[发明专利]一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及将风能、太阳能等分布式能源转化为压缩空气势能和动能存储的混合储能装置，尤其涉及一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统及其控制方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家安全，亦是科技创新服务与应用的首要领域。高效、清洁、低碳的新能源发电已经成为当今世界能源发展的主流方向。目前电力供应系统正趋向于跨地区甚至跨国联网，实行全天候供电；多种间歇式能源如风能、太阳能大量接入系统。然而供电与用电总是不匹配，尤其在深夜，过剩电力“大放空”几乎无法避免间歇式能源的大比例接入更是加剧了这种形势；风力发电、太阳能发电等分布式发电方式，其电能输出由于风速的波动、光照强度波动等因素而具有随机性和波动性的特点，间歇式能源的接入对电网稳定造成冲击。为改变这个局面，人们殚思竭虑地寻找蓄能“蓄电”方法，比如化学储能、物理储能等等；却由于能效低、寿命短、环保成本高等原因而难以可持续发展；各种的蓄电池(包括超级电容)，其蓄能密度和寿命比我们的要求低了1～2个数量级，电力系统渴望发明一种高密度、长寿命、快响应、无污染且价格合理的储能系统。

现有改进型的储能设备有如压缩空气储能、飞轮储能等。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。市面上现有的储能设备没有一种兼具较大的能量密度同时又有较大功率密度，这限制了储能设备的应用。

为解决上述矛盾，人们尝试将容量型储能设备和功率型储能设备结合使用，现有技术大多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，根据供需差值，决定压缩空气储能和飞轮储能的输入输出功率。这种电耦合方式的混合储能系统，体现出了“混合储能”这一概念，吸收了飞轮储能和压缩空气储能的优点，在不同时间尺度上平抑间歇式能源输出功率波动。但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。

由于压缩空气储能与飞轮储能二者的蓄能和释能形式相似，人们开始研究以其他耦合方式将二者结合，以期解决压缩空气储能响应速度的问题。发明专利《风力压缩空气储能系统》(专利号：201220187224)提出了一种机械耦合式混合储能系统，风机通过无级变速器驱动飞轮，飞轮通过离合器实现与空压机的离合，风机通过无级变速器将采集的风能传递给飞轮蓄能，飞轮和空压机的合离分别实现驱动空压机和飞轮再蓄能。上述设备通过加入飞轮，解决了风力压缩空气时工作点变化过大的问题。但将飞轮与风机刚性连接，由于飞轮具有较大的惯性，当风机转轴和飞轮速度不匹配时，机械轴承受较大的扭矩，容易断裂。同时，飞轮的转速直接由风速决定，虽然加速了无级变速器，但飞轮的转速控制还是不够灵活。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种以压缩空气储能为主体、飞轮储能系统为辅助的混合储能系统及其控制方法，本系统将飞轮储能和压缩空气储能以电磁耦合的方式进行连接，可以有效抑制间歇性式发电输出功率波动对电力系统的负面影响，同时又可降低压缩空气储能系统启动延迟和状态切换延时对整个系统响应速度的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种飞轮辅助的压缩空气混合储能系统，包括间歇式发电电源、能量控制模块、能量转换模块、涡旋式复合机和储气装置，其中，间歇式发电电源连接能量控制模块，能量控制模块连接动力机，动力机连接能量转换模块，能量转换模块通过离合器连接压缩气体，涡旋式复合机通过高压气路连接储气装置；能量控制模块同时与电网负荷连接，能量控制模块采集间歇式发电电源的发电功率和电网负荷，根据二者差值判断储能系统充放电状态。

优选的，所述动力机为发电/电动机。