基于直線電機(jī)的虛擬抽水蓄能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

傅 昊，姜 彤，崔 巖，權(quán) 超

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基于直線電機(jī)的虛擬抽水蓄能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

傅 昊，姜 彤，崔 巖，權(quán) 超

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納、實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)替代”、完成能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。根據(jù)熱力學(xué)原理分析，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在理論上具有更高的效率，因此提出了基于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能原理的虛擬抽水蓄能系統(tǒng)，以及適用于該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的恒功率運(yùn)行控制策略和適用于電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電站功率可調(diào)控需求的功率調(diào)整運(yùn)行控制策略，采用基于SVPWM的磁場(chǎng)定向矢量控制方法，借助MATLAB/SIMULINK平臺(tái)，研究其基于直線電機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，通過仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。

虛擬抽水蓄能系統(tǒng)；運(yùn)行控制策略；永磁同步直線電機(jī)；矢量控制

大規(guī)模發(fā)展新能源是緩解甚至解決傳統(tǒng)化石能源危機(jī)并處理大量使用化石能源伴隨的環(huán)境污染問題的重要方式，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，使得能源利用清潔化、可持續(xù)化，也是一個(gè)重要的國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，但是新能源具有波動(dòng)性和間歇性，其大規(guī)模開發(fā)利用使得電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨諸多挑戰(zhàn)[1]。電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，電網(wǎng)建設(shè)滯后電源發(fā)展，調(diào)度運(yùn)行和調(diào)峰成本補(bǔ)償機(jī)制不健全，目前還難以適應(yīng)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)消納的要求[2]。

儲(chǔ)能技術(shù)將有效解決新能源發(fā)展與并網(wǎng)消納的問題，并且在能源利用的多個(gè)方面都具有良好的應(yīng)用前景。在電源側(cè)，儲(chǔ)能與可再生能源配合，可平滑出力，促進(jìn)可再生能源消納，有助于優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔替代與電能 替代[3]。

目前，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能及電化學(xué)儲(chǔ)能是目前技術(shù)較為成熟并且發(fā)展迅速的規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)。其中，氧化還原液流電池具有組裝設(shè)計(jì)靈活、可快速充放電、儲(chǔ)能規(guī)模大及安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，但仍面臨著轉(zhuǎn)化效率低、電極材料電化學(xué)穩(wěn)定性差、大規(guī)模建設(shè)占地面積較大及成本較高等問題[4]。抽水蓄能電站各類設(shè)備制造水平先進(jìn)、建造施工技術(shù)成熟、運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)豐富，具有較高的效率，但其缺點(diǎn)在于選址要求高，不能根據(jù)電網(wǎng)需要靈活配置。較前兩種儲(chǔ)能技術(shù)而言，壓縮空氣儲(chǔ)能電站以空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，具有更大的儲(chǔ)能密度，建設(shè)成本低、周期短、具有更靈活的建設(shè)地點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)研究起步較晚，尚無大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

壓縮空氣儲(chǔ)能利用過剩的電能或低價(jià)電能，將空氣壓縮為高壓氣體存儲(chǔ)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰等需要的情況下再利用存儲(chǔ)的高壓氣體進(jìn)行發(fā)電，其運(yùn)行過程伴隨熱能的釋放與吸收，可以實(shí)現(xiàn)熱冷電聯(lián)供[4]，或與光熱、熔融鹽蓄熱[5]、空氣液化[6-7]、余熱利用等其它方式配合使用，充分實(shí)現(xiàn)能量的綜合利用。

國(guó)外壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究起步較早，其中 以SustainX公司、LightSail Energy公司、General Compression公司為代表，提出了多項(xiàng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方案，包括多活塞壓縮、噴淋控溫、液體活塞等，極大推進(jìn)了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)程[8]。近年來，中國(guó)逐漸開始關(guān)注壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。2009年，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開始研究超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，綜合了常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能和液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)。2012年7月，由清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國(guó)電力科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所開展大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，建設(shè)了500 kW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)[7]。華北電力大學(xué)大規(guī)模電力儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)綜合各儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)新提出了虛擬抽水蓄能系統(tǒng)，綜合了等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和抽水蓄能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，基于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能原理，采用液封耐壓設(shè)備、自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置、水泵水輪機(jī)等液體設(shè)備實(shí)現(xiàn)了氣體等溫壓縮膨脹、恒壓存儲(chǔ)的可控定水頭儲(chǔ)能發(fā)電過程，具有效率高、成本低、靈活性普適性好的優(yōu)勢(shì)。

