一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统及控制方法，包括：飞轮模块及压缩空气储能模块，所述飞轮模块通过无级变速器在离合器闭合时连接转盘，所述转盘通过电动机加速实现与飞轮转速的预同步，所述转盘与往复式压气机连接，往复式压气机连接压缩空气储能模块，压缩空气储能模块通过连接发电机补偿间歇式发电电源。飞轮储能和压缩空气储能采用机械耦合并联式结构，通过采集飞轮转速，确定离合器开关以及压缩空气储能工作状态，控制策略简单，易于操作和实现。

A Mechanical Coupled Flywheel Assisted Composite Energy Storage System and Its Control Method

The invention discloses a mechanical coupling flywheel-assisted composite energy storage system and control method, including a flywheel module and a compressed air energy storage module. The flywheel module connects a turntable when the clutch closes through a continuously variable transmission. The turntable achieves pre-synchronization with the flywheel speed through acceleration of an electric motor. The turntable is connected with a reciprocating compressor and a reciprocating compressor is connected. The compressed air energy storage module is connected with the generator compensation intermittent power supply. Flywheel energy storage and compressed air energy storage adopt mechanical coupling parallel structure. By collecting flywheel speed, the clutch switch and compressed air energy storage working state are determined. The control strategy is simple, easy to operate and realize.

【技术实现步骤摘要】
一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统及控制方法
本公开涉及控制
，特别是涉及一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统及控制方法。
技术介绍
人们对能源的需求与日俱增，能源供需矛盾日益突出，新能源的发展已经成为经济可持续发展的必然要求。风能、太阳能、潮汐能等新型能源发电已经成为当今世界能源研究的主流方向。大量分布式、间歇式的能源接入电网，缓解了能源压力，然而却也加剧了电网发-输-配-用电难以保持供需平衡的情形。导致用电高峰期，电网供电紧张，而深夜时，出现电力过剩的局面，同时也对电网的稳定造成了威胁。为了改变这一局面，人们一直在寻求将能源存储起来的方法，试图将低密度且波动性大的可再生能源实现高效率的广泛应用。现有的储能方式众多，主要包括化学储能和物理储能等。单一储能方式由于自身性能的限制，难以达到人们的要求，电力系统正在寻求一种高密度、长寿命、快响应、无污染且价格合理的复合储能系统。压缩空气储能利用风机驱动空压机，将空气压入高压气罐、岩洞等容器，将风能转化为压缩空气势能存储。压缩空气储能具有环境污染小，使用寿命长，能量密度大，无相变损失等优点，在大时间尺度上可解决间歇式能源供需不匹配的矛盾，但压缩空气储能工作条件是空压机出气口压力大于储气瓶中气压，为了保证空压机工作，就要求环境风速大于最低工作风速，限制了低风速的利用，同时压缩空气储能作为一种容量型储能设备，其存在系统响应慢的缺点，平抑波动的能力较差。飞轮储能利用风机驱动电机，带动飞轮旋转将风能转化为动力势能。