新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制

褚晓广，张承慧，孔 英，李 珂，王吉红

(1. 山东大学控制科学与工程学院，济南 250061；2.曲阜师范大学电气信息与自动化学院，日照276826；3. 济宁医学院医学信息工程学院，日照276800；4. 英国华威大学工程学院，考文垂 CV47AL)

新型压缩空气储能风电系统膨胀助力控制

褚晓广1,2，张承慧1，孔 英3，李 珂1，王吉红4

(1. 山东大学控制科学与工程学院，济南 250061；2.曲阜师范大学电气信息与自动化学院，日照276826；3. 济宁医学院医学信息工程学院，日照276800；4. 英国华威大学工程学院，考文垂 CV47AL)

针对风能波动性和间歇性问题，提出了新型机械耦合式压缩空气储能风电系统．建立了风电系统膨胀助力模式混杂动态模型．提出了涡旋机柔性切入、切入后动态协调以及膨胀助力优化控制等三级膨胀助力控制策略，采用输入输出反馈线性化以及前馈控制等方法完成控制器设计．基于1,kW风电系统试验平台验证了控制策略的有效性，提高了模式切换过渡过程和风能捕获的动态速度，有效降低了压缩气体的消耗，涡旋机全效率提升至46.7%．

机械耦合；压缩空气储能；涡旋机；膨胀；动态协调

随着常规能源日益枯竭和环境污染日趋严重，新能源技术已成为全球经济增长以及能源可持续发展的新引擎．风力发电因其完全污染、蕴含容量大等优点获得长足发展，但风电功率波动性影响供电质量，尤其当其大面积并网后对电网安全、运行成本等带来了诸多负面影响，已成为风电大规模推广应用的制约瓶颈[1]．研究表明能量存储是解决上述问题、提高电能输出质量最有效手段之一[2-3]．

风电系统采用的储能方式主要有电池、超级电容、飞轮、抽水蓄能和压缩空气储能等几种[4]．与其他储能方式相比，压缩空气储能是唯一可在综合效益方面和抽水蓄能相媲美的储能方式[5]，备受储能界关注．但传统压缩空气储能是由燃气轮机技术发展而来，气体膨胀需与化石燃料混合燃烧，特别是其对地理环境、化石燃料的依赖以及排放污染等方面限制了其大规模推广[6]．近年来，兴起了多种应用于风电领域无污染的压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)技术，但普遍存在转化环节多、气动效率低等缺陷[7-8]．

为此，本文提出一种新型机械耦合式压缩空气储能风电系统，采用涡旋机在发电机前端平抑风能波动，大幅减少了能量转化环节；尤其是选用了具有压缩和膨胀复用功能的涡旋机，极大提升了能量综合利用率．但系统存在多种工作模式，模式间常因风速和负载等工况变化而切换，模式切换极易导致风机工作点偏移以及机械冲击．为此，本文重点研究了风电系统膨胀助力优化控制问题，将模式切换过渡过程纳入膨胀助力优化控制中，提出了涡旋机柔性切入、切入后动态协调及膨胀助力优化控制等3级控制策略，以实现膨胀助力压缩气体最小消耗的优化目标．

1 新型压缩空气储能风电系统工作原理

新型压缩空气储能风电系统(见图1)由风机、机械耦合装置、压缩空气储能、永磁发电机、Buck变流器以及辅助性负载等几部分组成．因风速、负载等工况变化，系统可运行于传统风电、压缩储能以及膨胀助力等3种工作模式(见图2)，其中压缩储能和膨胀助力间模式切换需由涡旋机压缩和膨胀复用功能改变而实现，但动涡盘快速逆转极易导致涡盘损坏，为此模式切换必须以传统风电模式作为切换中介.

