給定。

所述步驟(3)中的約束條件還包括氣壓和轉(zhuǎn)速約束：

式中p_k為儲氣設(shè)備當(dāng)前時刻壓力，q為單個設(shè)備的質(zhì)量流量，R_g為理想氣體質(zhì)量常數(shù)，s位某重構(gòu)結(jié)構(gòu)下所有并聯(lián)壓縮、膨脹設(shè)備的個數(shù),T為儲氣設(shè)備溫度，p0 stor，p1 stor分別為儲氣設(shè)備最小和最大允許壓力。

仿真過程中采用渦旋式壓縮\膨脹機作為壓縮/膨脹設(shè)備，分別測試不同結(jié)構(gòu)下壓縮空氣儲能系統(tǒng)從1bar壓縮空氣儲能到10bar整個過程的系統(tǒng)效率。圖4a是2個壓縮設(shè)備并聯(lián)的效率結(jié)果，圖4b是2級串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的效率，圖4c是可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的結(jié)果，2個壓縮設(shè)備開始采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在儲氣壓力達到5個bar時候切換結(jié)果到串聯(lián)。對比可知，可重構(gòu)結(jié)果能夠明顯提高系統(tǒng)的整體效率。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。