新型壓縮空氣儲能風電系統膨脹助力控制

褚曉廣，張承慧，孔 英，李 珂，王吉紅

(1. 山東大學控制科學與工程學院，濟南 250061；2.曲阜師范大學電氣信息與自動化學院，日照276826；3. 濟寧醫(yī)學院醫(yī)學信息工程學院，日照276800；4. 英國華威大學工程學院，考文垂 CV47AL)

新型壓縮空氣儲能風電系統膨脹助力控制

褚曉廣1,2，張承慧1，孔 英3，李 珂1，王吉紅4

(1. 山東大學控制科學與工程學院，濟南 250061；2.曲阜師范大學電氣信息與自動化學院，日照276826；3. 濟寧醫(yī)學院醫(yī)學信息工程學院，日照276800；4. 英國華威大學工程學院，考文垂 CV47AL)

針對風能波動性和間歇性問題，提出了新型機械耦合式壓縮空氣儲能風電系統．建立了風電系統膨脹助力模式混雜動態(tài)模型．提出了渦旋機柔性切入、切入后動態(tài)協調以及膨脹助力優(yōu)化控制等三級膨脹助力控制策略，采用輸入輸出反饋線性化以及前饋控制等方法完成控制器設計．基于1,kW風電系統試驗平臺驗證了控制策略的有效性，提高了模式切換過渡過程和風能捕獲的動態(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；動態(tài)協調

隨著常規(guī)能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨嚴重，新能源技術已成為全球經濟增長以及能源可持續(xù)發(fā)展的新引擎．風力發(fā)電因其完全污染、蘊含容量大等優(yōu)點獲得長足發(fā)展，但風電功率波動性影響供電質量，尤其當其大面積并網后對電網安全、運行成本等帶來了諸多負面影響，已成為風電大規(guī)模推廣應用的制約瓶頸[1]．研究表明能量存儲是解決上述問題、提高電能輸出質量最有效手段之一[2-3]．

風電系統采用的儲能方式主要有電池、超級電容、飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣儲能等幾種[4]．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[5]，備受儲能界關注．但傳統壓縮空氣儲能是由燃氣輪機技術發(fā)展而來，氣體膨脹需與化石燃料混合燃燒，特別是其對地理環(huán)境、化石燃料的依賴以及排放污染等方面限制了其大規(guī)模推廣[6]．近年來，興起了多種應用于風電領域無污染的壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)技術，但普遍存在轉化環(huán)節(jié)多、氣動效率低等缺陷[7-8]．

為此，本文提出一種新型機械耦合式壓縮空氣儲能風電系統，采用渦旋機在發(fā)電機前端平抑風能波動，大幅減少了能量轉化環(huán)節(jié)；尤其是選用了具有壓縮和膨脹復用功能的渦旋機，極大提升了能量綜合利用率．但系統存在多種工作模式，模式間常因風速和負載等工況變化而切換，模式切換極易導致風機工作點偏移以及機械沖擊．為此，本文重點研究了風電系統膨脹助力優(yōu)化控制問題，將模式切換過渡過程納入膨脹助力優(yōu)化控制中，提出了渦旋機柔性切入、切入后動態(tài)協調及膨脹助力優(yōu)化控制等3級控制策略，以實現膨脹助力壓縮氣體最小消耗的優(yōu)化目標．

1 新型壓縮空氣儲能風電系統工作原理

新型壓縮空氣儲能風電系統(見圖1)由風機、機械耦合裝置、壓縮空氣儲能、永磁發(fā)電機、Buck變流器以及輔助性負載等幾部分組成．因風速、負載等工況變化，系統可運行于傳統風電、壓縮儲能以及膨脹助力等3種工作模式(見圖2)，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改變而實現，但動渦盤快速逆轉極易導致渦盤損壞，為此模式切換必須以傳統風電模式作為切換中介.

