基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助（E13B00020）微小規(guī)模壓縮空氣儲能（MicrosmallScaleCAES）功率等級一般為百千瓦，存儲壓力可達(dá)30MPa以上。MSCAES儲能壓縮技術(shù)采用液泵泵入液體來壓縮氣體，高壓氣體膨脹促使液體驅(qū)動液力馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動電機(jī)發(fā)電，可以實現(xiàn)壓縮和釋放的可逆過程，大大提高壓縮釋放效率，系統(tǒng)熱力學(xué)能壓縮釋放總體效率接近70% .MSCAES屬于物理方式儲能，零排放、無污染、使用壽命長。超級電容具有可持續(xù)的恒定放電能力，其功率密度約為0.8 kW/ kg.超級電容使用壽命較長，效率也較高，達(dá)到95%以上。由于單體電壓較小，應(yīng)用中需要通過大量單體進(jìn)行組合，增加了系統(tǒng)的故障率。同時超級電容每天的自放電率接近5%，因此不能維持長時間備用儲能。
不同儲能技術(shù)都具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些量密度、大功率密度、合理造價及長使用周期的優(yōu)化結(jié)合B7.設(shè)計一種由壓縮空氣儲能和超級電容儲能構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)大容量存儲和持續(xù)的能量轉(zhuǎn)化，又可以實現(xiàn)功率快速響應(yīng)和能量補(bǔ)充。為了提高壓縮氣體能量轉(zhuǎn)換的效率，系統(tǒng)采用準(zhǔn)恒溫壓縮釋放過程控制，利用*大效率點(diǎn)跟蹤算法MEPT實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與壓力的協(xié)調(diào)控制，保證液泵/液力馬達(dá)的高效率。在維持準(zhǔn)恒溫變化過程的MEPT算法控制下，壓縮氣體的能量積累和釋放會以類似間歇式脈沖的形式體現(xiàn)。超級電容輔助系統(tǒng)采用自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)控制，響應(yīng)速度快，正好可以補(bǔ)充壓縮氣體工作的能量脈沖缺口。
1能量管理控制策略的設(shè)計對于一個儲能應(yīng)用項目來說，能量存儲系統(tǒng)的參數(shù)等級是首要確定的設(shè)計要點(diǎn)?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的參數(shù)等級由自身的特性參數(shù)來描述，包括能量等級、功率等級、體積大小和成本花費(fèi)等。通過上述具體特性參數(shù)就能確定某個應(yīng)用場景的儲能系統(tǒng)容量等級。另一方面，儲能系統(tǒng)的工作方式是根據(jù)應(yīng)用需求來決定的。儲能系統(tǒng)實際的工作方式就是能量管理與分配的策略和方法，采用不同的能量管理策略就能滿足不同的應(yīng)用需求。因此，混合儲能系統(tǒng)的參數(shù)等級與能量管理辦法是耦合相關(guān)的。描述了一個儲能系統(tǒng)需要衡量的設(shè)計關(guān)鍵所在。
混合儲能系統(tǒng)參數(shù)與管理的關(guān)系儲能系統(tǒng)能量管理和控制包括能量層的管理、功率層的管理和器件級的管理。這個分級管理主要以系統(tǒng)的慣性時間特性來區(qū)分。是這種分層管理的示意圖。
對于能量的管理是儲能系統(tǒng)控制策略的頂層目標(biāo)，目的是設(shè)計一種策略，實現(xiàn)對系統(tǒng)長期演進(jìn)的控制。該控制響應(yīng)時間較長，一般大于秒級，主要決定系統(tǒng)的控制模式，直接限定了功率等級控制的范圍。
對于功率的管理是儲能系統(tǒng)控制的中間設(shè)計層目標(biāo)，目的是設(shè)計一種滿足系統(tǒng)中期變化的控制方法。
該控制響應(yīng)時間為毫秒級，決定系統(tǒng)的功率特性，而且限制了采用硬件的參數(shù)等級。儲能系統(tǒng)的底層設(shè)計目標(biāo)是器件層管理，此層設(shè)計直接決定執(zhí)行過程的動態(tài)性能，反應(yīng)時間為微秒級，可實現(xiàn)電壓電流的調(diào)節(jié)和功率變換。表1為儲能系統(tǒng)能量管理層級的介紹。
