CAES释能过程多工况动态仿真及效率分析_陈辉.pdf

第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：修订日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（、）；中国科学院国际合作局国际伙伴计划资助项目（）作者简介：陈辉（），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向为压缩空气储能系统仿真及控制。电话（）：；：。文章编号：（）：释能过程多工况动态仿真及效率分析陈辉，李文，盛勇，王星，陈海生，朱阳历（中国科学院工程热物理研究所，北京 ；中国科学院大学 工程科学学院，北京 ）摘要：研究了 释能过程各部件的数学模型及控制逻辑，基于 平台建立了 释能过程的动态仿真模型。利用该模型对启动过程、准同期并网过程、变工况过程进行仿真。在此基础上，分析了多种工况下运行参数及效率的变化规律。结果表明：在 功率范围内，膨胀机等熵效率变化范围为 ，效率变化范围区间为 。关键词：压缩空气储能；变工况；控制策略；效率中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，）：（），：；作为低碳能源体系的核心，可再生能源能够有效降低碳排放量，而储能装置能够平抑可再生能源波动，推进可再生能源的大规模应用。其中，压缩空气储能（）因其容量大、寿命长、安全性强和环境污染小等优点，是目前最具发展潜力的储能技术之一，其与新能源构成的协同系统已被证实具有经济性和应用价值。压缩空气储能可分为储能和释能过程，释能过程的主要部件包括膨胀机和发电机等。在额定工况下，中小型膨胀机透平转速可达每分钟数万转，对运行稳定性要求很高。释能过程作为压缩空气储能的关键环节，其运行控制决定了系统能量转换效率及馈网的电能质量。在实际应用中，长期处于变工况运行状态，这对系统关键组件及控制系统的变 工 况 性 能 提 出 了 较 高 的 要 求。因 此，研 究 释能过程模型及控制策略，对压缩空气储能系统安全、稳定运行意义重大。目前，针对 的建模方法主要包括机理建模和经验建模种方法。等 根据实际混合气体模型和传统 运行数据建立了仿真模型，模拟结果与德国 电站运行数据符合较好。郭欢等 以蓄热式压缩空气储能系统为研究对象，建立了完善的部件变工况热力学模型，并研究了蓄 热 式 压 缩 空 气 储 能 的 变 工 况 特 性。文 贤 馗等 利用 软件建立系统模型，研究了进气温度和流量比对系统效率的影响。王成山等 建立了透平机、阀门及电机等微型压缩空气储能系统部件的模型，并通过实验进行了验证。上述模型中膨胀机多采用固定效率，难以精确描述系统动态特性。目前，针对 系统动态特性的研究较少。笔者基于 平台，采用机理建模及经验建模方法建立 释能过程的仿真模型，实现系统在各运行过程中的转速和功率控制，并对多种工况下的参数变化规律及效率进行分析，揭示了系统的运行特性，以期为系统设计提供参考。数学模型及控制策略 释能过程原理图如图所示。高压气体流经恒压减压阀，再经过调节阀，经换热器加热后进入膨胀机，阀后的高压气体驱动膨胀机做功，齿轮箱将轴功传递至发电机，发电机发电并网，实现 的释能。膨胀机的转速和输出功率是通过改变调节阀开度从而改变膨胀机入口压力和流量来控制的。出口止回阀用于防止低压空气倒流。图 释能过程原理图 膨胀机模型在实际压缩空气储能系统中多采用多级透平膨胀机。为简化计算过程，以单级向心透平膨胀机为仿真对象，膨胀机排出的低压空气可以驱动下一级膨胀机做功发电，实现余能利用。膨胀机设计参数如表所示，向心透平示意图如图所示。由于透平膨胀机内部流动过程复杂，再加上流体有黏性且存在可压缩效应，故难以建立比较精确的数学模型。笔者采用数学模型与膨胀机特性曲线相结合的方式建立了膨胀机动态仿真模型。膨胀机表膨胀机设计参数 参数数值设计工况入口总温 入口总压 出口总压 额定参数额定功率 额定转速（）膨胀比 图向心透平示意图 数学模型以热力学模型为基础，将膨胀机工作过程简化为绝热过程。将工质简化为理想状态下的空气，忽略散热及进、出口压力损失等。根据热力学原理，膨胀机的输出功率 为：，（）（）式中：，为质量流量，；为空气比热容，取定值 （）；、分别为进、出口温度，。膨胀过程的等熵效率 为：，（）式中：为入口总焓，；为出口总焓，；，为等熵过程的出口总焓，；，为等熵过程的出口温度，。等熵绝热过程的出口温度 ，为：，（）（）式中：为绝热指数；为进口压力，；为出口压力，。在不考虑气体流量损失的情况下，折合质量流量和效率是折合转速和膨胀比的函数。