基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（E13B00020）微小規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能（MicrosmallScaleCAES）功率等級(jí)一般為百千瓦，存儲(chǔ)壓力可達(dá)30MPa以上。MSCAES儲(chǔ)能壓縮技術(shù)采用液泵泵入液體來壓縮氣體，高壓氣體膨脹促使液體驅(qū)動(dòng)液力馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)壓縮和釋放的可逆過程，大大提高壓縮釋放效率，系統(tǒng)熱力學(xué)能壓縮釋放總體效率接近70% .MSCAES屬于物理方式儲(chǔ)能，零排放、無污染、使用壽命長。超級(jí)電容具有可持續(xù)的恒定放電能力，其功率密度約為0.8 kW/ kg.超級(jí)電容使用壽命較長，效率也較高，達(dá)到95%以上。由于單體電壓較小，應(yīng)用中需要通過大量單體進(jìn)行組合，增加了系統(tǒng)的故障率。同時(shí)超級(jí)電容每天的自放電率接近5%，因此不能維持長時(shí)間備用儲(chǔ)能。

　　不同儲(chǔ)能技術(shù)都具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些量密度、大功率密度、合理造價(jià)及長使用周期的優(yōu)化結(jié)合B7.設(shè)計(jì)一種由壓縮空氣儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)和持續(xù)的能量轉(zhuǎn)化，又可以實(shí)現(xiàn)功率快速響應(yīng)和能量補(bǔ)充。為了提高壓縮氣體能量轉(zhuǎn)換的效率，系統(tǒng)采用準(zhǔn)恒溫壓縮釋放過程控制，利用*大效率點(diǎn)跟蹤算法MEPT實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與壓力的協(xié)調(diào)控制，保證液泵/液力馬達(dá)的高效率。在維持準(zhǔn)恒溫變化過程的MEPT算法控制下，壓縮氣體的能量積累和釋放會(huì)以類似間歇式脈沖的形式體現(xiàn)。超級(jí)電容輔助系統(tǒng)采用自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)控制，響應(yīng)速度快，正好可以補(bǔ)充壓縮氣體工作的能量脈沖缺口。

　　1能量管理控制策略的設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)儲(chǔ)能應(yīng)用項(xiàng)目來說，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)等級(jí)是首要確定的設(shè)計(jì)要點(diǎn)?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)等級(jí)由自身的特性參數(shù)來描述，包括能量等級(jí)、功率等級(jí)、體積大小和成本花費(fèi)等。通過上述具體特性參數(shù)就能確定某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量等級(jí)。另一方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作方式是根據(jù)應(yīng)用需求來決定的。儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際的工作方式就是能量管理與分配的策略和方法，采用不同的能量管理策略就能滿足不同的應(yīng)用需求。因此，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)等級(jí)與能量管理辦法是耦合相關(guān)的。描述了一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要衡量的設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。

　　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)與管理的關(guān)系儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理和控制包括能量層的管理、功率層的管理和器件級(jí)的管理。這個(gè)分級(jí)管理主要以系統(tǒng)的慣性時(shí)間特性來區(qū)分。是這種分層管理的示意圖。

　　對(duì)于能量的管理是儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的頂層目標(biāo)，目的是設(shè)計(jì)一種策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)長期演進(jìn)的控制。該控制響應(yīng)時(shí)間較長，一般大于秒級(jí)，主要決定系統(tǒng)的控制模式，直接限定了功率等級(jí)控制的范圍。

　　對(duì)于功率的管理是儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的中間設(shè)計(jì)層目標(biāo)，目的是設(shè)計(jì)一種滿足系統(tǒng)中期變化的控制方法。

　　該控制響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，決定系統(tǒng)的功率特性，而且限制了采用硬件的參數(shù)等級(jí)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)目標(biāo)是器件層管理，此層設(shè)計(jì)直接決定執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)性能，反應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，可實(shí)現(xiàn)電壓電流的調(diào)節(jié)和功率變換。表1為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理層級(jí)的介紹。

　　表1能量管理和控制層次結(jié)構(gòu)表管理層次設(shè)計(jì)目標(biāo)控制輸出響應(yīng)時(shí)效能量管理管理策略工作模式大于秒級(jí)功率管理處理方法功率大小毫秒~秒級(jí)器件管理執(zhí)行過程調(diào)制方式微秒~毫秒級(jí)2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)控制超級(jí)電容與液氣循環(huán)壓縮空氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)原理框圖如所示。儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，直流電網(wǎng)多余的電能根據(jù)分配首先存儲(chǔ)到超級(jí)電容，多余能量驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)液壓泵，通過泵入液體使空氣壓縮蓄能。釋能狀態(tài)時(shí)，負(fù)載除直流網(wǎng)絡(luò)供電外，還需額外能量注入。此時(shí)壓縮氣體驅(qū)動(dòng)液力馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，變流器將電能變成負(fù)載所需形式。超級(jí)電容作為功率補(bǔ)充，通過控制超級(jí)電容充放電，可以*大限度平抑直流網(wǎng)壓的瞬間波動(dòng)。