图1 新型压缩空气储能风电系统结构示意Fig.1 Sketch of novel wind generation system with CAES

图2 新型压缩空气储能工作模式切换Fig.2 Mode switching of novel wind generation system with CAES

模式切换极易导致风机工作点偏移和机械冲击，特别在风能不足时，用于补充差额功率的涡旋机具有强耦合、大滞后和非线性等特点，无疑加大模式切换难度．为此，本文对传统风电和膨胀助力模式间切换重点研究，提出了涡旋机柔性切入、切入后动态协调以及膨胀助力优化控制等3级控制策略，并由协调控制器控制离合器、阀门、辅助性负载功率以及Buck变流器占空比，实现压缩气体最小消耗和风能最大捕获的优化控制目标．

2 新型压缩空气风电系统动态模型

2.1 风机模型

小型风机一般为直驱定桨距系统，捕获功率和转矩完全依靠叶片自动调节，分别表示为

式中：aρ为标准状况下的空气密度；vw为风速；ω为风机转速；r为叶轮半径；A为叶片扫掠面积；pC为风能利用系数．

为实现风能最大捕获，必须控制风机转速使风能利用系数最大，此时风机捕获功率和转矩[9]为

2.2 基于辅助性负载调控的发电系统模型

由于永磁发电机经非可控整流功率输出，is与us的夹角相对较小，如果忽略整流桥换向过程，系统稳定时可近似认为us与is同相[10]，则发电机负载可等效为阻性负载Rg．永磁发电机定子每相等效电路和相量关系如图3所示，其中E为发电机磁电动势，其超前于电流(电压)功率角θ，iq为发电机q轴电流，Rs和Xs分别为定子电阻和同步电抗．

由图3(b)发电机相量图可知，发电机q轴电流为

其中

式中：φ和K分别为发电机磁通和电压常量；gω为发电机转速．

发电机的电磁转矩表示为

式中p0为发电机极对数．

永磁发电机等效交流侧阻抗[11]为

传统风电模式采用辅助性负载实现风能捕获，由直流侧功率平衡可得发电机直流阻抗为

而膨胀助力模式为降低压缩气体消耗，辅助性负载必须关断，发电机等效直流阻抗为

图3 永磁发电机等效电路和相量图Fig.3 Equivalent circuit and phasor diagram of PMSG

2.3 新型压缩空气储能风电系统助力模式动态模型

以涡旋机速度cω、风机转速以及供气压力p为状态变量，以阀门开度u为输入变量，建立风电系统助力模式动态模型为

式中cT为涡旋机膨胀模式的输出转矩[12]，且有cT=；equJ和cJ分别为风机和涡旋机等效转动惯量；B和Bc分别为风机和涡旋机摩擦系数；σ为切换变量，σ=0，1，-1分别为传统风电模式、压缩储能模式以及膨胀助力模式；Td为涡旋机有效助力力矩；nc为风机与涡旋机的变速比；Vs和Vd分别为吸气体积和排气体积；ρ为固定膨胀比，ρ=p/pi；pd和pi分别为排气压力和理论排气压力；ps和ts分别为罐内气压和温度；R为气体常量；Cf为排气系数；S为阀门面积；k1为泄漏系数；V为阀门到进气孔口容积．

3 传统风电模式控制策略

传统风电模式为风电系统工作模式的切换中介，其高效工作点为涡旋机切入跟踪状态，为此需对其优化控制重点研究．传统风电模式采用了基于风机优化转速PI跟踪和辅助性负载功率前馈补偿相结合的混合控制策略，实现最大风能捕获．

风机优化转速PI跟踪控制器为

式中kp和ki分别为PI控制器比例和积分系数．

由式(11)风电系统模型可得传统风电模式系统稳态模型为

将式(5)～式(7)代入式(13)得

由式(8)和式(9)可得辅助性功率前馈占空比补偿项为

传统风电模式混合控制器为

4 膨胀助力模式控制策略

当风机功率小于负载需求时，系统由传统风电模式切换至膨胀助力模式，采用了涡旋机柔性切入、切入后动态协调以及膨胀助力优化控制3级控制策略(如图4所示)．其中，涡旋机柔性切入实现涡旋机无缝切入；切入后动态协调用于提高过渡过程响应速度；膨胀助力优化控制确保风机最大功率捕获降低压缩气体的消耗．

图4 膨胀助力模式控制策略Fig.4 Control strategy of expansion assistance mode

4.1 涡旋机柔性切入策略

涡旋机和风机在耦合点处的转速差异导致系统机械冲击，为此需实现涡旋机对风机转速快速跟踪．

由式(11)可知涡旋机动态系统为

其中

对涡旋机转速y求Lie导数得

鉴于Lgh(x)=0，对y˙继续求Lie导数

其中

由式(20)可得

4.2 涡旋机切入动态协调

由图5可知存在两种模式导致风机功率无法满足负载功率．其中，模式1为风速降低，风机由传统风电模式最大功率捕获点A，进入至低风速功率曲线最大功率点右侧，即风机曲线Ⅱ区；而模式2为负载突然增大，风机由传统风电模式最大功率捕获点A，降速至风机功率曲线最大功率点左侧工作点D，即风机曲线Ⅰ区．