圖1 新型壓縮空氣儲能風電系統結構示意Fig.1 Sketch of novel wind generation system with CAES

圖2 新型壓縮空氣儲能工作模式切換Fig.2 Mode switching of novel wind generation system with CAES

模式切換極易導致風機工作點偏移和機械沖擊，特別在風能不足時，用于補充差額功率的渦旋機具有強耦合、大滯后和非線性等特點，無疑加大模式切換難度．為此，本文對傳統風電和膨脹助力模式間切換重點研究，提出了渦旋機柔性切入、切入后動態(tài)協調以及膨脹助力優(yōu)化控制等3級控制策略，并由協調控制器控制離合器、閥門、輔助性負載功率以及Buck變流器占空比，實現壓縮氣體最小消耗和風能最大捕獲的優(yōu)化控制目標．

2 新型壓縮空氣風電系統動態(tài)模型

2.1 風機模型

小型風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調節(jié)，分別表示為

式中：aρ為標準狀況下的空氣密度；vw為風速；ω為風機轉速；r為葉輪半徑；A為葉片掃掠面積；pC為風能利用系數．

為實現風能最大捕獲，必須控制風機轉速使風能利用系數最大，此時風機捕獲功率和轉矩[9]為

2.2 基于輔助性負載調控的發(fā)電系統模型

由于永磁發(fā)電機經非可控整流功率輸出，is與us的夾角相對較小，如果忽略整流橋換向過程，系統穩(wěn)定時可近似認為us與is同相[10]，則發(fā)電機負載可等效為阻性負載Rg．永磁發(fā)電機定子每相等效電路和相量關系如圖3所示，其中E為發(fā)電機磁電動勢，其超前于電流(電壓)功率角θ，iq為發(fā)電機q軸電流，Rs和Xs分別為定子電阻和同步電抗．

由圖3(b)發(fā)電機相量圖可知，發(fā)電機q軸電流為

其中

式中：φ和K分別為發(fā)電機磁通和電壓常量；gω為發(fā)電機轉速．

發(fā)電機的電磁轉矩表示為

式中p0為發(fā)電機極對數．

永磁發(fā)電機等效交流側阻抗[11]為

傳統風電模式采用輔助性負載實現風能捕獲，由直流側功率平衡可得發(fā)電機直流阻抗為

而膨脹助力模式為降低壓縮氣體消耗，輔助性負載必須關斷，發(fā)電機等效直流阻抗為

圖3 永磁發(fā)電機等效電路和相量圖Fig.3 Equivalent circuit and phasor diagram of PMSG

2.3 新型壓縮空氣儲能風電系統助力模式動態(tài)模型

以渦旋機速度cω、風機轉速以及供氣壓力p為狀態(tài)變量，以閥門開度u為輸入變量，建立風電系統助力模式動態(tài)模型為

式中cT為渦旋機膨脹模式的輸出轉矩[12]，且有cT=；equJ和cJ分別為風機和渦旋機等效轉動慣量；B和Bc分別為風機和渦旋機摩擦系數；σ為切換變量，σ=0，1，-1分別為傳統風電模式、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；nc為風機與渦旋機的變速比；Vs和Vd分別為吸氣體積和排氣體積；ρ為固定膨脹比，ρ=p/pi；pd和pi分別為排氣壓力和理論排氣壓力；ps和ts分別為罐內氣壓和溫度；R為氣體常量；Cf為排氣系數；S為閥門面積；k1為泄漏系數；V為閥門到進氣孔口容積．

3 傳統風電模式控制策略

傳統風電模式為風電系統工作模式的切換中介，其高效工作點為渦旋機切入跟蹤狀態(tài)，為此需對其優(yōu)化控制重點研究．傳統風電模式采用了基于風機優(yōu)化轉速PI跟蹤和輔助性負載功率前饋補償相結合的混合控制策略，實現最大風能捕獲．

風機優(yōu)化轉速PI跟蹤控制器為

式中kp和ki分別為PI控制器比例和積分系數．

由式(11)風電系統模型可得傳統風電模式系統穩(wěn)態(tài)模型為

將式(5)～式(7)代入式(13)得

由式(8)和式(9)可得輔助性功率前饋占空比補償項為

傳統風電模式混合控制器為

4 膨脹助力模式控制策略

當風機功率小于負載需求時，系統由傳統風電模式切換至膨脹助力模式，采用了渦旋機柔性切入、切入后動態(tài)協調以及膨脹助力優(yōu)化控制3級控制策略(如圖4所示)．其中，渦旋機柔性切入實現渦旋機無縫切入；切入后動態(tài)協調用于提高過渡過程響應速度；膨脹助力優(yōu)化控制確保風機最大功率捕獲降低壓縮氣體的消耗．

