基於混雜切換理論的新型空氣儲能風電系統最佳化控制

《基於混雜切換理論的新型空氣儲能風電系統最佳化控制》是依託山東大學，由李珂擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於混雜切換理論的新型空氣儲能風電系統最佳化控制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李珂
• 依託單位：山東大學

中文摘要

儲能及其控制技術是解決可再生能源間歇性和波動性的關鍵途徑，是制約可再生能源規模套用的瓶頸，因而研究意義重大。新近發明的機械耦合式壓縮空氣儲能風電系統以靈活高效著稱，極具發展前景。然而，該風-機-電-氣系統本質上是一類非線性多模態切換系統，其控制問題十分複雜且極具難度，亟待解決。本課題擬在混雜切換系統理論框架下，建立該系統的多模態切換模型，研究切換穩定性；設計駐留時間有約束的最佳切換路徑；定義切換成本函式，揭示模態切換瞬態振動、能耗與控制之間的內在聯繫，進而設計多模態切換平滑與能量最佳化控制方法；最後，以提升系統穩定性、電能質量和能源利用效率為目標，設計新型綜合最佳化控制策略，並用試驗驗證其有效性。本課題旨在提出多模態混雜系統最佳化控制新理論和新方法，為解決實際工程難題提供基礎和指導，不僅有利於促進混雜切換系統理論的研究和發展，而且對我國發展具有自主智慧財產權的新能源利用技術具有重要的現實意義。

結題摘要

新能源由點及面的廣泛滲透推動了傳統電網向分散式發電、微電網乃至智慧型電網發展的歷史變革。然而，太陽能、風能等可再生能源具有較強的間歇性及波動性特徵，給電力系統中的儲能環節提出了新的挑戰。壓縮空氣儲能具有環境污染小，能量轉換效率高，使用壽命長，無相變損失等優勢，已成為世界能源行業科技創新、技術研發和投資興業的新增長點。課題組針對傳統壓縮空氣儲能和風能套用存在的諸多問題，提出了一種新型機械耦合式壓縮空氣儲能混合風電系統。系統以渦旋式複合機為能量轉化的媒介，通過多種工作模式的相互切換，實現風能、壓縮空氣內能的高效合成與分解，能量的儲存與利用不經電能轉換而直接通過機械裝置一次完成，能量轉換效率高，且不存在傳統壓縮空氣儲能發電技術的燃燒污染問題。新系統具有壓縮儲能、膨脹助力和傳統風電等多種工作模態，控制方式靈活的同時也給其控制器設計提出了新的更高要求，即除了根據當前的風力、負載、儲氣量等實時工況，選取恰當工作模式，實現風能和壓縮空氣多能量源的合理分配之外，還必須特別關注模式間切換動態過程的穩定、平滑、損耗等最佳化控制問題。針對上述問題，課題組將系統建模與最佳化控制問題納入混雜切換系統理論框架。通過重點考慮各模態下系統的連續動態特性，基於混雜切換系統理論建立了壓縮空氣儲能混雜切換系統數學模型。研究了切換系統基於改進的平均停留時間法的穩定分析，改進方法具有定理的條件簡化以及得到的平均停留時間比以往方法短等優勢，為設計駐留時間有約束的最佳切換路徑，解決系統的切換穩定性分析與控制問題奠定了理論基礎。通過分析引起的各模態間切換衝擊的根源，定義綜合切換成本函式；採用預測控制方法尋求最優切換路徑，結合各工作模式下的能量最佳化策略設計了具有三層結構的多模態系統切換的平滑及能量最佳化控制方法，全面提升了系統的穩定性、切換平滑性以及能量利用效率。仿真與實驗結果驗證了課題所提方案與相關算法的有效性。本課題屬電力、控制、機械領域的交叉前沿課題，問題來自儲能風電系統控制的實際重大需求，又有利於促進混雜切換系統理論研究和套用的發展。特別是值得指出的是，新研究成果完全可以推廣到新能源汽車等相關多模態混雜系統控制領域，蘊含著巨大的經濟和社會效益。項目的實施不僅為設計製造高性能儲能方式奠定理論和實踐基礎，而且對我國發展具有自主智慧財產權的新能源利用技術，確保國家能源安全具有重要的現實意義。