一种节能型二氧化碳储能系统并网模型构建方法及装置与流程

本发明涉及节能环保，特别涉及一种节能型二氧化碳储能系统并网模型构建方法及装置。

背景技术：

1、大规模的可再生能源发电输出接入电网时存在波动性、间歇性，亟需储能系统作为电能的载体进行调节，储存的电能用于削峰填谷、应急能源等，减轻电力需求供给不匹配导致的负面影响。

2、我国的储能技术由于成本、容量、安全、能量密度以及环境因素等原因，只有抽水储能和压缩空气储能可实现长时、大规模商业应用。但抽水储能与传统的压缩空气储能因对地理条件要求高、储能密度低、建设周期长等问题，并不满足当前我国储能发展的需要。与其他储能技术相比，二氧化碳储能系统受地理条件影响小，工质易获取，工况稳定，可按需自由切换充放电状态，成本低且效率高，还可与二氧化碳捕集与封存系统结合，实现二氧化碳回收利用处理的一体化，减少温室气体排放的同时提升能源使用效率，实现节能减排的双重目标。

3、目前，二氧化碳储能系统并网模型构建方法尚不完善，且缺少对余热利用这一因素进行分析和建模方法，如何考虑二氧化碳储能所有组件，并引入余热利用机制，建立准确的数学模型，描述其特性、工作原理和相互之间的耦合关系，还适用于接入电网分析仍有待进一步研究。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种节能型二氧化碳储能系统并网模型构建方法及装置，通过构建考虑余热利用的二氧化碳储能系统并网模型，使并网模型可以充分体现储能系统中各个部件之间的耦合特性及整体运行特性，在充分考虑了余热利用对于二氧化碳储能系统影响的基础上，进一步使基于并网模型的二氧化碳储能系统可以与电网实现稳定对接，提高了能源的利用效率，减少了温室气体的排放。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种节能型二氧化碳储能系统并网模型构建方法，所述二氧化碳储能系统至少包括：压缩机、透平机、功率传感器和pid控制器，构建方法包括如下步骤：

3、获取压缩机的功率计算公式和透平机的功率计算公式，基于所述压缩机的功率计算公式构建压缩机模型，基于所述透平机的功率计算公式构建透平机模型；

4、获取所述透平机余热利用的温度增益计算公式，基于所述温度增益计算公式构建热交换模型；

5、获取所述压缩机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建储能阶段功率控制模型；

6、获取所述透平机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建释能阶段功率控制模型；

7、基于所述储能阶段功率控制模型、所述释能阶段功率控制模型、所述热交换模型、所述储能阶段功率控制模型和所述释能阶段功率控制模型，构建所述二氧化碳储能系统并网模型。

8、进一步地，所述压缩机的功率计算公式为：

9、

10、其中，为第j级压缩机入口温度；为第j级压缩机压比，与经压缩机二氧化碳质量流量有关；β为二氧化碳绝热指数；为第j级压缩机等熵效率；pc为压缩机总的功率；c为压缩机总的级数；cp为二氧化碳定压比热容；为压缩机机械效率。

11、进一步地，所述透平机的功率计算公式为：

12、

13、其中，为第k级透平机入口温度；为第k级透平机透平膨胀比，其与经透平机的二氧化碳质量流量有关；β为二氧化碳绝热指数；为第k级透平机等熵效率；pt为透平机总的功率；t为透平机总的级数；cp为二氧化碳定压比热容；为透平机机械效率。

14、进一步地，所述温度增益计算公式为：

15、

16、其中，δt为透平机出入端经过热交换后的温度增益；κ为热交换过程时间常数的倒数；η为热交换效率；ti为热交换前的温度，tout为最终透平机气体温度。

17、进一步地，所述压缩机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系包括：所述压缩机实时功率和参考功率的第一功率误差计算公式和二氧化碳质量流量的第一计算公式；

