矩阵式重力储能系统控制算法仿真.pdf

中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-64-两星推荐自新世纪以来，全球能源消耗不断攀升，引发了环境污染和能源浪费等紧迫问题，成为全球关注的焦点。近年来，随着全球能源行业加速向清洁和低碳方向转型，大规模并网的风能和光伏等新能源在满足能源需求的同时，也显著优化了我国的能源结构。然而，由于新能源发电具有间歇性、随机性、不可预测性和波动性等特点，高比例接入新能源增加了电网调峰调频的挑战。为推动新能源生产的进一步转型，电力行业急需大规模储能技术。重力储能作为一种新型储能技术，凭借其低能耗和灵活选址等优势，逐渐引起了储能领域的广泛关注，并已经在一定程度上得到应用。重力储能系统在电网有电力富余时，通过电机将重物移至高处储能，需要电力时再将重物的重力势能转化为动能，通过发电机发电，具备储能容量大、环保清洁、原理简单、高效转化、快速响应、安全可靠以及长寿命等优点，可用于大规模可再生能源并网和电力系统的辅助服务等长时间能源管理任务。至今，一些国外研究机构已经创新性地提出了多种新型重力储能技术，取得了一些阶段性成果。例如，美国 Gravity Power 公司提出的活塞式抽水蓄能技术、美国Ares 公司设计的山地铁路式重力储能技术、瑞士 Energy Vault 公司设计的塔吊型重力储能技术以及英国 Gravitricity公司设计的矿井式重力储能技术等。其中，瑞士 Energy Vault 公司提出的方法利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，利用块体地吊起和下落来实现储能和释能。该塔吊式重力储能电池可将放电时间缩短至 2.9s，系统的能源转化效率高达 90%，理论上储电量可以达到 35MWh，峰值工作功率约 4MW。然而，这种方法需要具备高载重能力和高精度抓取的机械抓手，制造难度较大，同时面临缆绳晃动和塔楼稳定性较低等问题，因而限制了其广泛应用。矩阵式重力储能系统是在塔吊型重力储能技术的基础上提出了一种新型重力储能系统控制方法，通过质量块的有序升降过程来实现储能和释能运行，系统在并网时与电网协同运行，通过先调节质量块的下降数量、后调节质量块的下降速度的方式进一步优化电网的充放电平衡，以达到电网运行更加稳定的目标。该重力储能系统无需机械抓手，依靠垂直升降车即可搭载质量块安全升降，增加了系统的稳定性。借助 MATLAB 软件建立了矩阵式重力储能的动态模型进行仿真，实验结果显示，该方法能够有效地管理储能和释能过程，并通过调整质量块数量和下降速度，进一步优化电网的充放电平衡，实现更稳定的电网运行。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度矩阵式重力储能系统控制算法仿真王 杰 杨一帆 羊宇航 董 泽王 杰1，2 杨一帆1，2 羊宇航1，2 董 泽1，21.华北电力大学自动化系2.华北电力大学河北省发电过程仿真与优化控制技术创新中心基金项目：河北省省级科技计划资助（22567643H）。-65-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期两星推荐矩阵式重力储能系统模型重力储能系统的每个单元被划分为顶部区域、中间区域和底部区域，如图1所示。图中，1.质量块，2.水平搬运车，3.空置区，4.垂直升降车。矩阵式重力储能系统由 4 个这样的单元构成，它们排列整齐，相邻单元之间在水平和垂直方向上对齐，以确保质量块以标准间距移动。