圖4 膨脹助力模式控制策略Fig.4 Control strategy of expansion assistance mode

4.1 渦旋機柔性切入策略

渦旋機和風機在耦合點處的轉速差異導致系統機械沖擊，為此需實現渦旋機對風機轉速快速跟蹤．

由式(11)可知渦旋機動態(tài)系統為

其中

對渦旋機轉速y求Lie導數得

鑒于Lgh(x)=0，對y˙繼續(xù)求Lie導數

其中

由式(20)可得

4.2 渦旋機切入動態(tài)協調

由圖5可知存在兩種模式導致風機功率無法滿足負載功率．其中，模式1為風速降低，風機由傳統風電模式最大功率捕獲點A，進入至低風速功率曲線最大功率點右側，即風機曲線Ⅱ區(qū)；而模式2為負載突然增大，風機由傳統風電模式最大功率捕獲點A，降速至風機功率曲線最大功率點左側工作點D，即風機曲線Ⅰ區(qū)．

圖5 膨脹助力模式切換分析Fig.5Mode switching analysis of the expansion assistance

模式1 系統運行在風機最大功率點右側，風速降低導致風機減速，由式(11)可知膨脹助力轉矩增加導致風機動態(tài)響應速度降低，為此設置最小補償轉矩以減小過渡時間，即風機最大功率點B所對應補償轉矩，即為

模式2 系統運行在風機最大功率點左側，負載增大導致風機減速，由式(11)可知膨脹助力轉矩增加可提高風機動態(tài)響應速度，為此設置最大補償轉矩，即切入點D轉速ginω所對應渦旋機補償轉矩為

為提高動態(tài)響應速度，采用供氣閥門開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的閥門開度為

其中

4.3 膨脹助力模式風電系統的優(yōu)化控制

為有效降低膨脹助力壓縮氣體消耗，為此必須實現基于膨脹助力的風機最大功率跟蹤，同時為提高風機最大功率捕獲的動態(tài)響應速度，提出了基于渦旋機轉矩前饋補償和風機優(yōu)化轉速PI轉速跟蹤相結合的混合控制器．

基于風機優(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)化供氣壓力為

渦旋機供氣壓力模型為標準非線性仿射系統，即

其中

鑒于β(p)嚴格為正，對其進行反饋線性化．設供氣壓力偏差為e=pr-p，其開環(huán)動態(tài)特性為

鑒于模型參數經常變化，為提高系統魯棒性，設置風機優(yōu)化轉速跟蹤控制器為

新型風電系統膨脹助力模式總控制器輸出為

5 試驗驗證

搭建了新型壓縮空氣儲能風電系統試驗平臺(如圖6所示)，其中1,kW風機由西門子變頻器(MM440)和4,kW西門子異步機進行模擬；渦旋機經由電磁離合器和皮帶與風機在發(fā)電機前端耦合，變速比nc為1.2；負載電壓(DC100V)由Buck變流器控制實現，圖7為風機轉速變化軌跡．

圖6 新型壓縮空氣儲能風力發(fā)電試驗平臺Fig.6Experiment platform of the novel wind generator system with CAES

風電系統初始風速為5.7,m/s，罐內氣壓為0.5,MPa，負載為100,W，風機運行于傳統風電模式，協調控制器通過開關管占空比的調節(jié)，實現風機優(yōu)化轉速跟蹤，即使在50,s和75,s負載功率發(fā)生100,W和50,W跳變(圖8(b))，占空比能夠快速調整實現風能最大捕獲(圖8(c))，風機轉速波動僅為20,r/min，同時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，氣罐氣壓基本維持0.5,MPa不變，驗證了本文所提出輔助性負載制熱氣罐氣體，提高氣體內能策略的有效性．

135,s時風速由5.7,m/s降至4.7,m/s，風機捕獲功率僅為200,W，而負載功率250,W，為此快速啟動渦旋機，系統由傳統風電模式切換至膨脹助力模式補充不足功率，由圖7中風機轉速和渦旋機轉速對比圖可知，渦旋機僅在0.5,s內完成了風機轉速的跟蹤(渦旋機轉速因傳動變比為風機轉速的1.2倍)，渦旋機切入時風機轉速平穩(wěn)，有效降低了渦旋機切入所致的機械沖擊．

圖8 電壓、負載電流及輔助性負載功率占空比變化情況Fig.8Variations of the DC voltage，load voltage，load current and power control duty of the auxiliary load

圖7 風機、渦旋機轉速以及氣體壓力變化情況Fig.7 Variations of the wind speed、scroll speed and the air pressure

