一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统。
【背景技术】
[0002] 目前风力发电系统受到风能波动性和间歇性制约，不能长时间连续稳定供能，传 统的蓄电池由于价格昂贵，无法做到大容量储能。压缩空气储能成本低，寿命长，没有蓄电 池的二次污染，适合应用在风电系统中的作为大容量储能设备。
[0003] -般机械式的风力机压缩空气则多采用刚性传动，部件多且结构复杂，一般只能 制取高压空气用于燃烧释放，不能作为储能设备调节风力发电系统的功率平衡，更无法被 系统再次高效利用。虽然采用风力可以节省电力成本，但是在压缩空气装置启动停止时不 可避免的产生机械冲击，齿轮磨损加重，不可避免的出现强烈的振动、噪声和润滑等问题， 最终导致运行环境差，维护困难，寿命短暂。并且机械传动的系统运行和维护。
[0004] 现在多数能够应用在风力发电系统中的压缩空气储能设备所存在的问题有二，一 是使用风力发电产生的电能带动电动机压缩空气，能量转化环节多，造成储能有损失；二是 采用燃气轮机燃烧混合高压空气的燃料来释放储存的空气内能，虽然可以调节功率供给， 但是燃烧排放的废气除了环境污染还损失了大量热能，同时还需要依赖燃气轮机、天然气 管道等配套设施与其配合，结构复杂，成本昂贵，储能转换利用的效率低下。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型为了解决上述问题，提出了一种压缩空气储能和释放一体化的风力发 电系统，该系统可将独立的压缩空气储能释能设备以机械耦合和电耦合两种方式灵活接入 风力发电系统，既能消纳风力直接压缩空气，代替蓄电池进行大规模的储能，又能直接利用 压缩空气膨胀发电，释放风能。有效调节风力发电系统的能量供需平衡，而且储能规模大， 效率高且无污染。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0007] -种压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统，包括风力机、电控离合器、第一 电机、第二电机、祸旋复合机、气路、储气装置和PC上位机；其中，风力机与第一电机一端轴 连，构成风力发电子系统；第二电机与涡旋复合机轴连，涡旋复合机的气口通过气路与储气 装置相连，构成压缩空气储能释放一体化子系统；所述第一电机和第二电机轴都是两端引 出，电控离合器将第一电机和第二电机进行轴连，将风力发电子系统和压缩空气储能释放 一体化子系统结合起来。
[0008] 为采集系统运行信息，所述风力机与第一电机的连接轴上设置有第一转速转矩传 感器用以获得第一发电机的转矩转速；所述第二电机与涡旋复合机的连接轴上设置有第二 转速转矩传感器用以获得第二电机的转矩转速。
[0009] 所述气路上装有第一气体检测装置和第二气体检测装置，各自包括压力传感器、 流量传感器和温度传感器，第一气体检测装置用以检测涡旋复合机气口的气体压力、流量 和温度，第二气体检测装置用以检测储气装置的气体压力、流量和温度。
[0010] 所述气路上连接有第一热交换器、蓄热器、第二热交换器、单向阀和比例控制阀， 分为两条气路；一条是压缩气路，涡旋复合机压缩产生的高压气体经过单向阀和第一换热 器进入储气装置；另一条是膨胀气路，储气装置内的高压气体经过比例控制阀和第二换热 器进入涡旋复合机膨胀后释放。
[0011] 所述第一换热器和第二换热器之间通过蓄热器交换热能。所述涡旋复合机采用中 国专利申请201110002249中名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩一膨胀复合机》 中的复合机，其既可以对低压气体进行压缩也可以对高压气体进行膨胀，是完成压缩空气 储能和释放一体化的重要部件。
[0012] 所述第一电机和第二电机的定子绕组分别连接第一变流器和第二变流器，变流器 之间通过直流母线连接，变流器通过各自的驱动器控制，驱动器的控制信号通过PC上位机 改变。
[0013] 所述直流母线上连接有蓄电池、超级电容和用电负载。
[0014] 本实用新型的工作原理为：
[0015] 风力机受风力推动，带动第一电机发电，电能通过第一变流器到达直流母线。风力 机会受到风能波动影响从而导致电机的转速不稳定，直流母线上的电压和电流会产生高频 波动。对瞬时快速储能装置（蓄电池和超级电容）进行充放电可以平抑波动，保证直流母 线的稳定，以此保证负载平衡和系统稳定运行。根据当前风速和风机特性曲线，可以找到此 风速下风机达到最大功率输出的最优转速。通过驱动器控制第一变流器，可以调节第一电 机的转速和转矩，改变风力机的负载，从而跟踪风力机的最优转速，实现风力机的最大功率 的追踪。第一转速转矩传感器检测风机输出轴的转速转矩，以便PC上位机对第一电机进行 闭环控制。