系统的框架两侧分别设有主轴和电梯井，其中主轴采用双伸出轴（即纵向相邻单元共用同一主轴），电动发电机位于主轴之间。在电机的驱动下，主轴上的多组副轴带动相应的垂直升降车上下运输质量块。质量块按照电网的复合需求同步运行，实现了系统的集成化。具体而言，单个单元的一侧设有 12 列电梯井（即 12 台垂直升降车），每一路电梯井（纵向两个相邻单元，共 24 列）带动对应的主轴进行旋转。如正面图所示，顶部区域和底部区域各包含 8 层质量块层，每一层有 35 块质量块。这些质量块层按从上往下的顺序分别编号为 S1-S8，每一层的质量块按从左到右的顺序编号为 Y1-Y35。实际上，由于单个单元采用矩阵式结构，因此每层编号为Y1的质量块有35个，与单元一侧的 12 台垂直升降车一一对应。在储能和释能过程中，为使每层中的质量块进行有序移动，设置奇数层的质量块通过左侧垂直升降车进行升降，偶数层的质量块则通过右侧垂直升降车进行升降。由于垂直升降车的钢缆具有协同作用，因此在左侧垂直升降车下降时，右侧垂直升降车将同时上升。顶部区域和底部区域的层数相等，且每一层之间一一对应，即顶部区域的第一层质量块只会转移到底部区域的第一层中，反之亦然。这样的设计旨在确保每个质量块在上升和下降过程中存储和释放的势能相同，从而使得每个质量块的发电功率保持一致，系统的发电功率更加稳定，同时也简化了控制逻辑。矩阵式重力储能系统控制储能过程控制在储能过程中，为了有序地采用垂直升降车通过两侧通道将质量块从底部区域转移至顶部区域，以该储能装置的正面图为例，以图 2 为例，图中为系统的正面图。仿真过程中，设置白色方块为质量块，蓝色方块为空载垂直升降车，灰色方块为水平搬运车。控制步骤如下。1）在初始储能阶段，底部区域 S1 层的水平搬运车首先将 S1 层最左侧的一列 Y1 质量块有序地送至左侧对应的垂直升降车；随后左侧垂直升降车将这一列 Y1 质量块运输至储能系统的顶部区域 S1 层；接下来，顶部区域 S1 层的水平搬运车协同工作，将这列 Y1 质量块精确搬运至顶部区域 S1 层的 Y35 位置后空载返回，为下一周期运送底部 S1 层 Y2 质量块做准备。2）同时底部区域 S2 层的水平搬运车将 S2 层最右侧的一列 Y35 质量块送至右侧对应的垂直升降车上；右侧垂直升降车随后将这列 Y35 质量块拉升至顶部区域 S2 层；接下来，顶部区域 S2 层的水平搬运车将这列 Y35 质量块搬至 S2 层的 Y1 位置后空载返回，为下一周期运送底部 S2 层 Y2 质量块做准备。3）当底部区域第一层上的质量块全部搬运完毕时，右侧空载垂直升降车返回底部区域的第三层，准备搬运下一列质量块。4）当底部区域第二层上的质量块全部搬运完毕时，左侧空载垂直升降车返回底部区域的第四层，也为下一列质量块做好准备。5）上述运行机制将反复执行，直至储能过程完成。储能过程中，为确保两侧垂直升降车的有载上升时间可以无间隔地衔接，从而保证整个重力储能系统能够不间断地进行储能，需设置有载充电时间为无载返回时间和块体放置时间之和，即当右侧垂直升降车有载上升时，左侧垂直升降车要在这段时间内完成空载下降和等待水平搬运车将质量块搬运到左侧垂直升降车上，在右侧垂直升降车有载上升的减速过程开始前，左侧垂直升降车开始有载上升，这样能够确保系统储能时的功率保持在稳定值而不会产生较大波动。释能过程控制在释能过程中，为了有序地采用垂直升降车通过两侧通图 1 重力储能系统的建筑结构示意图和正面图图 2 储能过程示意图中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-66-两星推荐道将质量块从顶部区域转移至底部区域，控制步骤如下。