　　在SCHPCCAES混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率特性是重要指標(biāo)，由壓縮空氣儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)各自性能。液氣循環(huán)壓縮時(shí)，一個(gè)壓縮和預(yù)壓縮周期可以看做是混合液氣壓縮的一段過程等效。這里為了簡化功率控制策略的分析，利用PHESS工作過程代替HPCCAES工作過程進(jìn)行混合儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)的研究。外部電源和負(fù)載構(gòu)成能量波動(dòng)系統(tǒng)，源荷之間的能量差會(huì)造成網(wǎng)壓波動(dòng)，通過控制儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收和補(bǔ)充源荷能量差，可以平抑電網(wǎng)的波動(dòng)。源荷能量差的控制對(duì)象用電網(wǎng)和負(fù)載的輸入輸出電流差表示，要維持不變，需要控制電網(wǎng)和負(fù)載的差值電流i t2，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，2由超級(jí)電容變流器輸出電流ich和電機(jī)變流器電流合成。采取變功率輸出的自動(dòng)頻率功率調(diào)節(jié)控制，協(xié)調(diào)控制液氣壓縮（釋放）和超級(jí)電容充放電，以維持母線電壓平穩(wěn)，保證負(fù)載工作特性。其中i控制頻率較低，主要通過控制ich實(shí)現(xiàn)SCPHESS系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。利用電壓和電流雙環(huán)控制PWM，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容變流器的控制。自動(dòng)頻率調(diào)節(jié)控制依據(jù)超級(jí)電容的電壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制?？紤]*簡單的混合儲(chǔ)能交替工作情況，并且認(rèn)為外部能量的功率等級(jí)比超級(jí)電容儲(chǔ)能功率和壓縮空氣儲(chǔ)能功率都小。①壓縮工況時(shí)，閥門先關(guān)閉，外部能量先由超級(jí)電容吸收，超級(jí)電容電壓USc上升到Umax時(shí)，閥門開啟，電容放電，聯(lián)合外電源共同作用壓縮氣體儲(chǔ)能；電容電壓降至?xí)r液氣壓縮停止，閥門關(guān)閉，超級(jí)電容再次充電。②釋能工況時(shí)，閥門先開通，壓縮能量給電容充電的同時(shí)直接提供給負(fù)載，在電容電壓A.達(dá)到*大電壓設(shè)定時(shí)，液氣儲(chǔ)能停止釋放，閥門關(guān)閉；超級(jí)電容單獨(dú)放電維持負(fù)載，電容電壓A.降到*小電壓設(shè)定時(shí)，閥門開啟，液氣儲(chǔ)能再次釋放。一般關(guān)閉閥門后需要間隔一定的時(shí)間，流體系統(tǒng)穩(wěn)定后才能再次打開閥門，延時(shí)時(shí)間為T；。為自動(dòng)頻率功率調(diào)節(jié)控制流程圖。

　　壓縮空氣超級(jí)電容混合儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)化能量WcV與PHESS的動(dòng)作周期成Tonn比例關(guān)系。隨著主儲(chǔ)能氣罐空氣壓力降低，傳遞釋放的功率會(huì)逐步減小。中Pcv為功率曲線，隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)。

　　級(jí)電容充電，超級(jí)電容獲取的能量為Ws.在PHESS系統(tǒng)不發(fā)生能量變化的時(shí)間Tff n內(nèi)，只由超級(jí)電容供電，超級(jí)電容輸出能量為WR，認(rèn)為超級(jí)電容每個(gè)充放電過程不積累多余能量，則滿足下列關(guān)系3混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量分配管理策略采用規(guī)則基礎(chǔ)控制的能量管理和分配策略來實(shí)現(xiàn)SCPHESS的控制。能量管理和控制的依據(jù)是電源與負(fù)載的瞬時(shí)功率差，建立基礎(chǔ)規(guī)則的著眼點(diǎn)是超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全工作區(qū)和液氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。超級(jí)電容系統(tǒng)的規(guī)則判據(jù)是電容的耐受電壓*大值和*小值UScmm.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)則判據(jù)是液泵/液力馬達(dá)的*大功率Pphmax和*大效率nphmax.為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理和控制策略示意。

　　設(shè)定混合儲(chǔ)能應(yīng)用于電源與負(fù)載存在載荷差的系統(tǒng)，其中，電源功率為Pgnd，負(fù)載功率為Pkd，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)和釋放兩種工況，考慮源荷之間功率差（剩余功率）Pex=Pgnd-Py，可以建立4種工作規(guī)則：規(guī)則1，壓縮儲(chǔ)能，剩余功率大于液氣壓縮*大功率。

　　電源提供的功率過剩，源荷功率差Pex>，控制液氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮儲(chǔ)能工作，儲(chǔ)能功率Pph為*大壓縮功率COM.如果剩余功率大于液氣壓縮*大功率Pex>Pphmax，可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液氣壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)按*大功率工作時(shí)，Pph=Pphmax；壓縮效率h為對(duì)應(yīng)*高速度時(shí)的效率nhspeed時(shí)，nph=nhspeed，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；超級(jí)電容功率PSc為充電時(shí)的功率Pscch時(shí)，Psc=PScch，直到達(dá)到*高耐受電壓，只能充滿一次。②液氣壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)按*大效率工作，Pph=Pphhspeed，%h=lax，超級(jí)電容在此階段對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，PSc=PScdis，當(dāng)電容放電到*低放電電壓時(shí)，再開始充電，液氣壓縮又可以按照*大效率工作。

