基于混合逻辑动态模型的绝热压缩空气储能系统动态过程精确描述与预测控制研究

The adiabatic compressed air energy storage (ACAES) system often operates in the conditions of frequent start/stop, partial load and modes switch. Thus the dynamic evolution characteristics are more important for the system operation and control under time-varying smoothing power condition. Only the continuous dynamic process is considered in the conventional dynamic analysis methods of ACAES system. However, the discrete event process of the switch among charge, discharge and idle modes is ignored. The dynamic modeling, simulation and control issues of adiabatic compressed air energy storage system based on hybrid system characteristic will be studied in this project. The mixed logic dynamic (MLD) model of ACAES system will be conducted by considering the continuous dynamic variables, discrete logic variables, the interaction between variables and constrain conditions of energy storage system under an unified framework. The switch law among the operation modes of charge, discharge and idle of ACAES system is derived under the time-varying smoothing power condition by using the MLD model. The accurate expression to describe the dynamic evolution process of ACAES system will be presented. Meanwhile, the predictive control strategy of ACAES system based on MLD model will be developed to obtain the best system performance under constrain conditions. This research provides theoretical foundation on understanding the dynamic behavior in time-varying environment and control methods of ACAES system.

绝热压缩空气储能系统经常运行在频繁启停、部分负荷及模式切换工况下，其在时变吞吐功率条件下的动态演变特性对于系统的优化运行与控制至关重要。传统的绝热压缩空气储能系统的动态分析方法仅考虑了系统中的连续动态过程，忽略了储能、释能和空闲等模式间切换的离散事件过程。本项目基于绝热压缩空气储能系统的混杂特性，研究该系统的动态建模、仿真与控制问题。通过在统一框架下处理该系统的连续动态变量、离散逻辑变量、变量间的相互作用及约束条件，构建绝热压缩空气储能系统的混合逻辑动态模型；基于混合逻辑动态模型，揭示时变吞吐功率驱动的绝热压缩空气储能系统在储能、释能和空闲等运行模式间的切换规律，提出其在时变条件下的动态演变过程精确描述；同时发展基于混合逻辑动态模型的绝热压缩空气储能系统的预测控制策略，获取在约束条件下性能优化的主动控制方法。本项目的实施为掌握绝热压缩空气储能系统的时变动态行为和控制方法奠定了理论基础。

压缩空气储能系统利用其能量分时管理特性，可以平抑大规模间歇性可再生能源并网对电力系统的冲击，也可以作为电力系统调峰的有效工具。在可再生能源随机性输入及电力负荷随机性需求条件下压缩空气储能系统的高效运行是提高该系统能量转换效率的关键，需要深入理解其在时变吞吐功率条件下的动态过渡行为及制定相应控制策略。.为深入理解压缩空气储能系统的能量转换过程，提高该系统的能量转换效率及明确系统能量损失分布规律，建立了压缩空气储能系统的能量分析模型，分析了在透平进口定压力和透平进口变压力等两种释能模式下的能量转换过程和变工况特性，涵盖了变负荷运行工况和变转速运行工况等两种条件。根据能效分析及变工况特性分析结果，建立了符合实际运行工况的绝热压缩空气储能系统在储能、释能和空闲等连续动态过程中的数学模型，包含压缩级、膨胀级、储气容积和储热模块等部分模型，并使用该模型在风电功率输出与电网负荷需求的不平衡功率关系来进行储能与释能转换，验证了所建立模型的有效性，获取了绝热压缩空气储能系统在储能、释能及空闲等模式下的切换行为和模式内的连续过渡过程；同时以风电场输入情况及储能系统运行状态建立了压缩空气储能系统的预测控制模型。在研究压缩空气储能系统能效分析、动态模型及控制策略的过程中，发现在压缩储能阶段存在压缩过程热及在膨胀释能阶段存在排气热的能量浪费问题是限制系统效率提高的主要因素，故同时开展了压缩空气储能系统的能效提升理论研究，提出了三种耦合系统来回收利用该部分能量。.本项目所获取的成果可为深入理解压缩空气储能系统在储能、释能及空闲等模式下的动态过渡行为提供了条件，并制定了相关预测控制策略，可指导实际机组运行。另外提出了提高压缩空气储能系统能效的方法，可为实际系统提高能量转换效率提供思路。