1）在初始释能阶段，顶部区域 S1 层的水平搬运车首先将 S1 层最左侧的一列 Y1 质量块有序地送至左侧对应的垂直升降车；随后左侧垂直升降车将这一列 Y1 质量块运输至储能系统的底部区域 S1 层；接下来，底部区域 S1 层的水平搬运车协同工作，将这列 Y1 质量块精确搬运至底部区域 S1 层的 Y35 位置后空载返回，为下一周期运送顶部 S1 层 Y2 质量块做准备。2）同时顶部区域 S2 层的水平搬运车将 S2 层最右侧的一列 Y35 质量块送至右侧对应的垂直升降车上；右侧垂直升降车随后将这列 Y35 质量块拉升至底部区域 S2 层；接下来，底部区域 S2 层的水平搬运车将这列 Y35 质量块搬至底部 S2 层的 Y1 位置后空载返回，为下一周期运送顶部 S2 层Y2 质量块做准备。3）当顶部区域第一层上的质量块全部搬运完毕时，右侧空载垂直升降车返回顶部区域的第三层，准备搬运下一列质量块。4）当顶部区域第二层上的质量块全部搬运完毕时，左侧空载垂直升降车返回顶部区域的第四层，也为下一列质量块做好准备。5）上述运行机制将反复执行，直至释能过程完成。释能过程中，为确保两侧垂直升降车的有载下降时间能够无间隔地衔接，从而保证整个重力储能系统能够不间断地进行释能，需设置有载放电时间为无载返回时间和块体放置时间之和，即当右侧垂直升降车有载下降时，左侧垂直升降车要在这段时间内完成空载上升和等待水平搬运车将质量块搬运到左侧垂直升降车上，在右侧垂直升降车有载下降的减速过程开始前，左侧垂直升降车开始有载下降，这样能够确保系统释能时的功率保持在稳定值而不会产生较大波动。在系统运行过程中，垂直升降车存在四种运行状态。1）当垂直升降车有载上升时，发电机发电将垂直升降车提升，将电能转换为重力势能进行储能。2）当垂直升降车空载上升时，由提升电机以较小功率实现垂直升降车的空载上升。3）当垂直升降车空载下降时，垂直升降车在配重块的辅助下下降，到达对应层后由制动装置进行制动。4）当垂直升降车有载下降时，垂直升降车在质量块的重力作用下降落到底部质量块层中，将重力势能转换为电能，并储存在与发电机连接的储能模块中，通过储能模块将电能传送到电网。这种协同操作允许系统在电网发电量较大时将电能转化为重力势能进行储能，以便后续使用；而在电网电力不足时，系统则利用质量块下降带来的重力势能，带动发电机发电，以对电网进行功率补偿。这种智能的电能管理系统有助于平衡电力需求和供应，提高了电力网络的稳定性和可靠性。动机构的运动控制在储能和释能过程中，需要根据重力储能系统的发电功率来实时调整对电网的需求负载波动，以释能过程为例。垂直升降车的运动控制在重力储能系统中，顶部区域和底部区域的质量块运动关系是一一对应的，因此每块质量块的落差高度都相同，即每个质量块具有相同的释能高度 H。通过重力势能公式，计算出每个质量块的重力势能 W，即每个质量块在单次下降时的做功值：W=mg*H （1）假定发电机单元的满发功率为 y，每个发电机单元每小时质量块下降数量为 c=y/W；由于每个发电机单元连接一个单元设备，每个单元设备包含 x 个单片设备，因此每个单片设备的每小时下降次数为 c/x 次。每台发电机单元带有 2x 部垂直升降车，当发电机单元处于全功率持续发电状态时，应有 x 部垂直升降车同时带着质量块释放重力势能，而其余 x 部垂直升降车处于空载上升状态；根据式和式计算出每部垂直升降车的满发功率 P 和每部垂直升降车的下降时间 t1：yPx=（2）1WtP=（3）质量块的发电依赖于垂直升降车的上升和下降速度，两部垂直升降车的运行在上下交替时能保证持续发电的需要，因此左右侧垂直升降车的下降时间偏移量等于垂直升降车下降时间。