新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)(system)膨脹助力控制褚曉廣I2，張承慧孔英3，李珂\王吉紅4（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061；2.曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院，日照276826；3.濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，日照276800；4.英國(guó)華威大學(xué)工程學(xué)院，考文垂CV47AL）模式混雜動(dòng)態(tài)模型。提出了渦旋機(jī)柔性切入、切入后動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)以及膨脹助力優(yōu)化控制等三級(jí)膨脹助力控制策略，采用輸入輸出反饋線性化以及前饋控制等方法完成控制器設(shè)計(jì)?；?kW風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)(test)平臺(tái)驗(yàn)證了控制策略的有效性，提高了模式切換過渡過程和風(fēng)能捕獲的動(dòng)態(tài)速度，有效降低了壓縮氣體的消耗，渦旋機(jī)全效率提升至46.7%.：機(jī)械耦合；壓縮空氣儲(chǔ)能；渦旋機(jī)；膨脹；動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)隨著常規(guī)能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，新能源技術(shù)已成為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)以及能源可持續(xù)發(fā)展(Develop)的新引擎。風(fēng)力發(fā)電因其完全污染、蘊(yùn)含容量大等優(yōu)點(diǎn)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，但風(fēng)電功率波動(dòng)性影響供電質(zhì)量，尤其當(dāng)其大面積并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)安全、運(yùn)行成本等帶來了諸多負(fù)面影響，已成為風(fēng)電大規(guī)模推廣應(yīng)用的制約瓶頸。研究（research)表明能量存儲(chǔ)是解決上述問題、提高電能輸出質(zhì)量最有效手段之一。
　　風(fēng)電系統(tǒng)采用的儲(chǔ)能方式主要有電池、超級(jí)電容(capacitance)、飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣(Basin air)儲(chǔ)能等幾種。與其他儲(chǔ)能方式相比，壓縮空氣儲(chǔ)能是唯一可在綜合效益方面和抽水蓄能相媲美的儲(chǔ)能方式，備受儲(chǔ)能界關(guān)注。但傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能是由燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展而來，氣體膨脹需與化石燃料混合燃燒，特別是其對(duì)地理環(huán)境、化石燃料的依賴以及排放污染等方面限制了其大規(guī)模推廣。近年來，興起了多種應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域無污染的壓縮空氣儲(chǔ)能（compressedairenergy storage，CAES）技術(shù)，但普遍存在轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多、氣動(dòng)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際（地區(qū)）合作(collaborate)研究資助項(xiàng)目（61320106011）；曲阜師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（2012008）；曲阜師范大學(xué)學(xué)校級(jí)基金資助項(xiàng)目（2013kj0009）。
　　通訊作者：褚曉廣，xgchu163.com.天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）負(fù)載負(fù)載電壓控制器！
　　非可控整流器Buck變流器1新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)工作(gōng zuò)原理新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)（見）由風(fēng)機(jī)、機(jī)械費(fèi)合裝置、壓縮空氣儲(chǔ)能、永磁發(fā)電機(jī)、Buck變流器以及輔助(Aid)性負(fù)載等幾部分組成。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。因風(fēng)速、負(fù)載等工況變化，系統(tǒng)可運(yùn)行于傳統(tǒng)(Tradition)風(fēng)電、壓縮儲(chǔ)能以及膨脹助力等3種工作模式（見），其中壓縮儲(chǔ)能和膨脹助力間模式切換需由渦旋機(jī)壓縮和膨脹復(fù)用功能(gōng néng)改變而實(shí)現(xiàn)，但動(dòng)渦盤快速逆轉(zhuǎn)極易導(dǎo)致渦盤損壞，為此模式切換必須以傳統(tǒng)風(fēng)電模式作為切換中介。
