[發明專利]沖擊渦輪儲能快速響應發電系統及方法

在審

• 申請號: 202010925228.7
• 申請日: 2020-09-06
• 公開（公告）號: CN112049693A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 張曉斌;樊澤強;張星雨;雷濤;李偉林
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D15/10
• 分類號: F01D15/10;F01D19/00;F01D17/10;H02K7/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種沖擊渦輪儲能快速響應發電系統及方法，屬于儲能發電技術領域。本發明方法通過驅動渦輪高速旋轉儲存機械動能，在釋能時利用渦輪轉速下降產生的機械動能驅動發電機發電，經過電力變換給負載供電。本發明提出了一種新的儲能發電方法；能夠實現對瞬時脈沖性負載的快速供電；將渦輪和發電的控制解耦；渦輪旋轉時損耗小，儲能效率高。

技術領域

本發明屬于儲能發電系統技術領域，具體地說，涉及一種沖擊渦輪儲能快速響應發電系統。

背景技術

由汽輪機或燃氣渦輪驅動的渦輪發電技術具有持續大功率輸出、運行可靠等優點，在發電站、船舶、飛機等場合得到廣泛應用，是目前世界上重要的發電手段。渦輪發電技術中渦輪將熱能和壓力勢能轉化為動能，再由發電機將動能轉化為電能。其中汽輪機是通過鍋爐產生的過熱蒸汽驅動渦輪膨脹做功，燃氣輪機是由空氣通過壓縮機、燃燒室得到高溫高壓燃氣驅動渦輪膨脹做功。

但是渦輪發電機組在從靜止狀態加速到工作轉速的啟動過程中存在一定的時間延遲，不能滿足對供電系統響應速度有嚴格要求的脈沖性負載的需求，渦輪發電機組的響應速度直接影響瞬時脈沖性負載的使用性能。由此產生了渦輪發電的快速響應問題，從渦輪進氣開始到發電機的輸出電壓達到規定值的時間延遲應盡量小。

2010年在【機械科學與技術】期刊發表的“通過增大轉速與磁通提高旋轉發電機反應速度”一文，分析得出了通過降低發電機啟動風速來提高發電機反應速度的效果有限，在發電機負載較重或輸出電壓較高時，無法提高發電機反應速度。然后在對渦輪發電機工作機理、運動特征的分析下，通過數學表達式的推導提出提高發電機的反應速度可以采用增大發電機轉子角速度、增加發電機主磁路磁通的方法。但本方法只能有限減小渦輪發電機的啟動響應時間。

典型的物理儲能技術飛輪儲能在儲能時電機帶動飛輪高速轉動，飛輪將電能以動能的形式存儲起來，需要釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，完成動能到電能的能量轉換過程，飛輪儲能發電技術響應快，但其損耗較大。2013年在【東南大學學報】發表的“基于機械軸承飛輪儲能系統損耗的構成分析”一文，對飛輪儲能的電損、風損和軸承損耗三種主要損耗與轉速的關系進行了數據擬合和計算分析，結果表明風損與軸承損耗占總損耗的85％，直接影響儲能效率，要提高飛輪儲能效率必須采用磁懸浮軸承，并置于真空環境中。2009年在【電工技術學報】發表的“飛輪儲能系統充放電效率實驗研究”一文，利用電能測量方法對飛輪儲能實驗系統的充放電效率進行了測量與分析，探討了高效率飛輪儲能系統的運行方式和條件，即縮短充放電周期、提高電機功率、應用于航天環境中儲能效率較高。

發明內容

要解決的技術問題

為解決渦輪發電技術中存在的啟動響應時間問題，通過渦輪機械儲能的方法，提出一種滿足瞬時脈沖負載對電源快速響應性能需求的沖擊渦輪儲能快速響應方法，同時可實現渦輪和發電控制的解耦。

技術方案

一種沖擊渦輪儲能快速響應發電系統，其特征在于包括閥門、渦輪、發電機、電源變換裝置、瞬時脈沖性負載、轉速傳感器、控制裝置；其中閥門接收高溫高壓氣流和控制裝置輸出的控制信號，并與渦輪通過管道相連接，渦輪通過聯軸器與發電機相連接，并向轉速傳感器傳輸轉速信號，發電機通過導線與電源變換裝置連接，電源變換裝置通過導線與瞬時脈沖性負載連接，控制裝置接收轉速傳感器的信號，對閥門和電源變換裝置輸出控制信號。

一種沖擊渦輪儲能快速響應發電方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：通過控制裝置打開閥門利用高溫高壓氣流帶動渦輪高速旋轉，儲存機械動能；

步驟2：當瞬時脈沖性負載需要供電時，關閉閥門停止供氣，利用渦輪轉速降低產生的機械動能帶動發電機發電，通過電源變換裝置給瞬時脈沖負載供電；

步驟3：當轉速傳感器感應到渦輪轉速下降到某一臨界下限值時，通過控制裝置打開閥門給渦輪通氣；