（，）（），（，）（）（）式中：为折合转速，；，为折合质量流量，；为膨胀比；为转子转速，；为动力工程学报第 卷基准温度，取值 ；（）、（）均为函数。膨胀机模型示意图如图所示。其中，和 ，分别为单位质量流量下的进气热量和排气热量，为输出转矩，为转子转速。图膨胀机模型示意图 在实时计算出折合转速和膨胀比后，通过膨胀机特性曲线的函数映射关系可得到等熵效率和质量流量。其中，膨胀机特性曲线可采用文献 中涡轮透平实验数据加以修正得到，膨胀机特性曲线如图所示，折合质量流量曲线如图所示。图膨胀机特性曲线 图折合质量流量曲线 质量流量为：，（）式中：为基准压力，取值为 。转子转速可由式（）和式（）表示：（）（），（）式中：为转子转动惯量，；为机械效率；为膨胀机输出的机械转矩，；为发电机电磁转矩，；为时间。依据上述方程建立动态仿真模型，模型主要包括等熵模块、动态修正模块、能量计算模块、出口温度、转矩、膨胀比计算模块及膨胀机特性曲线模块，透平膨胀机仿真模型如图所示。膨胀机转速通过转子模块实时计算反馈。发电机模型发电机是压缩空气储能系统释能环节的重要部件，发电机数学模型如图所示，该模型电气部分为阶状态空间模型，考虑了定子、励磁和阻尼绕组的动态特性，可准确模拟发电机的动态运行过程。调节阀及伺服机构模型膨胀机入口调节阀是影响系统控制性能的重要部件，膨胀机转速及功率控制主要通过调节阀门开度实现，所以建立精确的调节阀模型可以有效提升模型的控制性能。所采用的阀门数学模型为标准节流孔模型。，（）（）式中：，为通过阀门的质量流量，；为有效截面积，；为来流气体温度，；为来流压力，；为阀门前后压比；（）为与压比相关的流量函数；为通用气体常数。阀门调节功能主要通过改变有效流通面积实现，有效流通面积 为：（）（）（）式中：为调节阀开度百分比；为调节阀直径；为阀门角；为调节阀流通系数。在主流的调速系统中，伺服机构主要由伺服阀、油动机、伺服控制器、线性位移传感器（）等组成。伺服机构传递函数模型如图所示。其中，为伺服阀的时间常数；?、?分别为阀门调节速度上、下限；、为调节阀开度的最大、最小值。换热器模型为防止膨胀机出口温度过低，高压空气进入膨胀机前需要通过换热器被加热至一定温度。换热器传热效率 定义为：，（）第期陈辉，等：释能过程多工况动态仿真及效率分析（）膨胀机热力学模型（）膨胀机集总模型图透平膨胀机仿真模型 图发电机模型 式中：，、，分别为空气经换热器的进、出口温度；为热源温度。图伺服机构传递函数模型 取换热器传热效率为，热水温度恒定为 ，则空气出口温度 ，和换热量 分别为：，（），（），（，）（）式中：，为换热器空气侧的质量流量。动力工程学报第 卷 释能过程仿真模型为实现膨胀机转速和功率控制，可参考汽轮机控制逻辑，典型汽轮机控制逻辑图如图所示。系统根据转速偏差、功率偏差以及对应控制逻辑计算出调节阀开度指令，执行机构调节阀门至指定位置。基于上述控制 逻 辑及 各部 件 理 论 模 型 建 立 释能过程动态仿真模型。模型主要划分为透平膨胀机子系统模型、发电机子系统模型、控制器模型、数据采集个部分，释能过程的动态仿真模型如图 所示。图典型汽轮机控制逻辑框图 图 释能过程的动态仿真模型 透平膨胀机子系统模型参数如下：入口总压为 ，出口背压为 。参考汽轮发电机组参数，膨胀机转轴机械损失取为。为满足并网的频率及功率需求，需要对发电机组的转速及输出功率进行控制，转速功率控制器模型如图 所示。该控制过程主要采用负反馈控制，比例微分积分（）控制器根据转速功率偏差调节阀门开度，实现转速功率调节功能。系统并网前该控制器主要实现转速控制，并网后主要实现功率控制。发电机系统模型的主要元件包括发电机、负载、变压器、断路器、传输线路及电网模块。发电机采用额定功率为 、额定电压为 、额定频率为 、额定转速为 的同步发电机。图 转速功率控制器模型 第期陈辉，等：释能过程多工况动态仿真及效率分析发电机模型以齿轮箱低速转轴转速及励磁系统输出的励磁电压作为输入。模型输出的电磁转矩及机械损耗等效于负载，作用于转子模块。发电机通过变压器接入 电网。其中，准同期并网控制器主要对机侧频率、电压幅值和相位角进行监测和预调节，使发电机满足并网条件。设定的合闸条件如下：电网频率与发电机频率偏差为 ；机侧与网侧电压偏差为；相位差为 。并网控制器模型如图 所示。其中，为机侧 相对电压，为网侧 相对电压，端口为励磁系统开启信号，为转速，为电压幅值，为频率，为发电机侧电压，为电网侧电压。当频率、电压幅值和相位角均处于并网合闸范围时，控制器输出合闸信号。图 准同期并网控制器模型 释能过程评价指标 释能过程为储气罐释放高压气体，高压气体经过换热器加热后进入膨胀机做功，从而带动发电机发电。