　　2.1風(fēng)機(jī)模型小型風(fēng)機(jī)一般為直驅(qū)定槳距系統(tǒng)，捕獲功率和轉(zhuǎn)矩完全依靠葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)，分別表示為能利用系數(shù)。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　　為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲，必須控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使風(fēng)能利用系數(shù)最大，此時(shí)風(fēng)機(jī)捕獲功率和轉(zhuǎn)矩為/lmt為優(yōu)化葉尖速比，其由廠家所提供功率曲線獲得，cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)。
　　2.2基于輔助(Aid)性負(fù)載調(diào)控的發(fā)電系統(tǒng)模型由于永磁發(fā)馬達(dá)經(jīng)非可控整流功率輸出，4與ih的夾角相對(duì)較小，如果忽略整流橋換向過程，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)可近似認(rèn)為《s與4同相，則發(fā)電機(jī)負(fù)載可等效為阻性負(fù)載。永磁發(fā)電機(jī)定子每相等效電路(Circuits)和相量關(guān)系如所示，其中五為發(fā)電機(jī)磁電動(dòng)(electric)勢(shì)，其超前于電流（電壓）功率角0，為發(fā)電機(jī)g軸電流，晃和Xs分別為定子電阻和同步電抗。
　　由（b）發(fā)電機(jī)相量圖可知，發(fā)電機(jī)g軸電流為效率低等缺陷為傳統(tǒng)風(fēng)電模式采用輔助性負(fù)載實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲，由直流側(cè)功率平衡可得發(fā)電機(jī)直流阻抗為尺A而膨脹助力模式為降低壓縮氣體消耗，輔助性負(fù)載必須關(guān)斷，發(fā)電機(jī)等效直流阻抗為供電電壓；匕為直流母線電壓。
　?。╝）等效電路（b）相量圖永磁發(fā)電機(jī)等效電路和相量3新型壓縮(compression)空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)助力模式動(dòng)態(tài)模型以渦旋機(jī)速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及供氣壓力；7為狀態(tài)變量(Variable)，以閥門開度《為輸人變量，建立風(fēng)電系統(tǒng)助力模式動(dòng)態(tài)模型為d外人qu+仰c2人別為風(fēng)機(jī)和渦旋機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；S和扎分別為風(fēng)機(jī)和渦旋機(jī)摩擦系數(shù)；（7為切換變量，（7=0，1，-1分別為傳統(tǒng)風(fēng)電模式、壓縮儲(chǔ)能模式以及膨脹助力模式；：Td為渦旋機(jī)有效助力力矩；《。為風(fēng)機(jī)與渦旋機(jī)的變速比；R和匕分別為吸氣體積和排氣體積；為固定膨脹比，'=/7/0；/7d和；分別為排氣壓力和理論排氣壓力；和分別為罐內(nèi)氣壓和溫度；i為氣體常量；Cf為排氣系數(shù)；S為閥門面積；知為泄漏系數(shù)；F為閥門到進(jìn)氣孔口容積。
　　3傳統(tǒng)(Tradition)風(fēng)電模式(pattern)控制策略傳統(tǒng)風(fēng)電模式為風(fēng)電系統(tǒng)工作模式的切換中介，其高效工作點(diǎn)為渦旋機(jī)切人跟蹤狀態(tài)，為此需對(duì)其優(yōu)化控制重點(diǎn)研究傳統(tǒng)風(fēng)電模式采用了基于風(fēng)機(jī)（Draught Fan）優(yōu)化轉(zhuǎn)速PI跟蹤和輔助性負(fù)載功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）前饋補(bǔ)償相結(jié)合的混合控制策略，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。
　　風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速PI跟蹤控制器為旋切動(dòng)協(xié)渦機(jī)人態(tài)1/嫌句熱一每楚褚曉廣等：新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)膨脹助力控制為提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，采用供氣閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)開度直接控制渦旋機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，由式（11）可得基于渦旋機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩供氣壓力(pressure)的閥門開度為其中4.3膨脹助力模式風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制為有效降低膨脹助力壓縮氣體消耗，為此必須(have to)實(shí)現(xiàn)基于膨脹助力的風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤，同時(shí)為提高風(fēng)機(jī)最大功率捕獲的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提出了基于渦旋機(jī)轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償和風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速PI轉(zhuǎn)速跟蹤相結(jié)合的混合控制器。