　　V負(fù)載規(guī)則2，壓縮儲(chǔ)能，剩余功率小于液氣壓縮*大功率。

　　剩余功率依舊大于零，但是小于液氣壓縮系統(tǒng)的*大功率PeX >Pphmax.也可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液氣壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)按*大功率工作，輸入功率等于剩余功率，Pph=Pex，不考慮轉(zhuǎn)換效率，超級(jí)電容不工作；②液氣壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)按對(duì)應(yīng)*大效率點(diǎn)轉(zhuǎn)速工作，如果在一定轉(zhuǎn)速和壓力下的*大效率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的功率輸出小于剩余功率，則超級(jí)電容充電，吸收多余剩余功率。

　　規(guī)則3，釋放發(fā)電，欠償功率大于液氣壓縮*大功率。

　　電源提供的功率無法完全支撐負(fù)載所需，發(fā)電功率欠缺，PexO.液氣循環(huán)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)發(fā)電，液力馬達(dá)功率為釋放功率PphREL，Pph=PphEL.如果欠償功率大于液氣壓縮*大功率，IP>Pph，可以分成兩種能量管理方式進(jìn)行：①液體馬達(dá)工作于高轉(zhuǎn)速以維持*大功率，Pph =Pph，nph=%Speed，此時(shí)需盡可能輸出較高功率維持負(fù)載供應(yīng)，液體馬達(dá)換效率并非對(duì)應(yīng)該時(shí)刻壓力和轉(zhuǎn)速時(shí)的*高效率。超級(jí)電容放電，PSc =PScdis，且只能放電一次；②液氣壓縮按*大效率工作，液體馬達(dá)工作在一定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率，并非*大功率，但是保證在該時(shí)刻的轉(zhuǎn)換效率*大。因?yàn)樗械?大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率都小于欠償功率，所以沒有功率給超級(jí)電容充電，超級(jí)電容這個(gè)階段不工作。

　　規(guī)則4，釋放發(fā)電，欠償功率小于液氣壓縮*大功率。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)處于發(fā)電釋能狀態(tài)，欠償功率小于液氣壓縮儲(chǔ)能*大功率IPexI　　4系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)表2列出了超級(jí)電容壓縮空氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行仿真的主要參數(shù)。

　　表2 SC-HPCCAES混合儲(chǔ)能系統(tǒng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真參數(shù)表外電源額定功率峰值+50%額定電壓電阻負(fù)載額定功率范圍0超級(jí)電容變流系統(tǒng)額定功率額定電壓（高壓）峰值+永磁同步電機(jī)變流器系統(tǒng)電機(jī)功率額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩峰值+液泵/液力馬達(dá)排量壓力（*大）*局功率高壓液罐額定容量*大壓力低壓液罐額定容量*大壓力假定外電源為理想恒壓源，負(fù)載為變功率載荷，且負(fù)載變化*大功率值可大于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率模擬了負(fù)載突然減輕15kW以上、外部剩余功率達(dá)到24kW和20kW的兩種情況下，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特性，其中Pex，Ppump，Psc，Usc分別為液泵壓縮儲(chǔ)能時(shí)外部剩余功率、液泵功率、超級(jí)電容功率和超級(jí)電容電壓。壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)采用*大效率點(diǎn)控制時(shí)的波形示意，主要為了更高效率的轉(zhuǎn)存外部剩余能量，*大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率會(huì)超過壓縮系統(tǒng)*大功率15kW，超級(jí)電容相對(duì)需要更大的存儲(chǔ)功率，需要存儲(chǔ)更多的外部能量。所示在時(shí)間軸45s處達(dá)到325V，超級(jí)電容充滿電，較*大功率點(diǎn)控制時(shí)更快充滿。

　　為液泵壓縮儲(chǔ)能時(shí)外部剩余功率、液泵功率、超級(jí)電容功率和超級(jí)電容電壓的特性曲線。液氣壓縮儲(chǔ)能無需盡快吸收外部剩余功率，由超級(jí)電容系統(tǒng)來提供能量接收。這種工作方式保證液泵的壓縮轉(zhuǎn)換效率較大，超級(jí)電容處于充電和放電的狀態(tài)，電容電壓上升較慢。

　　Pex　　制定了自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)控制。以超級(jí)電容的可用電壓范圍作為判定壓縮空氣主儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)配合工作的依據(jù)，對(duì)SCHPCCAES系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的工作狀態(tài)進(jìn)行全面了解，設(shè)計(jì)了規(guī)則基礎(chǔ)控制的能量管理策略，按照不同的工作狀況，應(yīng)用*大效率點(diǎn)跟蹤控制和*大功率點(diǎn)跟蹤控制保證液泵/液力馬達(dá)的工作效率和功率要求，繼而實(shí)現(xiàn)主儲(chǔ)能系統(tǒng)與輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量分配與管理。仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。