通过分析法对系统进行评价，将空气视为稳定流动工质，则可对系统平衡模型进行简化，如图 所示。其中，为环境温度，为环境。图 平衡模型 基于系统平衡模型，平衡方程可表示为：，（）式中：为释能过程的总出功；，为入口高压空气的进气；，为热水；，为排气；为损失。效率能够表征能量转换的效果和有效利用程度，故采用效率对该释能过程进行评价分析。释能过程的输出为总出功，在考虑排气、不考虑排水的再利用时，输入为入口高压空气的和热水的，释能过程的效率可定义为：，（）仿真结果及分析基于数据模型和控制策略对 释能过程多种工况进行仿真，主要包括启动过程、同期并网过程及变工况过程。基于分析方法，对仿真结果进行分析，以揭示系统在各工况下的工作特性及变化规律。启动过程机组启动时阀前压力高，调节阀动作时阀门前后压 力 变 化 剧 烈，严 重 时 有 超 速 事 故 发 生 的 危险。为避免在升速过程中调节阀频繁动作，调节阀先取为固定开度。当膨胀机转速升至设定值附近时，将调节阀切换为 控制。膨胀机通过齿轮箱带动发电机升速，完成启动过程，启动过程仿真结果如图 所示。如图（）所示，膨胀机转速从 升至额定转速所花费的时间约为 。如图（）所示，由于调节阀控制方式被切换，质量流量产生相应的变化。仿真结果显示，启动过程中转速控制效果良好，超调量小，满足系统稳定性要求。准同期并网过程压缩空气储能系统在完成启动过程后，发出的电能需要馈送至电网。在并网前需要对频率、电压进行监测和预调节，当满足并网条件时断路器合闸，发电机并网。准同期并网过程的仿真结果如图 所示。如图（）所示，当 时发电机开始起励，于 时机侧电压升至电网电压附近。如图（）所示，初始阶段频率有小幅超调，超调小于 。当约为 时，机侧与网侧之间的电压差、频率差和相位角差均满足合闸要求，断路器合闸并网。如图（）所示，准同期并网控制效果良好，并网过程对电网冲击较小。变工况过程发电机成功并网后，将根据电网调度指令对发电机输出功率进行控制。的频繁变工况特性要求系统具有较高的控制性能。设定的系统释能功率调节区间为：动力工程学报第 卷（）膨胀机转速（）膨胀机入口总压及质量流量图 启动过程的仿真结果 （）电压调节（）频率调节（）正序电流图 并网过程的仿真结果 ，仿真结果如图 所示。如图（）所示，系统输出功率会跟踪需求功率的变化，结果证明功率控制效果良好，超调量小。如图（）所示，阀门开度信号由控制器根据转速和功率偏差信号产生，阀门开度变化导致进气质量流量和压力发生变化，从而实现转速和功率的控制。如图（）所示，当系统在额定功率（）下运行时，膨胀机等熵效率为，释能过程效率为；当系统在 的功率下运行时，膨胀机等熵效率降低为，释能过程效率降低为。由上述结果可证明，所建立的仿真模型能够实现变工况条件下转速和功率的稳定控制，足以满足电力系统的稳定性需求，且仿真结果能够表征系统各部件的动态特性，与设计值符合较好，结果可信（）输出功率（）阀门开度（）质量流量及膨胀比（）效率图 变工况过程仿真结果 第期陈辉，等：释能过程多工况动态仿真及效率分析度高。结论（）释能过程动态仿真模型能够较精确地实现转速和功率调节、预调节及并网等功能。运行参数与设计值贴近，验证了模型的准确性和合理性。（）功率为 时膨胀机等熵效率的变化范围为 ，释能过程中效率变化范围为 。参考文献：何青，刘辉，张军良，等压缩空气储能系统单耗分析模型及其应用华北电力大学学报，（）：，（）：刘金超，徐玉杰，陈宗衍，等压缩空气储能储气装置发展现状与储能特性分析科学技术与工程，（）：，（）：，：徐玉杰，陈海生，刘佳，等风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（），：薛皓白，张新敬，陈海生，等微型压缩空气储能系统释能 过 程 分 析 工 程 热 物 理 学 报，（）：，（）：，（）：郭欢，徐玉杰，张新敬，等蓄热式压缩空气储能系统变工 况 特 性 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，（）：文贤馗，刘石，李翔，等先进压缩空气储能系统模拟与效 率 分 析 动力 工 程 学 报，（）：，（）：王成山，武震，杨献莘，等基于微型压缩空气储能的混合储能系统建模与实验验证电力系统自动化，（）：，（）：（下转第 页）动力工程学报第 卷 ，（）：，王一妹，刘辉，宋鹏，等基于高斯混合模型聚类的风电场 短期功 率 预 测方 法 电 力 系 统 自 动 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