[发明专利]双行星齿轮机械耦合式压缩空气储能系统及工作方法

摘要

本发明公开了双行星齿轮机械耦合式压缩空气储能系统及工作方法，包括风力机，风力机与第一行星齿轮的第一行星架轴连接，第一行星齿轮的第一齿圈与永磁同步发电机连接，第一行星齿轮的第一太阳轮与第二行星齿轮的第二太阳轮轴连接，第二行星齿轮的齿圈和第二行星架都固定，第二行星齿轮的行星轮通过电磁离合器与对应的涡旋式压缩/膨胀机连接，第二行星齿轮的太阳轮与ISG电机连接，涡旋式压缩/膨胀复合机通过气体通路与储气装置相连；本发明实现系统平滑切换及最大功率跟踪，能够保证系统长时间运行在最大功率点附近，同时通过多涡旋式压缩/膨胀复合机组合和ISG电机助力，提高涡旋式压缩/膨胀复合机效率。

主权项

双行星齿轮机械耦合式压缩空气储能系统的工作方法，其特征是，包括：独立运行模式、压缩储能模式和膨胀助力模式；当系统处于独立运行模式时，第一行星齿轮起到增速的作用；当系统处于压缩储能模式时，第一行星齿轮将风机能量分解出一部分传递给第二行星齿轮，第二行星齿轮带动涡旋式压缩/膨胀复合机压缩空气储能；在涡旋式压缩/膨胀复合机接入瞬间，通过调节ISG电机，降低涡旋式压缩/膨胀复合机切入过程的冲击，涡旋式压缩/膨胀复合机切入完成后，控制ISG电机微调风力机工作点，保持风力机运行在最大功率点处；当系统处于膨胀助力模式时，涡旋式压缩/膨胀复合机工作在膨胀状态，根据气罐压力和需要补充的功率大小，计算接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数；接入瞬间，通过调节ISG电机降低涡旋式压缩/膨胀复合机接入过程的冲击；当处于独立运行模式，第一行星齿轮的第一太阳轮不旋转，涡旋式压缩/膨胀复合机被锁死，风力机获得的风能由第一行星架经过第一齿圈传送给永磁同步发电机；第二行星齿轮中的电磁离合器处于断电模式，涡旋式压缩/膨胀复合机不工作；ISG电机与第一行星齿轮的太阳轮同轴，也处于静止状态；当系统处于压缩储能模式时，第一行星齿轮的第一行星架作为主动部件，第一太阳轮和第一齿圈为从动部件；压缩过程中，第一行星架输入的风机能量分解为两部分：一部分通过第一齿圈传递给永磁同步发电机发电，另外一部分通过第一太阳轮传递给第二行星齿轮，带动涡旋式压缩/膨胀复合机压缩空气储能；压缩模式工作时，首先需要根据风速大小和气罐压力，实时计算需要接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数和ISG电机的控制功率大小，根据计算结果控制第一电磁离合器、第二电磁离合器、第三电磁离合器和第四电磁离合器的开关状态，控制连入系统中的涡旋式压缩/膨胀复合机的个数，将对应的涡旋式压缩/膨胀复合机和第二行星齿轮行星轮结合，进入压缩模式；所述压缩储能模式下，需要接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数的计算过程如下：步骤(a1)：根据当前风速，计算第一太阳轮分配到的转矩大小：式中Tw为当前风速下风力机工作在最大功率点对应的转矩，Tg表示分配到第一太阳轮的 转矩，ρ为齿圈和太阳轮的齿数比；步骤(a2)：根据当前气罐气压，计算一个涡旋式压缩/膨胀复合机切入后气动转矩Tt＝ξp式中ξ为涡旋式压缩/膨胀复合机气压转矩拟合系数，p为当前气罐压力；步骤(a3)：计算需要接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数Nn＝Tg/Tt，当n为整数时，接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数N＝n；当n为非整数时，N等于n四舍五入的结果；所述压缩储能模式下，ISG电机的控制功