本文在虛擬抽水蓄能基本概念的基礎(chǔ)上，提出基于直線電機(jī)的新型設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行策略，以使系統(tǒng)運(yùn)行更優(yōu)；采用直線電機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)按照運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，驗(yàn)證方案的可行性與合理性。采用直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，一方面，直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，減少了旋轉(zhuǎn)設(shè)備的中間環(huán)節(jié)；另一方面，直線電機(jī)效率高、響應(yīng)速度快、推力大、結(jié)構(gòu)緊湊[9]。

1 虛擬抽水蓄能系統(tǒng)模型

虛擬抽水蓄能系統(tǒng)包括恒壓儲(chǔ)氣子系統(tǒng)、等溫壓縮空氣子系統(tǒng)、液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、抽蓄子系統(tǒng)、三組液體源以及管道、閥門、控制設(shè)備等。圖1、圖2為系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[9-10]。

恒壓儲(chǔ)氣子系統(tǒng)包括高壓氣罐、雙作用液壓缸，負(fù)責(zé)恒壓存儲(chǔ)高壓氣體；等溫壓縮空氣子系統(tǒng)包括內(nèi)控溫液體活塞裝置，是氣體等溫壓縮與膨脹的場(chǎng)所；液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括多組雙作用液壓活塞構(gòu)成的自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置、直線電機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的勢(shì)能與抽蓄發(fā)電單元?jiǎng)菽艿南嗷マD(zhuǎn)換；抽蓄子系統(tǒng)包括水輪機(jī)、水泵，負(fù)責(zé)液壓勢(shì)能與電能的相互轉(zhuǎn)換。

圖1 虛擬抽水蓄能系統(tǒng)原理

1—高壓氣罐；2—內(nèi)控溫液體活塞；3—緩沖池；4—自適應(yīng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置；5—第一液體源；6—第二液體源；7—第三液體源；8—自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置端口1；9—自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置端口2；M—水泵；G—水輪機(jī)；LM—直線電機(jī)。

2 自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置

自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置是一種可控的、能夠?qū)崿F(xiàn)多組液壓勢(shì)能相互傳遞的液壓設(shè)備，由多組雙作用液壓缸同軸連接而成，配置有控制單元。每一組又可由多個(gè)雙作用液壓缸構(gòu)成，每組連接一對(duì)勢(shì)能源。通過閥門開斷選擇每一組參與運(yùn)行的液壓缸數(shù)量和方式，從而構(gòu)成不同的和面積。根據(jù)運(yùn)行中每組勢(shì)能源壓強(qiáng)的變化，通過閥門開斷合理地構(gòu)建每組液壓缸活塞和面積，形成多級(jí)面積比，使得不同的液壓勢(shì)能在活塞桿上產(chǎn)生的力能夠最大限度地相互抵消，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)能量在各組勢(shì)能源之間轉(zhuǎn)移的最大化[11]。

以圖3為例闡述自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置的基本原理。自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換單元由兩組雙作用液壓缸同軸連接組成，分別連接勢(shì)能源1、勢(shì)能源2，假設(shè)能量從勢(shì)能源2向勢(shì)能源1傳遞。勢(shì)能源1、勢(shì)能源2的壓強(qiáng)差分別為1和2，第一組液壓缸中各液壓缸的面積分別為11,12,…,1m，第二組液壓缸中各液壓缸的液壓面積為21,22,…,2n，、分別為第1組、第2組液壓缸的數(shù)目，1i表示第1組中第個(gè)液壓缸參與運(yùn)行的情況，2j表示第2組中第個(gè)液壓缸參與運(yùn)行的情況，1i、2j的取值如式(1)和式(2)所示

（2）

假設(shè)能量從勢(shì)能源2向勢(shì)能源1傳遞，則稱勢(shì)能源2（端口2）為勢(shì)能送出端，勢(shì)能源1（端口1）為勢(shì)能接受端。式(1)、式(2)中，對(duì)于勢(shì)能送出端（端口2），0表示不參加運(yùn)行，對(duì)于第1組液壓缸，1表示作用在該液壓缸上的力與運(yùn)動(dòng)方向相反，?1表示作用在該液壓缸上的力與運(yùn)動(dòng)方向相同；對(duì)于勢(shì)能接受端（端口2）則相反，1表示作用在該液壓缸上的力與運(yùn)動(dòng)方向相同，?1表示作用在該液壓缸上的力與運(yùn)動(dòng)方向相反。

為了使能量盡可能多地從勢(shì)能源2傳遞到勢(shì)能源1，且提高能源的利用效率，各組液壓缸面積的選擇與直線電機(jī)的出力遵循以下原則。

（1）和面積必須為正，滿足

（2）自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置活塞的運(yùn)動(dòng)方向與能量的傳遞方向匹配；