[0016] 当涡旋复合机工作在压缩状态时，高温高压空气沿着气路首先到达换热器中，压 缩空气与蓄热器中循环的冷媒进行热交换，热量被带入蓄热器中储存起来。之后高压空气 进入储气装置储存。当涡旋复合机工作在膨胀状态时，来自储气装置的高压空气沿着气路 通过比例流量阀在换热器中接受来自蓄热器的热能预热，之后到达涡旋复合机膨胀做功带 动电机发电。其中，蓄热器通过管路与换热器相连，可以将压缩时储存的气体热量回馈给膨 胀时的气体，不仅减少了压缩的热能损失，还有助于提高膨胀时的功率，显著提高了压缩空 气储能的效率。根据第一气体检测装置和第二气体检测装置测得的气路内空气的压力、温 度、和流量，可以由公式h = 估算涡旋复合机的工作功率，其中Ps为涡旋复合 Pd 机工作功率，Pd为涡旋复合机进口压力，Q为涡旋复合机排气流量，p s为涡旋复合机排气压 力。根据涡旋复合机工作情况改变涡旋复合机的转速和比例流量阀的开度，从而控制压缩 空气储能系统可以实时满足功率需求，并且工作在优化的效率区间内。
[0017] 当风机功率大于负载需求时，系统包括两种压缩空气储能方式运行：一种是PC上 位机发出指令，使电控离合器分离，第一电机发出的电能经过变流装置被第二电机消耗，超 过负载需求的多余电能带动涡旋复合机压缩空气储能；另一种方式是首先通过第二电机以 电动模式带动涡旋复合机升速，当第二电机与第一电机转速相同之后，PC上位机发出指令 使电控离合器吸合，第二电机与第一电机之间通过机械传动传递能量。
[0018] 当风机功率小于负载需求时，PC上位机发出指令使电控离合器分离，风力机带动 第一电机发电，涡旋复合机带动第二电机发电，共同补足负载所需功率。由于第一电机和第 二电机之间不再有机械传动，二者的运行状态互不干扰，调节电机转速可以满足各自优化 运行状态。
[0019] 实用新型的有益效果为：
[0020] (1)本实用新型采用压缩空气储能技术，采用的涡旋复合机能够完成压缩和膨胀 两种工作模式，风力机捕获的能量流动方向和比例能够自由调整，在高风速时压缩空气储 能，在低风速时膨胀释放能量，有效解决了风能和负载在长时间尺度上不平衡的问题。同时 采用的储能装置成本低、容量大、结构紧凑、效率高，而且膨胀无需燃烧，绿色环保；
[0021] (2)本实用新型实现了一种压缩空气储能系统与风力发电系统的无缝高效结合方 式，其结构设计简单紧凑，部件集成度高，可实现性好，易于搭建和维护；
[0022] (3)本实用新型的系统工作模式切换灵活且互不干扰：通过控制离合器的吸合或 者分离，可以将涡旋复合机切入切出，更换工作模式。同时协调两台电机的转速转矩控制风 机和涡旋复合机，既能各自工作在独立高效的工作区内，二者结合时又可以事先匹配转速， 消除结合的机械冲击和损耗，系统运行平滑稳定；
[0023] (4)本实用新型利用了压缩产热和膨胀吸热的热力学特性，通过换热器可以将压 缩过程中气体的热能带到蓄热器中存储起来，在膨胀时被回收利用，降低了热能损失，做到 能量高效利用。既提高了系统储能效率，又提高了膨胀发电功率和效率。
【附图说明】
[0024] 图1为本实用新型的结构示意图。
[0025] 其中：1.风力机；2.第一变流器；3.蓄电池；4.超级电容；5.第二变流器；6.第一 转速转矩传感器；7.比例流量阀；8.第一电机；9.电控离合器；10.第一热交换器；11.第 二电机；12.第二转速转矩传感器；13.涡旋复合机；14.储气装置；15.第二气体检测装置； 16.第二热交换器；17.蓄热器；18.单向阀；19.第一气体检测装置；20.气路。
[0026] 图2为系统控制框图。
【具体实施方式】：
[0027] 下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0028] 如图1所示，一种结合压缩空气储能和释放一体化的风力发电系统。包括风力机 1、第一电机8、第二电机11、电控离合器9、涡旋复合机13、气路20、蓄热装置17、储气装置 14、蓄电池3、超级电容4。
[0029] 其中风力机1轴和第一电机8相连，轴中间装有第一转速转矩传感器6。涡旋复合 机13和第二电机11相连，轴中间装有第二转速转矩传感器12。第一电机8和第二电机11 之间可以通过电控离合器9完成分离或连接。
[0030] 所述第一电机8定子