这些储能设备具有功率密度大，瞬时响应速度快，维护费用低等优点，可用于平抑秒级的功率波动，且响应速度较快，而飞轮储能作为一种功率型储能设备，又存在系统容量小的缺点，在大功率应用场合，需要叠加应用，增大了使用成本。为了解决以上矛盾，人们尝试将两种储能方式结合使用，以复合储能的方式实现快速响应和大容量的要求。现有的研究主要是将压缩空气储能系统与飞轮储能系统通过电耦合的方式连接，当间歇式能源与电网负荷需求不平衡时，根据波动功率分为低频和高频，并分别由压缩空气储能和飞轮储能进行平抑。现有技术公开了申请号为2014107972644，专利名称为“一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法”，压缩空气储能模块采用的是涡旋式压缩机，其基本工作原理是利用运动涡旋盘与固定涡旋盘的相对公转运动，从而形成封闭容积的连续变化，实现压缩气体。飞轮直接带动涡旋式压缩机工作，其工作特点为体积小，运行平稳、振动小、工作噪音小，但其功率较低，大都在10KW以内，从而限制了压缩空气储能模块的输出功率，因此该压缩机适用于小型系统。该专利采用压缩膨胀一体模式，即采用了涡旋式压缩膨胀机复合机，从而压缩过程与膨胀过程中，涡旋式压缩膨胀复合机始终与飞轮机械耦合。这种混合储能方式较好的结合了压缩空气储能和飞轮储能的优点，在不同时间尺度上平抑了间歇式能源输出功率波动。然而对于飞轮这一功率型储能元件，长时间充电很容易超过其容量，而对于压缩空气储能这一能量型储能元件，比较频繁的充放电会缩短其使用寿命。且电耦合方式由于其能量转换环节较多，系统的整体效率有所降低，同时并未解决压缩空气储能启动慢，状态切换时间长的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开的实施例子公开了一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，可以有效发挥两种储能的优势，且两种储能通过机械耦合的方式，转化效率高。为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，包括：飞轮模块及压缩空气储能模块，所述飞轮模块通过无级变速器在离合器闭合时连接转盘，所述转盘通过电动机加速实现与飞轮转速的预同步，所述转盘与往复式压气机连接，往复式压气机连接压缩空气储能模块，压缩空气储能模块通过连接发电机补偿间歇式发电电源。进一步的技术方案，所述飞轮模块包括动力机、能量转换模块；所述动力机的一端与间歇式电源相连，动力机的另一端连接至能量转换模块，所述能量转换模块通过飞轮转动将电能以机械能形式进行储存。进一步的技术方案，所述飞轮分别连接至无级变速器及能量控制模块，所述能量控制模块分别连接至电动机及无级变速器，所述无级变速器、离合器、转盘、电动机依次连接；在所述飞轮与所述转盘通过离合器接合之前，能量控制模块控制电动机带动转盘升速，实现转盘与飞轮转速的预同步。进一步的技术方案，所述压缩空气储能模块包括依次连接的往复式气压机、气罐、膨胀机及发电机；当转盘与飞轮同步之后，能量控制模块控制无级变速器工作，飞轮通过无级变速器变速带动转盘转动并且转盘通过机械耦合方式，带动往复式压气机工作，往复式压气机与气罐连接，将机械能转换为压缩空气内能储存在气罐中。进一步的技术方案，当所述飞轮转速工作在指定转速区间，气罐工作在膨胀状态时，带动膨胀机做功，并通过发电机发电，对间歇式电源进行补偿。进一步的技术方案，所述能量控制模块通过采集飞轮转速，控制无级变速器变比和离合器通断，并通过变频装置控制预同步电动机工作。进一步的技术方案，所述能量转换模块为飞轮结构，可以通过转速的变化吸收和释放能量，将电能以机械能形式储存起来。本公开的实施例子公开了一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统的控制方法，包括：根据飞轮的额定转速，将转速划分为不同的转速区间，在不同的转速区间内，飞轮模块和压缩空气储能模块分别处于不同的工作状态；ω0为飞轮当前角速度，ωf_max为飞轮转速上限，ωf_min为飞轮的转速下限，ω1为飞轮通过带动往复式压气机，将动能储存于压缩空气内能的临界速度，此时离合器吸合，ω1’为离合器断开，压缩空气储能停止储能的临界值，ω2为压缩空气储能装置释放能量，补偿间歇式电源，并由飞轮吸收能量的临界值，ω2’为压缩空气储能装置停止释放能量，飞轮储能恢复到正常平抑间歇式电源波动的状态的临界值；转速区间1:ω2’＜ω0＜ω1’时，飞轮处于正常平抑间歇式电源功率波动状态，离合器