率如下：Tisg＝Tg‑NTt式中Tisg为压缩模式下ISG电机的转矩，Pisg为压缩模式下计算得到的ISG功率Pisg＞0时，控制ISG电机工作在电动机模式；Pisg＜0时，控制ISG电机工作在发电机模式；当系统处于膨胀助力模式时，工作方式如下:第一行星齿轮的工作状态为：第一行星齿轮的第一行星架、第一行星齿轮的第一太阳轮为主动部件，作为能量的输入环节，第一行星齿轮的第一齿圈为从动部件，作为能量的输出环节；风力机获得的风能通过第一行星架与涡旋式压缩/膨胀复合机膨胀助力的能量通过第一太阳轮合成后传递给永磁同步发电机；膨胀模式工作时，需要根据风机功率、负荷功率和气罐压力，控制第一电磁离合器、第二电磁离合器、第三电磁离合器和第四电磁离合器的开关状态，控制连入系统中的涡旋式压缩/膨胀复合机的个数；所述膨胀助力模式下，需要接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数的控制过程如下：当PLoad‑PWind≤PTurbin时，控制第一电磁离合器吸合，第一涡旋式压缩/膨胀复合机连入系统中；其中PLoad为当前负载功率，PWind为当前风机功率，PTurbin为当前气罐压力下单个涡旋式压缩/膨胀复合机运行在膨胀模式下的功率；当PTurbin≤PLoad‑PWind≤2PTurbin时，系统需要两台涡旋式压缩/膨胀复合机才能满足系统负载的需求，控制第一电磁离合器和第三电磁离合器吸合，第一涡旋式压缩/膨胀复合机和第三涡旋式压缩/膨胀复合机连入系统中；当PLoad‑PWind的值继续增大时，继续控制电磁离合器增加接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机个数，直至所有涡旋式压缩/膨胀复合机都接入系统；所述膨胀助力模式下，ISG电机的控制功率：Pisg＝PLoad‑PWind‑NPTurbin；其中，N为接入系统的涡旋式压缩/膨胀复合机数量，Pisg为膨胀模式下计算得到的ISG功率，Pisg＞0时，控制ISG电机工作在电动机模式，Pisg＜0时，控制ISG电机工作在发电机模式；所述双行星齿轮机械耦合式压缩空气储能系统，包括：设置在同一轴上的第一行星齿轮和第二行星齿轮，轴的一端与风力机连接；所述第一行星齿轮还驱动永磁同步发电机；所述第二行星齿轮通过离合装置控制涡旋式压缩/膨胀复合机的接入与断开，所述涡旋式压缩/膨胀复合机通过气体通路与储气装置相连；在压缩储能模式，第一行星齿轮将一部分能量传递给永磁同步发电机，另外一部分能量传递给第二行星齿轮，带动涡旋式压缩/膨胀复合机接入系统；膨胀助力模式，第一行星齿轮将能量传递给永磁同步发电机，同时涡旋式压缩/膨胀复合机接入系统，将储气装置储存的能量依次通过第二行星齿轮和第一行星齿轮，最后也传递给永磁同步发电机；同时所述第二行星齿轮的太阳轮还与用于降低涡旋式压缩/膨胀复合机接入过程冲击的ISG电机连接；所述离合装置为电磁离合器，系统的外壳上安装有风速传感器；所述风力机与第一行星齿轮的连接轴上安装有风力机转速传感器；所述永磁同步发电机与第一行星齿轮的连接轴上安装有永磁同步发电机转速传感器；所述永磁同步发电机上安装有永磁同步发电机变流器和电流传感器；所述ISG电机与第二行星齿轮的连接轴上安装有ISG电机转速传感器；所述ISG电机上安装有ISG电机变流器和电流传感器；所述涡旋式压缩/膨胀复合机的出口安装有气体流量传感器；所述储气装置内安装有气体压力传感器；所述气体通路上设有流量控制阀；所述电磁离合器与对应的电磁离合器控制器连接；所述涡旋式压缩/膨胀复合机上安装涡旋式压缩/膨胀复合机转速传感器；各所述传感器均与上位机连接；所述上位机还与所述永磁同步发电机变流器、ISG电机变流器、电磁离合器控制器、流量控制阀连接。