如圖4所示為液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)圖。

圖4 液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)圖

Fig.4 Hydraulic potential energy conversion device design diagram

系統(tǒng)運(yùn)行于儲(chǔ)能過程時(shí)，內(nèi)控溫液體活塞內(nèi)氣體壓強(qiáng)滿足

系統(tǒng)運(yùn)行于發(fā)電過程時(shí)，內(nèi)控溫液體活塞內(nèi)氣體壓強(qiáng)滿足

其中g(shù)as_t()為液體活塞中氣體的壓強(qiáng)，A1為gas_t()對(duì)應(yīng)氣體的體積，0為大氣壓強(qiáng)，0為大氣壓是對(duì)應(yīng)液體活塞的初始體積，A1()為液體活塞中液體的體積，為活塞運(yùn)行速度。

對(duì)液壓活塞進(jìn)行受力分析，作用于端口1液壓活塞的力為

作用于端口2液壓活塞的力為

忽略運(yùn)行中活塞所受阻力，則直線電機(jī)補(bǔ)償出力為

設(shè)施加在端口1活塞上的力最大、最小分別為1max和1min，則根據(jù)受力平衡，同時(shí)盡可能利用活塞面積比匹配，并預(yù)留10%的裕度，則端口1、端口2液壓活塞面積滿足以下關(guān)系

直線電機(jī)需要提供的最大補(bǔ)償出力為

3 直線電機(jī)控制策略

3.1 永磁同步直線電機(jī)工作原理

自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置兩組液壓缸的和面積匹配是離散變化的，端口2壓強(qiáng)差恒定，氣體壓縮和膨脹過程中氣體壓強(qiáng)是連續(xù)變換的，因此在端口1產(chǎn)生的液體壓強(qiáng)也是連續(xù)變化的，導(dǎo)致在兩級(jí)和面積比之間，活塞兩側(cè)存在壓力差。本文采用永磁同步直線電機(jī)（permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM）直接在活塞連桿上施加軸向力推力，對(duì)自適應(yīng)液壓勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置活塞兩側(cè)的力差進(jìn)行額外的能量補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行并控制勢(shì)能轉(zhuǎn)換速率。

圖5 PMSLM結(jié)構(gòu)[12]

永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，可以看作是永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿轉(zhuǎn)子軸向切開延展成直線的情況，二者在結(jié)構(gòu)上具有相似之處。在永磁同步直線電機(jī)初級(jí)繞組中通入三相正弦交流電流后，將在空間內(nèi)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣隙磁場(chǎng)不同之處在于，該磁場(chǎng)是隨電流變化按A、B、C三相相序沿直線運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)，其運(yùn)動(dòng)速度與通入的三相交流電源的頻率有關(guān)，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度。初級(jí)、次級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者產(chǎn)生相互作用，從而產(chǎn)生電磁推力。如果永磁同步直線電機(jī)的初級(jí)固定不動(dòng)，則次級(jí)將沿行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，反之，初級(jí)將沿行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度。

3.2 基于SVPWM的磁場(chǎng)定向矢量控制原理

磁場(chǎng)定向矢量控制的思想是通過坐標(biāo)變換將交流電機(jī)定子繞組電流解耦為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，與給定的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行比較，比較的結(jié)果經(jīng)過PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生給定的勵(lì)磁電壓分量和轉(zhuǎn)矩電壓分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換后作為空間電壓矢量脈沖調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）發(fā)生器的輸入產(chǎn)生SVPWM脈沖信號(hào)，控制逆變器形成所需的三相對(duì)稱正弦電流，從而控制直線電機(jī)的運(yùn)行[13-14]。

SVPWM是一種按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來控制逆變器工作的方法，也即“磁鏈跟蹤控制”。電壓矢量近似為磁鏈?zhǔn)噶繉?duì)時(shí)間的微分，即磁鏈?zhǔn)噶颗c電壓矢量有積分關(guān)系。兩電平SVPWM逆變器有23種工作狀態(tài)，能產(chǎn)生8種基本的電壓矢量，按照矢量與時(shí)間乘積相等的原則來合成需要的電壓矢量。

本文采用的坐標(biāo)變換按以下兩點(diǎn)原則進(jìn)行：①變換前后，電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)效果相同；②變換前后電壓電流幅值不變。