断开，压缩空气储能装置既不蓄能，也不释能，飞轮对功率波动进行及时有效地平抑；转速区间2:ω1’＜ω0＜ω1时，分为两种工作状态，若转速由大于ω1回落到本转速区间，则工作状态为飞轮在平抑间歇式发电电源功率同时，带动转盘转动，转盘带动往复式压气机向压缩空气储能模块输送能量，此时离合器闭合，压缩空气储能处于压缩状态；若转速由小于ω1’升至本转速区间，则工作状态同转速区间1；转速区间3:ω1＜ω0＜ωf_max时，飞轮在平抑间歇式发电电源功率同时，带动转盘，转盘带动往复式压气机向压缩空气储能模块输送能量，此时离合器闭合，压缩空气储能处于压缩状态；转速区间4:ω2＜ω0＜ω2’时，分为两种工作状态，若转速由大于ω2’回落到本转速区间，则工作状态同转速区间1，若转速由小于ω2上升至本转速区间，则工作状态为飞轮平抑间歇式电源功率，同时，压缩空气储能模块处于膨胀状态，释放一定功率对电源进行补偿，与此同时，离合器处于断开状态；转速区间5:ωf_min＜ω0＜ω2时，飞轮平抑间歇式电源功率，同时，压缩空气储能模块处于膨胀状态，释放一定功率对电源进行补偿，与此同时，离合器处于断开状态。进一步的技术方案，在飞轮与所述转盘通过离合器接合之前，能量控制模块控制电动机带动转盘升速，实现转盘与飞轮转速的预同步；当转盘与飞轮同步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，包括：飞轮模块及压缩空气储能模块，所述飞轮模块通过无级变速器在离合器闭合时连接转盘，所述转盘通过电动机加速实现与飞轮转速的预同步，所述转盘与往复式压气机连接，往复式压气机连接压缩空气储能模块，压缩空气储能模块通过连接发电机补偿间歇式发电电源。

【技术特征摘要】
1.一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，包括：飞轮模块及压缩空气储能模块，所述飞轮模块通过无级变速器在离合器闭合时连接转盘，所述转盘通过电动机加速实现与飞轮转速的预同步，所述转盘与往复式压气机连接，往复式压气机连接压缩空气储能模块，压缩空气储能模块通过连接发电机补偿间歇式发电电源。2.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，所述飞轮模块包括动力机、能量转换模块；所述动力机的一端与间歇式电源相连，动力机的另一端连接至能量转换模块，所述能量转换模块通过飞轮转动将电能以机械能形式进行储存。3.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，所述飞轮分别连接至无级变速器及能量控制模块，所述能量控制模块分别连接至电动机及无级变速器，所述无级变速器、离合器、转盘、电动机依次连接；在所述飞轮与所述转盘通过离合器接合之前，能量控制模块控制电动机带动转盘升速，实现转盘与飞轮转速的预同步。4.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，所述压缩空气储能模块包括依次连接的往复式气压机、气罐、膨胀机及发电机；当转盘与飞轮同步之后，能量控制模块控制无级变速器工作，飞轮通过无级变速器变速带动转盘转动并且转盘通过机械耦合方式，带动往复式压气机工作，往复式压气机与气罐连接，将机械能转换为压缩空气内能储存在气罐中。5.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，当所述飞轮转速工作在指定转速区间，气罐工作在膨胀状态时，带动膨胀机做功，并通过发电机发电，对间歇式电源进行补偿。6.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，所述能量控制模块通过采集飞轮转速，控制无级变速器变比和离合器通断，并通过变频装置控制预同步电动机工作。7.如权利要求1所述的一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统，其特征是，所述能量转换模块为飞轮结构，可以通过转速的变化吸收和释放能量，将电能以机械能形式储存起来。8.一种机械耦合式飞轮辅助的复合储能系统的控制方法，其特征是，包括：根据飞轮的额定转速，将转速划分为不同的转速区间，在不同的转速区间内，飞轮模块和压缩空气储...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承慧，马昕，李珂，王鲁泮，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37