新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制

新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制褚晓广I2，张承慧孔英3，李珂\王吉红4（1.山东大学控制科学与工程学院，济南250061；2.曲阜师范大学电气信息与自动化学院，日照276826；3.济宁医学院医学信息工程学院，日照276800；4.英国华威大学工程学院，考文垂CV47AL）模式混杂动态模型。提出了涡旋机柔性切入、切入后动态协调以及膨胀助力优化控制等三级膨胀助力控制策略，采用输入输出反馈线性化以及前馈控制等方法完成控制器设计。基于1kW风电系统试验平台验证了控制策略的有效性，提高了模式切换过渡过程和风能捕获的动态速度，有效降低了压缩气体的消耗，涡旋机全效率提升至46.7%.：机械耦合；压缩空气储能；涡旋机；膨胀；动态协调随着常规能源日益枯竭和环境污染日趋严重，新能源技术已成为全球经济增长以及能源可持续发展的新引擎。风力发电因其完全污染、蕴含容量大等优点获得长足发展，但风电功率波动性影响供电质量，尤其当其大面积并网后对电网安全、运行成本等带来了诸多负面影响，已成为风电大规模推广应用的制约瓶颈。研究表明能量存储是解决上述问题、提高电能输出质量*有效手段之一。

风电系统采用的储能方式主要有电池、超级电容、飞轮、抽水蓄能和压缩空气储能等几种。与其他储能方式相比，压缩空气储能是**可在综合效益方面和抽水蓄能相媲美的储能方式，备受储能界关注。但传统压缩空气储能是由燃气轮机技术发展而来，气体膨胀需与化石燃料混合燃烧，特别是其对地理环境、化石燃料的依赖以及排放污染等方面限制了其大规模推广。近年来，兴起了多种应用于风电领域无污染的压缩空气储能（compressedairenergy storage，CAES）技术，但普遍存在转化环节多、气动基金项目：国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究资助项目（61320106011）；曲阜师范大学博士科研启动基金资助项目（2012008）；曲阜师范大学学校级基金资助项目（2013kj0009）。

通讯作者：褚晓广，xgchu163.com.天津大学学报（自然科学与工程技术版）负载负载电压控制器！

非可控整流器Buck变流器1新型压缩空气储能风电系统工作原理新型压缩空气储能风电系统（见）由风机、机械费合装置、压缩空气储能、永磁发电机、Buck变流器以及辅助性负载等几部分组成。因风速、负载等工况变化，系统可运行于传统风电、压缩储能以及膨胀助力等3种工作模式（见），其中压缩储能和膨胀助力间模式切换需由涡旋机压缩和膨胀复用功能改变而实现，但动涡盘快速逆转极易导致涡盘损坏，为此模式切换必须以传统风电模式作为切换中介。

2.1风机模型小型风机一般为直驱定桨距系统，捕获功率和转矩完全依靠叶片自动调节，分别表示为能利用系数。

为实现风能*大捕获，必须控制风机转速使风能利用系数*大，此时风机捕获功率和转矩为/lmt为优化叶尖速比，其由厂家所提供功率曲线获得，cpmax为*大风能利用系数。

2.2基于辅助性负载调控的发电系统模型由于永磁发电机经非可控整流功率输出，4与ih的夹角相对较小，如果忽略整流桥换向过程，系统稳定时可近似认为《s与4同相，则发电机负载可等效为阻性负载。永磁发电机定子每相等效电路和相量关系如所示，其中五为发电机磁电动势，其超前于电流（电压）功率角0，为发电机g轴电流，晃和Xs分别为定子电阻和同步电抗。

由（b）发电机相量图可知，发电机g轴电流为效率低等缺陷为传统风电模式采用辅助性负载实现风能捕获，由直流侧功率平衡可得发电机直流阻抗为尺A而膨胀助力模式为降低压缩气体消耗，辅助性负载必须关断，发电机等效直流阻抗为供电电压；匕为直流母线电压。

（a）等效电路（b）相量图永磁发电机等效电路和相量。3新型压缩空气储能风电系统助力模式动态模型以涡旋机速度、风机转速以及供气压力；7为状态变量，以阀门开度《为输人变量，建立风电系统助力模式动态模型为d外人qu+仰c2人别为风机和涡旋机等效转动惯量；S和扎分别为风机和涡旋机摩擦系数；（7为切换变量，（7=0，1，-1分别为传统风电模式、压缩储能模式以及膨胀助力模式；：Td为涡旋机有效助力力矩；《。为风机与涡旋机的变速比；R和匕分别为吸气体积和排气体积；为固定膨胀比，'=/7/0；/7d和；分别为排气压力和理论排气压力；和分别为罐内气压和温度；i为气体常量；Cf为排气系数；S为阀门面积；知为泄漏系数；F为阀门到进气孔口容积。

3传统风电模式控制策略传统风电模式为风电系统工作模式的切换中介，其高效工作点为涡旋机切人跟踪状态，为此需对其优化控制重点研究。传统风电模式采用了基于风机优化转速PI跟踪和辅助性负载功率前馈补偿相结合的混合控制策略，实现*大风能捕获。