在定子三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦交流電源，將產(chǎn)生以電源頻率旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)，在三相靜止坐標(biāo)系、兩相靜止坐標(biāo)系、兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中有不同的表示，可以互相轉(zhuǎn)換。Clark變換將定子三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC變換為定子兩相靜止坐標(biāo)系，Park變換將定子兩相靜止坐標(biāo)系變換為轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

3.3 永磁同步直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型

對(duì)于隱式PMLSM，d=q=，數(shù)學(xué)模型[15]為

（1）機(jī)械平衡方程

f為電磁推力系數(shù)。電磁推力e與q軸電流q成正比，可通過控制q的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁推力e的控制。

（2）電壓平衡方程

3.4 MATLAB/Simulink仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬抽水蓄能系統(tǒng)運(yùn)行策略可分析得到直線電機(jī)需要施加在活塞連桿上的力LM,max以及控制活塞運(yùn)行的速度，將LM,max、作為直線電機(jī)的輸入。直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)選擇由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成[13]。圖6所示為PMSLM控制系統(tǒng)框圖。速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用傳統(tǒng)的比例積分（PI）控制器實(shí)現(xiàn)d=0磁場(chǎng)定向矢量控制。通過電流內(nèi)環(huán)的作用使電機(jī)的定子電流能夠快速準(zhǔn)確地跟隨給定電流值變化，進(jìn)而控制輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)高性能、快速響應(yīng)的要求；通過速度外環(huán)的控制作用使得直線電機(jī)能夠跟隨指令輸出系統(tǒng)所需的運(yùn)行速度以滿足系統(tǒng)恒功率運(yùn)行。

圖6 PMSLM控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)3.2、3.3節(jié)介紹的永磁同步直線電機(jī)的控制原理及數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/SIMULINK中搭建PMSLM控制運(yùn)行系統(tǒng)模型，包括控制部分和PMSLM模塊，如圖7所示。系統(tǒng)以速度、負(fù)載力為輸入指令。

忽略運(yùn)行中永磁同步直線電機(jī)所受的擾動(dòng)。給直線電機(jī)輸入速度指令和負(fù)載力指令，得到的仿真結(jié)果如圖所示。

如圖8所示為空載速度控制仿真結(jié)果，PMSLM的速度輸出曲線在不同的速度指令下均在0.05 s內(nèi)與速度指令曲線趨于一致。如圖9所示為負(fù)載100 N的仿真結(jié)果，PMSLM的速度輸出曲線在0.35 s后與速度指令曲線基本一致，PMSLM的出力輸出曲線與出力指令曲線基本一致。仿真結(jié)果表明所搭建的直線電機(jī)模型能夠穩(wěn)定地跟隨輸入的出力指令和速度指令。

圖7 PMSLM控制運(yùn)行系統(tǒng)模型

圖9 負(fù)載100 N時(shí)仿真結(jié)果

4 虛擬抽水蓄能系統(tǒng)運(yùn)行策略仿真

限于篇幅，本文只介紹系統(tǒng)將10 m3、0.1 MPa氣體壓縮到0.625 m3、1.6 MPa并存儲(chǔ)的儲(chǔ)能過程，以及儲(chǔ)能過程中氣體壓強(qiáng)、體積變化、直線電機(jī)控制以及系統(tǒng)能耗情況。仿真模型如圖10所示，仿真計(jì)算流程如圖11所示。儲(chǔ)能過程結(jié)果如圖12～圖15所示。儲(chǔ)能過程總耗時(shí)239.4 s。

圖10 仿真模型原理

圖11 仿真計(jì)算流程

圖12 基本模型儲(chǔ)能過程氣體體積與壓強(qiáng)曲線

圖13 基本模型儲(chǔ)能過程液壓活塞兩側(cè)受力及力差

圖14 基本模型儲(chǔ)能過程直線電機(jī)出力曲線

圖15 基本模型儲(chǔ)能過程直線電機(jī)速度曲線

如圖12所示，0～166.7 s由空壓機(jī)向內(nèi)控溫液體活塞內(nèi)預(yù)置5 m3、0.2 MPa氣體；166.7～224.4 s水泵、直線電機(jī)投入運(yùn)行壓縮氣體至1.6 MPa，此時(shí)氣體體積為0.62 5m3，耗時(shí)57.7 s；224.4～239.4 s將氣體等壓遷移到儲(chǔ)氣罐中存儲(chǔ)，氣體等壓遷移過程耗能較少，可以忽略。由圖13～圖15，隨著氣體壓縮壓強(qiáng)逐漸增大，施加在端口1液壓缸活塞的力也隨之逐漸增大，因此選擇的端口2液壓缸活塞面積和逐漸增大，直線電機(jī)所需補(bǔ)償?shù)某隽υ龃?，同時(shí)為保證水輪機(jī)恒功率發(fā)電，直線電機(jī)運(yùn)行速度逐漸降低。直線電機(jī)最大出力為9.653×106N，運(yùn)行速度范圍為0.06～3.2 m/s，平均機(jī)械功率為9.3 kW。