表1能量管理和控制層次結(jié)構(gòu)表管理層次設(shè)計目標(biāo)控制輸出響應(yīng)時效能量管理管理策略工作模式大于秒級功率管理處理方法功率大小毫秒~秒級器件管理執(zhí)行過程調(diào)制方式微秒~毫秒級2混合儲能系統(tǒng)自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)控制超級電容與液氣循環(huán)壓縮空氣混合儲能系統(tǒng)原理框圖如所示。儲能狀態(tài)時，直流電網(wǎng)多余的電能根據(jù)分配首先存儲到超級電容，多余能量驅(qū)動電機(jī)工作，帶動液壓泵，通過泵入液體使空氣壓縮蓄能。釋能狀態(tài)時，負(fù)載除直流網(wǎng)絡(luò)供電外，還需額外能量注入。此時壓縮氣體驅(qū)動液力馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，變流器將電能變成負(fù)載所需形式。超級電容作為功率補(bǔ)充，通過控制超級電容充放電，可以*大限度平抑直流網(wǎng)壓的瞬間波動。
在SCHPCCAES混合儲能系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)功率特性是重要指標(biāo)，由壓縮空氣儲能和超級電容儲能的功率調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)各自性能。液氣循環(huán)壓縮時，一個壓縮和預(yù)壓縮周期可以看做是混合液氣壓縮的一段過程等效。這里為了簡化功率控制策略的分析，利用PHESS工作過程代替HPCCAES工作過程進(jìn)行混合儲能功率調(diào)節(jié)的研究。外部電源和負(fù)載構(gòu)成能量波動系統(tǒng)，源荷之間的能量差會造成網(wǎng)壓波動，通過控制儲能系統(tǒng)吸收和補(bǔ)充源荷能量差，可以平抑電網(wǎng)的波動。源荷能量差的控制對象用電網(wǎng)和負(fù)載的輸入輸出電流差表示，要維持不變，需要控制電網(wǎng)和負(fù)載的差值電流i t2，混合儲能系統(tǒng)中，2由超級電容變流器輸出電流ich和電機(jī)變流器電流合成。采取變功率輸出的自動頻率功率調(diào)節(jié)控制，協(xié)調(diào)控制液氣壓縮（釋放）和超級電容充放電，以維持母線電壓平穩(wěn)，保證負(fù)載工作特性。其中i控制頻率較低，主要通過控制ich實現(xiàn)SCPHESS系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。利用電壓和電流雙環(huán)控制PWM，實現(xiàn)對超級電容變流器的控制。自動頻率調(diào)節(jié)控制依據(jù)超級電容的電壓狀態(tài)實現(xiàn)開關(guān)控制?？紤]*簡單的混合儲能交替工作情況，并且認(rèn)為外部能量的功率等級比超級電容儲能功率和壓縮空氣儲能功率都小。①壓縮工況時，閥門先關(guān)閉，外部能量先由超級電容吸收，超級電容電壓USc上升到Umax時，閥門開啟，電容放電，聯(lián)合外電源共同作用壓縮氣體儲能；電容電壓降至?xí)r液氣壓縮停止，閥門關(guān)閉，超級電容再次充電。②釋能工況時，閥門先開通，壓縮能量給電容充電的同時直接提供給負(fù)載，在電容電壓A.達(dá)到*大電壓設(shè)定時，液氣儲能停止釋放，閥門關(guān)閉；超級電容單獨(dú)放電維持負(fù)載，電容電壓A.降到*小電壓設(shè)定時，閥門開啟，液氣儲能再次釋放。一般關(guān)閉閥門后需要間隔一定的時間，流體系統(tǒng)穩(wěn)定后才能再次打開閥門，延時時間為T；。為自動頻率功率調(diào)節(jié)控制流程圖。
壓縮空氣超級電容混合儲能裝置轉(zhuǎn)化能量WcV與PHESS的動作周期成Tonn比例關(guān)系。隨著主儲能氣罐空氣壓力降低，傳遞釋放的功率會逐步減小。中Pcv為功率曲線，隨時間變化呈下降趨勢。
級電容充電，超級電容獲取的能量為Ws.在PHESS系統(tǒng)不發(fā)生能量變化的時間Tff n內(nèi)，只由超級電容供電，超級電容輸出能量為WR，認(rèn)為超級電容每個充放電過程不積累多余能量，則滿足下列關(guān)系3混合儲能系統(tǒng)能量分配管理策略采用規(guī)則基礎(chǔ)控制的能量管理和分配策略來實現(xiàn)SCPHESS的控制。能量管理和控制的依據(jù)是電源與負(fù)載的瞬時功率差，建立基礎(chǔ)規(guī)則的著眼點(diǎn)是超級電容儲能系統(tǒng)的安全工作區(qū)和液氣壓縮儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。超級電容系統(tǒng)的規(guī)則判據(jù)是電容的耐受電壓*大值和*小值UScmm.壓縮空氣儲能系統(tǒng)的規(guī)則判據(jù)是液泵/液力馬達(dá)的*大功率Pphmax和*大效率nphmax.為混合儲能系統(tǒng)能量管理和控制策略示意。
設(shè)定混合儲能應(yīng)用于電源與負(fù)載存在載荷差的系統(tǒng)，其中，電源功率為Pgnd，負(fù)載功率為Pkd，根據(jù)儲能系統(tǒng)存儲和釋放兩種工況，考慮源荷之間功率差（剩余功率）Pex=Pgnd-Py，可以建立4種工作規(guī)則：規(guī)則1，壓縮儲能，剩余功率大于液氣壓縮*大功率。