18、所述获取所述压缩机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建储能阶段功率控制模型，包括：

19、获取所述压缩机实时功率和参考功率的第一功率误差计算公式，所述功率误差计算公式为：

20、

21、获取所述二氧化碳质量流量的第一计算公式，所述二氧化碳质量流量的第一计算公式为：

22、

23、基于所述第一功率误差计算公式和所述二氧化碳质量流量的第一计算公式，构建所述储能阶段功率控制模型；

24、其中，为参考功率；τcd为压缩机排气时间常数，τcp为功率传感器时间常数；δpc为功率差值；n为pid控制器的常数；τigv为入口导叶时间常数；为压缩机转速。

25、进一步地，所述基于所述第一功率差值计算公式和所述二氧化碳质量流量的第一计算公式，构建储能阶段功率控制模型之后，还包括：

26、通过所述功率传感器测量所述压缩机的实际功率值，计算所述压缩机的参考功率值与所述实际功率值的第一功率误差信号，基于所述储能阶段功率控制模型将所述第一功率误差信号输入pid控制器，将所述pid控制器的输出信号发送至入口导叶；

27、将所述入口导叶的输出信号与所述压缩机转速相乘，将二氧化碳流量与所述压缩机转速进行耦合。

28、进一步地，所述将二氧化碳流量与所述压缩机转速进行耦合之后，还包括：

29、在所述储能阶段功率控制模型中设置压缩机最小流量限制和压缩机最大流量限制，使所述压缩机工作在正常状态。

30、进一步地，所述透平机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系包括：所述透平机实时功率和参考功率的第二功率误差计算公式和二氧化碳质量流量的第二计算公式；

31、所述获取所述透平机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建释能阶段功率控制模型，包括：

32、获取所述透平机实时功率和参考功率的第二功率误差计算公式，所述第二功率误差计算公式为：

33、

34、获取所述二氧化碳质量流量的第二计算公式，所述二氧化碳质量流量的第二计算公式为：

35、

36、基于所述第二功率误差计算公式和所述二氧化碳质量流量的第二计算公式，构建所述释能阶段功率控制模型；

37、其中，为参考功率；τtp为功率传感器时间常数；δpt为功率差值；为pid控制器的常数；τtd为透平机排气时间常数，τav为阀门开度系统时间常数，为经所述透平机的二氧化碳质量流量。

38、进一步地，所述基于所述第二功率误差计算公式和所述二氧化碳质量流量的第二计算公式，构建所述释能阶段功率控制模型之后，还包括：

39、通过所述功率传感器测量所述透平机的实际功率值，计算所述透平机的参考功率值和实际功率值的第二功率误差信号，基于所述释能阶段功率控制模型将所述第二功率误差信号输入所述pid控制器；

40、将所述pid控制器的输出信号发送至阀门开度系统，基于所述阀门开度系统控制二氧化碳流量。

41、相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种节能型二氧化碳储能系统并网模型构建装置，基于模型构建方法构建二氧化碳储能系统的并网模型，所述二氧化碳储能系统至少包括：压缩机、透平机、功率传感器和pid控制器，包括：

42、元件模型构建模块，其用于获取压缩机的功率计算公式和透平机的功率计算公式，基于所述压缩机的功率计算公式构建压缩机模型，基于所述透平机的功率计算公式构建透平机模型；

43、热交换模型构建模块，其用于获取所述透平机余热利用的温度增益计算公式，基于所述温度增益计算公式构建热交换模型；

44、第一功率控制模型构建模块，其用于获取所述压缩机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建储能阶段功率控制模型；

45、第二功率控制模型构建模块，其用于获取所述透平机与所述功率传感器和所述pid控制器的耦合关系，构建释能阶段功率控制模型；

46、并网模型构建模块，其用于基于所述储能阶段功率控制模型、所述释能阶段功率控制模型、所述热交换模型、所述储能阶段功率控制模型和所述释能阶段功率控制模型，构建所述二氧化碳储能系统并网模型。

47、本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

48、通过构建考虑余热利用的二氧化碳储能系统并网模型，使并网模型可以充分体现储能系统中各个部件之间的耦合特性及整体运行特性，在充分考虑了余热利用对于二氧化碳储能系统影响的基础上，进一步使基于并网模型的二氧化碳储能系统可以与电网实现稳定对接，提高了能源的利用效率，减少了温室气体的排放。