以圖14、圖15曲線作為直線電機(jī)的輸入控制信號(hào)，得到直線電機(jī)的輸出信號(hào)如圖16、圖17所示，可見直線電機(jī)能夠較好地輸出系統(tǒng)所需的出力以及控制系統(tǒng)按照恒功率運(yùn)行策略的速度運(yùn)行。

圖16 直線電機(jī)輸出出力

圖17 直線電機(jī)控制運(yùn)行速度

表1 基本模型系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

基本模型仿真結(jié)果見表1（包括基本模型發(fā)電結(jié)果）。

由該表可得：①用系統(tǒng)總發(fā)電量與氣體可發(fā)電量和系統(tǒng)總能量之和的比值衡量系統(tǒng)的發(fā)電效率，為65.8%，直線電機(jī)消耗的能量占系統(tǒng)總發(fā)電量的32.9%；②用氣體總儲(chǔ)電量與系統(tǒng)總耗電量的比值衡量系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率，儲(chǔ)能運(yùn)行效率較高，為81.6%，直線電機(jī)消耗的能量占系統(tǒng)總耗電量的17%；③系統(tǒng)的綜合效率可由儲(chǔ)能和發(fā)電效率相乘得到，為54%。

5 結(jié) 論

對(duì)虛擬抽水蓄能系統(tǒng)及其基于直線電機(jī)的運(yùn)行控制策略進(jìn)行了研究，對(duì)虛擬抽水蓄能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作特性及關(guān)鍵設(shè)備展開相關(guān)研究，結(jié)合直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性，提出了系統(tǒng)恒功率運(yùn)行控制策略，針對(duì)該控制策略搭建了系統(tǒng)基本模型，并通過MATLAB/SIMULINK平臺(tái)仿真驗(yàn)證了恒功率運(yùn)行控制策略的可行性，為虛擬抽水蓄能系統(tǒng)后續(xù)研究提供一定的參考，本文取得的成果如下。

（1）虛擬抽水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)分析。對(duì)虛擬抽水蓄能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程、工作特性及關(guān)鍵設(shè)備展開相關(guān)研究。

（2）借助MATLAB/SIMULINK平臺(tái)搭建永磁同步直線電機(jī)模型。采用基于SVPWM的磁場(chǎng)定向矢量控制方法，采用PI控制器構(gòu)建直線電機(jī)的速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)永磁同步直線電機(jī)的控制。

（3）針對(duì)虛擬抽水蓄能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，提出了恒功率運(yùn)行控制策略。

基于虛擬抽水蓄能系統(tǒng)恒功率運(yùn)行控制策略，搭建了系統(tǒng)基本模型的數(shù)學(xué)模型及仿真模型。通過仿真計(jì)算，驗(yàn)證了恒功率運(yùn)行控制策略的可行性。

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An operation control strategy for a virtual pumped storage system based on a linear motor

FU Hao, JIANG Tong, CUI Yan, QUAN Chao

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Energy storage technology is one of the key enabling technologies for smart grids. Compressed air energy storage (CAES) technology has the potential to provide a similar storage capacity as a pumped storage power station, which is characterized by a large system capacity, potentiallylow construction and operation costs, a long lifetime, long storage period and limited site selection. Thermodynamic principles suggest a high efficiency of the CAES with an isothermal operation. Therefore, a virtual pumped storage system (VPSS) based on the isothermal CAES is proposed in this work. A constant power operation control strategy suitable for a steady operation of VPSS and a power adjusting operation control strategy are proposed for the storage system. A simulation model of permanent magnet synchronous linear motor (PMLSM) is built within a MATLAB/SIMULINK environment and a magnetic field vector-oriented control method based on SVPWM is used to control the PMLSM. According to the system operation strategy and linear motor control strategy, the basic model of VPSS based on linear motor are simulated and the simulation results verify the feasibility of the proposed constant power operation control strategy.

virtual pumped storage system; operation control strategy; permanent magnetic synchronous linear motor; vector control

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0197

TK 37

A

2095-4239（2019）01-098-10

2018-09-26；

2018-10-16。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGHE0000KXJS1700086），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2018QN004）。

傅昊（1989—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模電力儲(chǔ)能，E-mail：fuhaoncepu@sina.com。