图5 膨胀助力模式切换分析Fig.5Mode switching analysis of the expansion assistance

模式1 系统运行在风机最大功率点右侧，风速降低导致风机减速，由式(11)可知膨胀助力转矩增加导致风机动态响应速度降低，为此设置最小补偿转矩以减小过渡时间，即风机最大功率点B所对应补偿转矩，即为

模式2 系统运行在风机最大功率点左侧，负载增大导致风机减速，由式(11)可知膨胀助力转矩增加可提高风机动态响应速度，为此设置最大补偿转矩，即切入点D转速ginω所对应涡旋机补偿转矩为

为提高动态响应速度，采用供气阀门开度直接控制涡旋机的补偿转矩，由式(11)可得基于涡旋机补偿转矩供气压力的阀门开度为

其中

4.3 膨胀助力模式风电系统的优化控制

为有效降低膨胀助力压缩气体消耗，为此必须实现基于膨胀助力的风机最大功率跟踪，同时为提高风机最大功率捕获的动态响应速度，提出了基于涡旋机转矩前馈补偿和风机优化转速PI转速跟踪相结合的混合控制器．

基于风机优化转速的涡旋机补偿转矩为

由式(11)和式(25)可得涡机优化供气压力为

涡旋机供气压力模型为标准非线性仿射系统，即

其中

鉴于β(p)严格为正，对其进行反馈线性化．设供气压力偏差为e=pr-p，其开环动态特性为

鉴于模型参数经常变化，为提高系统鲁棒性，设置风机优化转速跟踪控制器为

新型风电系统膨胀助力模式总控制器输出为

5 试验验证

搭建了新型压缩空气储能风电系统试验平台(如图6所示)，其中1,kW风机由西门子变频器(MM440)和4,kW西门子异步机进行模拟；涡旋机经由电磁离合器和皮带与风机在发电机前端耦合，变速比nc为1.2；负载电压(DC100V)由Buck变流器控制实现，图7为风机转速变化轨迹．

图6 新型压缩空气储能风力发电试验平台Fig.6Experiment platform of the novel wind generator system with CAES

风电系统初始风速为5.7,m/s，罐内气压为0.5,MPa，负载为100,W，风机运行于传统风电模式，协调控制器通过开关管占空比的调节，实现风机优化转速跟踪，即使在50,s和75,s负载功率发生100,W和50,W跳变(图8(b))，占空比能够快速调整实现风能最大捕获(图8(c))，风机转速波动仅为20,r/min，同时辅助性负载功率制热气罐气体，减小了因泄漏和温度散失等所致气罐气压的降低，气罐气压基本维持0.5,MPa不变，验证了本文所提出辅助性负载制热气罐气体，提高气体内能策略的有效性．

135,s时风速由5.7,m/s降至4.7,m/s，风机捕获功率仅为200,W，而负载功率250,W，为此快速启动涡旋机，系统由传统风电模式切换至膨胀助力模式补充不足功率，由图7中风机转速和涡旋机转速对比图可知，涡旋机仅在0.5,s内完成了风机转速的跟踪(涡旋机转速因传动变比为风机转速的1.2倍)，涡旋机切入时风机转速平稳，有效降低了涡旋机切入所致的机械冲击．

图8 电压、负载电流及辅助性负载功率占空比变化情况Fig.8Variations of the DC voltage，load voltage，load current and power control duty of the auxiliary load

图7 风机、涡旋机转速以及气体压力变化情况Fig.7 Variations of the wind speed、scroll speed and the air pressure

涡旋机切入后即进入膨胀助力控制策略中动态协调控制阶段，负载功率无法满足是由风速降低所致，系统运行于模式2区，涡旋机以风机最大功率点对应转矩快速补偿负载功率之不足，提高了风机向最大功率点过渡速度，由图7风机转速变化轨迹可知，风机仅用25,s实现了风机优化转速的快速跟踪，此过渡过程负载功率的不足由涡旋机实现了有效补偿，补偿功率为150,W(见图9). 210,s时负载功率降至200,W，在风机捕获功率基本恒定情况下，涡旋机根据负载功率变化快速降低膨胀驱动功率，助力功率降至75,W，同时风机转速波动仅为15,r/min，且调节时间也只有10,s，即已完成风机优化转速跟踪，有效降低了膨胀助力模式压缩气体的消耗.