　　基于風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速的渦旋機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩為由式（11）和式（25）可得渦機(jī)優(yōu)化供氣壓力(pressure)為凡=置風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤控制器為新型風(fēng)電系統(tǒng)膨脹助力模式總控制器輸出(Output)為w 5試驗(yàn)驗(yàn)證搭建了新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)（如所示），其中1kW風(fēng)機(jī)由西門子變頻器（MM440）和4kW西門子異步機(jī)進(jìn)行模擬；渦旋機(jī)經(jīng)由電磁離合器和皮帶(與風(fēng)機(jī)在發(fā)馬達(dá)前端耦合，變速比nc為1.2；負(fù)載電壓（DC100V）由Buck變流器控制實(shí)現(xiàn)，為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化軌跡。
　　渦旋機(jī)供氣壓力模型為標(biāo)準(zhǔn)(biāo zhǔn)非線性仿射系統(tǒng)，即其中鑒于執(zhí)嚴(yán)格為正，對(duì)其進(jìn)行反饋線性化設(shè)供氣壓力偏差為e=A-p，其開環(huán)動(dòng)態(tài)特性為為使供氣壓力具有良好跟蹤性能，設(shè)置e =-kae，其中ka為正控制增益，則供氣壓力前饋控制器輸出為鑒于模型參數(shù)經(jīng)常變化，為提高系統(tǒng)魯棒性，設(shè)風(fēng)電系統(tǒng)初始風(fēng)速(Wind speed)為5.7m/s，罐內(nèi)氣壓為0.5MPa，負(fù)載為100W，風(fēng)機(jī)運(yùn)行于傳統(tǒng)風(fēng)電模式，協(xié)調(diào)控（釋義：調(diào)節(jié)、控制）制器通過開關(guān)管占空比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤，即使在50，s和75s負(fù)載功率發(fā)生100W和50，W跳變（（b）），占空比能夠快速調(diào)整(Adjustment)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲（（c）），風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為20|r/min，同時(shí)輔助性負(fù)載功率制熱氣罐氣體，減小了因泄漏和溫度散失等所致氣罐氣壓的降低（reduce)，氣罐氣壓基本維持0.5MPa不變，驗(yàn)證(Experimental)了本文所提出輔助性負(fù)載制熱氣罐氣體，提高氣體內(nèi)能策略(strategy)的有效性。
　　率僅為200，W，而負(fù)載功率250W，為此快速啟動(dòng)渦旋機(jī)，系統(tǒng)由傳統(tǒng)風(fēng)電模式切換至膨脹助力模式補(bǔ)充不足功率，由中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦旋機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖可知，渦旋機(jī)僅在0.5s內(nèi)完成了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤（渦旋機(jī)轉(zhuǎn)速因傳動(dòng)變比為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1.2倍），渦旋機(jī)切人時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，有效降低了渦旋機(jī)切人所致的機(jī)天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)(technology)版）時(shí)間/s風(fēng)電系統(tǒng)功率變化由風(fēng)電系統(tǒng)功率變化可知：傳統(tǒng)風(fēng)電模式風(fēng)機(jī)功率CPwmd）和發(fā)電機(jī)功率CPgmeratj基本都為350W，而負(fù)載功率和輔助(Aid)性負(fù)載功率之和為295W，兩者功率之差為發(fā)電機(jī)內(nèi)部損耗；135s時(shí)風(fēng)時(shí)間/S（C）占空比渦旋機(jī)切人后即進(jìn)人膨脹助力控制策略中動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制階段，負(fù)載功率無法滿足是由風(fēng)速降低所致，系統(tǒng)運(yùn)行于模式2區(qū)，渦旋機(jī)以風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩快速補(bǔ)償負(fù)載功率之不足，提高了風(fēng)機(jī)向最大功率點(diǎn)過渡（transition)速度，由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化軌跡可知，風(fēng)機(jī)僅用25s實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，此過渡過程負(fù)載功率的不足由渦旋機(jī)實(shí)現(xiàn)了有效補(bǔ)償，補(bǔ)償功率為150W（見）。