渦旋機切入后即進入膨脹助力控制策略中動態(tài)協調控制階段，負載功率無法滿足是由風速降低所致，系統運行于模式2區(qū)，渦旋機以風機最大功率點對應轉矩快速補償負載功率之不足，提高了風機向最大功率點過渡速度，由圖7風機轉速變化軌跡可知，風機僅用25,s實現了風機優(yōu)化轉速的快速跟蹤，此過渡過程負載功率的不足由渦旋機實現了有效補償，補償功率為150,W(見圖9). 210,s時負載功率降至200,W，在風機捕獲功率基本恒定情況下，渦旋機根據負載功率變化快速降低膨脹驅動功率，助力功率降至75,W，同時風機轉速波動僅為15,r/min，且調節(jié)時間也只有10,s，即已完成風機優(yōu)化轉速跟蹤，有效降低了膨脹助力模式壓縮氣體的消耗.

圖9 風電系統功率變化Fig.9Variations of the power of the wind generator system

由圖9風電系統功率變化可知：傳統風電模式風機功率(Pwind)和發(fā)電機功率(Pgenerator)基本都為350,W，而負載功率和輔助性負載功率之和為295,W，兩者功率之差為發(fā)電機內部損耗；135,s時風速降低，協調控制器快速將輔助性負載功率控制占空比減小至0(見圖8(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損耗；135,s后系統進入膨脹助力模式，發(fā)電機功率為風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現風機和渦旋機功率耦合有效性；同時，負載功率變化時渦旋機可快速調整補償功率，并可快速實現風機最大功率捕獲，有效降低了壓縮氣體消耗．圖9中給出了壓縮氣體消耗功率(Pair)變化情況，在負載250,W和200,W階段，氣體消耗功率分別為270,W和125,W，而此時渦旋機補償功率分別為126,W和56,W，渦旋機全效率(η=Pexpander/Pair，Pexpander=Tceωce-Pw，其中Tce和ωce由轉矩轉速傳感器測試獲得)可達46.7%(而傳統葉輪式馬達氣動效率不足20%)，從而進一步驗證了新型壓縮空氣儲能風電系統方案的設計合理性．

6 結 語

本文提出了一種新型壓縮空氣儲能風電系統，采用渦旋機在發(fā)電機前端平抑風機波動功率．本文首次將模式切換過程納入系統優(yōu)化控制研究中，并重點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態(tài)模型；進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入、切入后動態(tài)協調及膨脹助力優(yōu)化控制等3級膨脹助力控制策略，采用輸入輸出反饋線性化以及前饋補償等方法完成了3級控制器的設計．搭建了1,kW新型壓縮空氣儲能風電系統試驗平臺，驗證了新型壓縮空氣儲能風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%．

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(責任編輯：孫立華)

Expansion Assistance Control of the Novel Wind Generation System with Compressed Air Energy Storage

Chu Xiaoguang1,2，Zhang Chenghui1，Kong Ying3，Li Ke1，Wang Jihong4
(1. School of Control Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2. School of Electrical Information Automation，Qufu Normal University，Rizhao 276826，China；3. School of Information and Technology，Jining Medical University，Rizhao 276800，China；4. School of Engineering，Warwick University，Coventry CV47AL，United Kingdom)

In view of the intermittence and fluctuation of the wind energy，a novel mechanical coupling wind generation system with compressed air energy storage(CAES)was proposed to stabilize the wind fluctuation. Then，the hybrid dynamic model was constructed to describe the expansion assistance mode. The three-level control strategy was proposed with the scroll cutting-in，dynamic coordination and expansion assistance mode optimized control，and then controllers were designed by the input-output feedback linearization and the feed-forward control. Based on the 1,kW wind generator system experiment platform，control strategy has been validated with the lower compressed air consumption，the faster mode switch，maximum wind energy capture，and the scroll whole efficiency reaches 46.7%.

mechanical coupling；compressed air energy storage(CAES)；scroll；expansion；dynamic coordination

TM251；TM91

A

0493-2137(2014)07-0601-07

10.11784/tdxbz201305003

2013-05-02；

2013-10-11.

國家自然科學基金重大國際(地區(qū))合作研究資助項目(61320106011)；曲阜師范大學博士科研啟動基金資助項目(2012008)；曲阜師范大學學校級基金資助項目(2013kj0009).

褚曉廣（1975— ），男，博士，講師.

褚曉廣，xg_chu@163.com.