图9 风电系统功率变化Fig.9Variations of the power of the wind generator system

由图9风电系统功率变化可知：传统风电模式风机功率(Pwind)和发电机功率(Pgenerator)基本都为350,W，而负载功率和辅助性负载功率之和为295,W，两者功率之差为发电机内部损耗；135,s时风速降低，协调控制器快速将辅助性负载功率控制占空比减小至0(见图8(c))，以消除辅助性负载功率PI控制滞后所致压缩气体的额外损耗；135,s后系统进入膨胀助力模式，发电机功率为风机功率和涡旋机助力功率(Pexpander)之和，从而验证了基于皮带耦合方式可实现风机和涡旋机功率耦合有效性；同时，负载功率变化时涡旋机可快速调整补偿功率，并可快速实现风机最大功率捕获，有效降低了压缩气体消耗．图9中给出了压缩气体消耗功率(Pair)变化情况，在负载250,W和200,W阶段，气体消耗功率分别为270,W和125,W，而此时涡旋机补偿功率分别为126,W和56,W，涡旋机全效率(η=Pexpander/Pair，Pexpander=Tceωce-Pw，其中Tce和ωce由转矩转速传感器测试获得)可达46.7%(而传统叶轮式马达气动效率不足20%)，从而进一步验证了新型压缩空气储能风电系统方案的设计合理性．

6 结 语

本文提出了一种新型压缩空气储能风电系统，采用涡旋机在发电机前端平抑风机波动功率．本文首次将模式切换过程纳入系统优化控制研究中，并重点研究了膨胀助力模式的优化控制．首先建立了膨胀助力模式混杂系统动态模型；进而分析了膨胀助力模式切换机理，提出了基于涡旋机柔性切入、切入后动态协调及膨胀助力优化控制等3级膨胀助力控制策略，采用输入输出反馈线性化以及前馈补偿等方法完成了3级控制器的设计．搭建了1,kW新型压缩空气储能风电系统试验平台，验证了新型压缩空气储能风电系统方案合理性以及膨胀助力模式控制策略的有效性，实现了压缩气体最小消耗的优化目标，涡旋机全效率可达46.7%．

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Chu Xiaoguang，Zhang Chenghui，Li Ke，et al. Optimal control of the scroll expander exhaust recovery system with battery storage[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2013，46(3)：269-275(in Chinese).

(责任编辑：孙立华)

Expansion Assistance Control of the Novel Wind Generation System with Compressed Air Energy Storage

Chu Xiaoguang1,2，Zhang Chenghui1，Kong Ying3，Li Ke1，Wang Jihong4
(1. School of Control Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2. School of Electrical Information Automation，Qufu Normal University，Rizhao 276826，China；3. School of Information and Technology，Jining Medical University，Rizhao 276800，China；4. School of Engineering，Warwick University，Coventry CV47AL，United Kingdom)

In view of the intermittence and fluctuation of the wind energy，a novel mechanical coupling wind generation system with compressed air energy storage(CAES)was proposed to stabilize the wind fluctuation. Then，the hybrid dynamic model was constructed to describe the expansion assistance mode. The three-level control strategy was proposed with the scroll cutting-in，dynamic coordination and expansion assistance mode optimized control，and then controllers were designed by the input-output feedback linearization and the feed-forward control. Based on the 1,kW wind generator system experiment platform，control strategy has been validated with the lower compressed air consumption，the faster mode switch，maximum wind energy capture，and the scroll whole efficiency reaches 46.7%.

mechanical coupling；compressed air energy storage(CAES)；scroll；expansion；dynamic coordination

TM251；TM91

A

0493-2137(2014)07-0601-07

10.11784/tdxbz201305003

2013-05-02；

2013-10-11.

国家自然科学基金重大国际(地区)合作研究资助项目(61320106011)；曲阜师范大学博士科研启动基金资助项目(2012008)；曲阜师范大学学校级基金资助项目(2013kj0009).

褚晓广（1975— ），男，博士，讲师.

褚晓广，xg_chu@163.com.