风机优化转速PI跟踪控制器为旋切动协涡机人态1/嫌句热一每楚褚晓广等：新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制为提高动态响应速度，采用供气阀门开度直接控制涡旋机的补偿转矩，由式（11）可得基于涡旋机补偿转矩供气压力的阀门开度为其中4.3膨胀助力模式风电系统的优化控制为有效降低膨胀助力压缩气体消耗，为此必须实现基于膨胀助力的风机*大功率跟踪，同时为提高风机*大功率捕获的动态响应速度，提出了基于涡旋机转矩前馈补偿和风机优化转速PI转速跟踪相结合的混合控制器。

基于风机优化转速的涡旋机补偿转矩为由式（11）和式（25）可得涡机优化供气压力为凡=置风机优化转速跟踪控制器为新型风电系统膨胀助力模式总控制器输出为w 5试验验证搭建了新型压缩空气储能风电系统试验平台（如所示），其中1kW风机由西门子变频器（MM440）和4kW西门子异步机进行模拟；涡旋机经由电磁离合器和皮带与风机在发电机前端耦合，变速比nc为1.2；负载电压（DC100V）由Buck变流器控制实现，为风机转速变化轨迹。

涡旋机供气压力模型为标准非线性仿射系统，即其中鉴于执严格为正，对其进行反馈线性化。设供气压力偏差为e=A-p，其开环动态特性为为使供气压力具有良好跟踪性能，设置e =-kae，其中ka为正控制增益，则供气压力前馈控制器输出为鉴于模型参数经常变化，为提高系统鲁棒性，设风电系统初始风速为5.7m/s，罐内气压为0.5MPa，负载为100W，风机运行于传统风电模式，协调控制器通过开关管占空比的调节，实现风机优化转速跟踪，即使在50，s和75s负载功率发生100W和50，W跳变（（b）），占空比能够快速调整实现风能*大捕获（（c）），风机转速波动仅为20|r/min，同时辅助性负载功率制热气罐气体，减小了因泄漏和温度散失等所致气罐气压的降低，气罐气压基本维持0.5MPa不变，验证了本文所提出辅助性负载制热气罐气体，提高气体内能策略的有效性。

率仅为200，W，而负载功率250W，为此快速启动涡旋机，系统由传统风电模式切换至膨胀助力模式补充不足功率，由中风机转速和涡旋机转速对比图可知，涡旋机仅在0.5s内完成了风机转速的跟踪（涡旋机转速因传动变比为风机转速的1.2倍），涡旋机切人时风机转速平稳，有效降低了涡旋机切人所致的机天津大学学报（自然科学与工程技术版）时间/s风电系统功率变化由风电系统功率变化可知：传统风电模式风机功率CPwmd）和发电机功率CPgmeratj基本都为350W，而负载功率和辅助性负载功率之和为295W，两者功率之差为发电机内部损耗；135s时风时间/S（C）占空比涡旋机切人后即进人膨胀助力控制策略中动态协调控制阶段，负载功率无法满足是由风速降低所致，系统运行于模式2区，涡旋机以风机*大功率点对应转矩快速补偿负载功率之不足，提高了风机向*大功率点过渡速度，由风机转速变化轨迹可知，风机仅用25s实现了风机优化转速的快速跟踪，此过渡过程负载功率的不足由涡旋机实现了有效补偿，补偿功率为150W（见）。210s时负载功率降至200W，在风机捕获功率基本恒定情况下，涡旋机根据负载功率变化快速降低膨胀驱动功率，助力功率降至75W，同时风机转速波动仅为15r/min，且调节时间也只有10s，即已完成风机优化转速跟踪，有效降低了膨胀助力模式压缩气体的消耗。

时间/s（b）负载电流械冲击。

时间/s（a）风速）涡旋机转速时间/S）气体压力风机、涡旋机转速以及气体压力变化情况va槭忍褚晓广等：新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制。607.速降低，协调控制器快速将辅助性负载功率控制占空比减小至0（见（c）），以消除辅助性负载功率PI控制滞后所致压缩气体的额外损耗；135s后系统进人膨胀助力模式，发电机功率为风机功率和涡旋机助力功率（Pexpander）之和，从而验证了基于皮带耦合方式可实现风机和涡旋机功率耦合有效性；同时，负载功率变化时涡旋机可快速调整补偿功率，并可快速实现风机*大功率捕获，有效降低了压缩气体消耗。中给出了压缩气体消耗功率（Palr）变化情况，在负载250W和200W阶段，气体消耗功率分别为270W和125W，而此时涡旋机补偿功率分别为126W和56W，涡旋机全效率（“=Pexpmder/Pair，Px―er=Tce队-Pw，其中Tce和吒由转矩转速传感器测试获得）可达46.7%（而传统叶轮式马达气动效率不足20%），从而进一步验证了新型压缩空气储能风电系统方案的设计合理性。

6结语本文提出了一种新型压缩空气储能风电系统，采用涡旋机在发电机前端平抑风机波动功率。本文首次将模式切换过程纳入系统优化控制研究中，并重点研究了膨胀助力模式的优化控制。首先建立了膨胀助力模式混杂系统动态模型；进而分析了膨胀助力模式切换机理，提出了基于涡旋机柔性切人、切人后动态协调及膨胀助力优化控制等3级膨胀助力控制策略，采用输人输出反馈线性化以及前馈补偿等方法完成了3级控制器的设计。搭建了1kW新型压缩空气储能风电系统试验平台，验证了新型压缩空气储能风电系统方案合理性以及膨胀助力模式控制策略的有效性，实现了压缩气体*小消耗的优化目标，涡旋机全效率可达46.7%.