[發明專利]一種機械耦合式飛輪輔助的復合儲能系統及控制方法

有效

• 申請號: 201811611474.4
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109687487B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 張承慧;馬昕;李珂;王魯泮
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02J3/28
• 分類號: H02J3/28;H02J3/30;F03G3/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發明公開了一種機械耦合式飛輪輔助的復合儲能系統及控制方法，包括：飛輪模塊及壓縮空氣儲能模塊，所述飛輪模塊通過無級變速器在離合器閉合時連接轉盤，所述轉盤通過電動機加速實現與飛輪轉速的預同步，所述轉盤與往復式壓氣機連接，往復式壓氣機連接壓縮空氣儲能模塊，壓縮空氣儲能模塊通過連接發電機補償間歇式發電電源。飛輪儲能和壓縮空氣儲能采用機械耦合并聯式結構，通過采集飛輪轉速，確定離合器開關以及壓縮空氣儲能工作狀態，控制策略簡單，易于操作和實現。

技術領域

本公開涉及控制技術領域，特別是涉及一種機械耦合式飛輪輔助的復合儲能系統及控制方法。

背景技術

人們對能源的需求與日俱增，能源供需矛盾日益突出，新能源的發展已經成為經濟可持續發展的必然要求。風能、太陽能、潮汐能等新型能源發電已經成為當今世界能源研究的主流方向。大量分布式、間歇式的能源接入電網，緩解了能源壓力，然而卻也加劇了電網發-輸-配-用電難以保持供需平衡的情形。導致用電高峰期，電網供電緊張，而深夜時，出現電力過剩的局面，同時也對電網的穩定造成了威脅。為了改變這一局面，人們一直在尋求將能源存儲起來的方法，試圖將低密度且波動性大的可再生能源實現高效率的廣泛應用。現有的儲能方式眾多，主要包括化學儲能和物理儲能等。單一儲能方式由于自身性能的限制，難以達到人們的要求，電力系統正在尋求一種高密度、長壽命、快響應、無污染且價格合理的復合儲能系統。

壓縮空氣儲能利用風機驅動空壓機，將空氣壓入高壓氣罐、巖洞等容器，將風能轉化為壓縮空氣勢能存儲。壓縮空氣儲能具有環境污染小，使用壽命長，能量密度大，無相變損失等優點，在大時間尺度上可解決間歇式能源供需不匹配的矛盾，但壓縮空氣儲能工作條件是空壓機出氣口壓力大于儲氣瓶中氣壓，為了保證空壓機工作，就要求環境風速大于最低工作風速，限制了低風速的利用，同時壓縮空氣儲能作為一種容量型儲能設備，其存在系統響應慢的缺點，平抑波動的能力較差。飛輪儲能利用風機驅動電機，帶動飛輪旋轉將風能轉化為動力勢能。這些儲能設備具有功率密度大，瞬時響應速度快，維護費用低等優點，可用于平抑秒級的功率波動，且響應速度較快，而飛輪儲能作為一種功率型儲能設備，又存在系統容量小的缺點，在大功率應用場合，需要疊加應用，增大了使用成本。

為了解決以上矛盾，人們嘗試將兩種儲能方式結合使用，以復合儲能的方式實現快速響應和大容量的要求。現有的研究主要是將壓縮空氣儲能系統與飛輪儲能系統通過電耦合的方式連接，當間歇式能源與電網負荷需求不平衡時，根據波動功率分為低頻和高頻，并分別由壓縮空氣儲能和飛輪儲能進行平抑。

現有技術公開了申請號為2014107972644，專利名稱為“一種飛輪輔助的壓縮空氣混合儲能系統及其控制方法”，壓縮空氣儲能模塊采用的是渦旋式壓縮機，其基本工作原理是利用運動渦旋盤與固定渦旋盤的相對公轉運動，從而形成封閉容積的連續變化，實現壓縮氣體。飛輪直接帶動渦旋式壓縮機工作，其工作特點為體積小，運行平穩、振動小、工作噪音小，但其功率較低，大都在10KW以內，從而限制了壓縮空氣儲能模塊的輸出功率，因此該壓縮機適用于小型系統。

該專利采用壓縮膨脹一體模式，即采用了渦旋式壓縮膨脹機復合機，從而壓縮過程與膨脹過程中，渦旋式壓縮膨脹復合機始終與飛輪機械耦合。

這種混合儲能方式較好的結合了壓縮空氣儲能和飛輪儲能的優點，在不同時間尺度上平抑了間歇式能源輸出功率波動。然而對于飛輪這一功率型儲能元件，長時間充電很容易超過其容量，而對于壓縮空氣儲能這一能量型儲能元件，比較頻繁的充放電會縮短其使用壽命。且電耦合方式由于其能量轉換環節較多，系統的整體效率有所降低，同時并未解決壓縮空氣儲能啟動慢，狀態切換時間長的問題。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本公開的實施例子公開了一種機械耦合式飛輪輔助的復合儲能系統，可以有效發揮兩種儲能的優勢，且兩種儲能通過機械耦合的方式，轉化效率高。

為了實現上述目的，本申請采用以下技術方案：