210s時(shí)負(fù)載功率降至200W，在風(fēng)機(jī)捕獲功率基本恒定情況(Condition)下，渦旋機(jī)根據(jù)負(fù)載功率變化快速降低膨脹驅(qū)動(dòng)功率，助力功率降至75W，同時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為15r/min，且調(diào)節(jié)(adjust)時(shí)間也只有10s，即已完成風(fēng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤，有效降低了膨脹助力模式壓縮氣體(gas)的消耗。
　　時(shí)間/s（b）負(fù)載電流械沖擊。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)是回轉(zhuǎn)式連續(xù)氣流壓縮機(jī)，在其中高速旋轉(zhuǎn)的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉(zhuǎn)化為壓力。這種轉(zhuǎn)化部分發(fā)生在旋轉(zhuǎn)葉片上，部分發(fā)生在固定的擴(kuò)壓器或回流器擋板上。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　時(shí)間/s（a）風(fēng)速）渦旋機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)間/S）氣體壓力(pressure)風(fēng)機(jī)、渦旋機(jī)轉(zhuǎn)速以及氣體壓力變化情況va槭忍褚曉廣等：新型壓縮(compression)空氣(Basin air)儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)膨脹助力控制。607.速降低，協(xié)調(diào)控制器快速將輔助性負(fù)載功率控制占空比減小至0（見（c）），以消除輔助性負(fù)載功率PI控制滯后所致壓縮氣體的額外（extra)損耗；135s后系統(tǒng)進(jìn)人膨脹助力模式，發(fā)電機(jī)功率為風(fēng)機(jī)功率和渦旋機(jī)助力功率（Pexpander）之和，從而驗(yàn)證了基于皮帶耦合方式可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和渦旋機(jī)功率耦合有效性；同時(shí)，負(fù)載功率變化時(shí)渦旋機(jī)可快速調(diào)整補(bǔ)償功率，并可快速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率捕獲，有效降低了壓縮氣體消耗。中給出了壓縮氣體消耗功率（Palr）變化情況，在負(fù)載250W和200W階段，氣體消耗功率分別為270W和125W，而此時(shí)渦旋機(jī)補(bǔ)償功率分別為126W和56W，渦旋機(jī)全效率（“=Pexpmder/Pair，Px―er=Tce隊(duì)-Pw，其中Tce和吒由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(transducer)測(cè)試獲得）可達(dá)46.7%（而傳統(tǒng)(Tradition)葉輪式馬達(dá)氣動(dòng)效率不足20%），從而進(jìn)一步驗(yàn)證了新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)合理性。
　　6結(jié)語本文提出了一種新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)，采用渦旋機(jī)在發(fā)電機(jī)前端平抑風(fēng)機(jī)波動(dòng)功率。本文首次將模式(pattern)切換過程納入系統(tǒng)優(yōu)化控制研究中，并重點(diǎn)研究了膨脹助力模式的優(yōu)化控制。首先建立了膨脹助力模式混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型；進(jìn)而分析了膨脹助力模式切換機(jī)理，提出了基于渦旋機(jī)柔性切人、切人后動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)及膨脹助力優(yōu)化控制等3級(jí)膨脹助力控制策略，采用輸人輸出反饋（fǎn kuì）線性化以及前饋補(bǔ)償?shù)确椒?method)完成了3級(jí)控制器的設(shè)計(jì)。搭建了1kW新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了新型壓縮空氣儲(chǔ)能風(fēng)電系統(tǒng)方案合理性以及膨脹助力模式控制策略的有效性，實(shí)現(xiàn)了壓縮氣體最小消耗的優(yōu)化目標(biāo)，渦旋機(jī)全效率可達(dá)46.7%.