電源提供的功率過剩，源荷功率差Pex>，控制液氣儲能系統(tǒng)壓縮儲能工作，儲能功率Pph為*大壓縮功率COM.如果剩余功率大于液氣壓縮*大功率Pex>Pphmax，可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)按*大功率工作時，Pph=Pphmax；壓縮效率h為對應(yīng)*高速度時的效率nhspeed時，nph=nhspeed，此時超級電容儲能系統(tǒng)充電；超級電容功率PSc為充電時的功率Pscch時，Psc=PScch，直到達(dá)到*高耐受電壓，只能充滿一次。②液氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)按*大效率工作，Pph=Pphhspeed，%h=lax，超級電容在此階段對壓縮空氣儲能系統(tǒng)放電，PSc=PScdis，當(dāng)電容放電到*低放電電壓時，再開始充電，液氣壓縮又可以按照*大效率工作。
V負(fù)載規(guī)則2，壓縮儲能，剩余功率小于液氣壓縮*大功率。
剩余功率依舊大于零，但是小于液氣壓縮系統(tǒng)的*大功率PeX >Pphmax.也可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)按*大功率工作，輸入功率等于剩余功率，Pph=Pex，不考慮轉(zhuǎn)換效率，超級電容不工作；②液氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)按對應(yīng)*大效率點(diǎn)轉(zhuǎn)速工作，如果在一定轉(zhuǎn)速和壓力下的*大效率點(diǎn)處對應(yīng)的功率輸出小于剩余功率，則超級電容充電，吸收多余剩余功率。
規(guī)則3，釋放發(fā)電，欠償功率大于液氣壓縮*大功率。
電源提供的功率無法完全支撐負(fù)載所需，發(fā)電功率欠缺，PexO.液氣循環(huán)壓縮空氣儲能系統(tǒng)釋放北京交通大學(xué)學(xué)報發(fā)電，液力馬達(dá)功率為釋放功率PphREL，Pph=PphEL.如果欠償功率大于液氣壓縮*大功率，IP>Pph，可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液體馬達(dá)工作于高轉(zhuǎn)速以維持*大功率，Pph =Pph，nph=%Speed，此時需盡可能輸出較高功率維持負(fù)載供應(yīng)，液體馬達(dá)換效率并非對應(yīng)該時刻壓力和轉(zhuǎn)速時的*高效率。超級電容放電，PSc =PScdis，且只能放電一次；②液氣壓縮按*大效率工作，液體馬達(dá)工作在一定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率，并非*大功率，但是保證在該時刻的轉(zhuǎn)換效率*大。因為所有的*大效率點(diǎn)對應(yīng)功率都小于欠償功率，所以沒有功率給超級電容充電，超級電容這個階段不工作。
規(guī)則4，釋放發(fā)電，欠償功率小于液氣壓縮*大功率。
儲能系統(tǒng)處于發(fā)電釋能狀態(tài)，欠償功率小于液氣壓縮儲能*大功率IPexI 表2 SC-HPCCAES混合儲能系統(tǒng)混合儲能系統(tǒng)設(shè)計仿真參數(shù)表外電源額定功率峰值+50%額定電壓電阻負(fù)載額定功率范圍0超級電容變流系統(tǒng)額定功率額定電壓（高壓）峰值+永磁同步電機(jī)變流器系統(tǒng)電機(jī)功率額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩峰值+液泵/液力馬達(dá)排量壓力（*大）*局功率高壓液罐額定容量*大壓力低壓液罐額定容量*大壓力假定外電源為理想恒壓源，負(fù)載為變功率載荷，且負(fù)載變化*大功率值可大于壓縮空氣儲能系統(tǒng)額定功率模擬了負(fù)載突然減輕15kW以上、外部剩余功率達(dá)到24kW和20kW的兩種情況下，混合儲能系統(tǒng)的工作特性，其中Pex，Ppump，Psc，Usc分別為液泵壓縮儲能時外部剩余功率、液泵功率、超級電容功率和超級電容電壓。壓縮儲能系統(tǒng)采用*大效率點(diǎn)控制時的波形示意，主要為了更高效率的轉(zhuǎn)存外部剩余能量，*大效率點(diǎn)對應(yīng)的功率會超過壓縮系統(tǒng)*大功率15kW，超級電容相對需要更大的存儲功率，需要存儲更多的外部能量。所示在時間軸45s處達(dá)到325V，超級電容充滿電，較*大功率點(diǎn)控制時更快充滿。 為液泵壓縮儲能時外部剩余功率、液泵功率、超級電容功率和超級電容電壓的特性曲線。液氣壓縮儲能無需盡快吸收外部剩余功率，由超級電容系統(tǒng)來提供能量接收。這種工作方式保證液泵的壓縮轉(zhuǎn)換效率較大，超級電容處于充電和放電的狀態(tài)，電容電壓上升較慢。 Pex
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