由于垂直升降车在上升期间无负载且具有平衡块，空载上升速度要大于有载下降速度且运动期间忽略其上升阻力，为使垂直升降车有载下降时间无间隔，因此垂直升降车的有载下降时间为垂直升降车的空载上升时间和垂直升降车取放质量块的时间之和，即垂直升降车的往复周期时间为 2t1。单元设备共有 2x 部垂直升降车，单元设备偏置范围为垂直升降车上下的循环时间/2x，即 2t1/2x=t1/x，单元设备整体为一个循环，每个单片设备以 t1/x 为间隔时间启动。垂直升降车运行图如图 3 所示，图中仅用 4 部垂直升降车为示例。根据式求出每个质量块的发电功率，即重力储能装置的最小发电功率 P：1WPt=（4）系统可以通过调节垂直升降车的下降时间 t1，从而可以灵活地控制同时下降的垂直升降车的数量，进而调节发电机的输出功率。这种方式允许系统通过调整垂直升降车的运动来实现对系统发电功率的调控。图 3 垂直升降车运行图-67-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期两星推荐水平搬运车的运动控制在重力储能系统中，上下水平搬运车处于对称运行关系，即水平搬运车运动过程中包含加速运动过程、匀速运动过程和减速运动过程，通过计算质量块固定在垂直升降车上的运动时间，即可求和得出水平搬运车循环运动周期时间。水平搬运车的运动模型通常由加速度方程、加速度距离方程和时间方程组成，具体见式(5)(7)：速度公式：toVVta=（5）距离公式：2012SV tat=+（6）时间公式：（7）通过计算设计合适的水平搬运车的加速度、减速度和最大速度，根据式和式计算出水平搬运车在加速过程和减速过程中所用时间和运动距离，根据式和式计算出水平搬运车在匀速过程中所用时间和运动距离，这里需注意水平搬运车有可能需等待垂直升降车，因此水平搬运车的减速度不宜设置过大而给质量块带来较大的惯性。水平搬运车循环运动周期时间为水平搬运车有载运行时间和水平搬运车空载运行时间之和，其中如下。1）水平搬运车有载运行时间为水平搬运车有载匀速运行时间、水平搬运车有载加速时间、水平搬运车有载减速时间和水平搬运车取放质量块时间之和。2）水平搬运车空载运行时间为水平搬运车空载匀速运行时间、水平搬运车空载加速时间、水平搬运车空载减速时间和水平搬运车取放质量块时间之和。系统整体运行时要确保两侧垂直升降车的有载下降时间能够无间隔地衔接，从而保证整个重力储能系统能够不间断地进行释能，因此要设置垂直升降车有载下降时间等于水平搬运车循环运动周期时间与水平搬运车放置质量块时间之和，这样保证当垂直升降车空载上升后，顶部对应层的水平搬运车可以将质量块运送到垂直升降车上，然后垂直升降车开始下降。这种对垂直升降车和水平搬运车的控制方法允许系统实时计算和调整发电功率，以满足电网的需求负载波动，实现了高效的电能管理和电力网络的稳定性。基于重力储能的电网充放电平衡控制方法电网系统根据预测的电网用电负载与实际电网用电负荷之间的偏差来与重力储能系统协同工作，以实现电网的充放电平衡。这意味着电网系统将根据负荷偏差来确定下一周期质量块的下落方式：先通过调节质量块的数量来平稳地减小输出功率，以逐渐接近电网需求；然后通过调节质量块的运动速度，进一步优化电网充放电平衡的过程，以满足电网负荷需求，并降低重力储能系统的响应时间。当选择重力储能的运行模式来应对负荷偏差时，首先需要进行电网用电负荷与实际发电需求之间的偏差 y 计算，下面以图 4 为例进行说明。1）当 y0 时，即电网发电负荷不足，重力储能系统开始进行释能运行。根据式(8)(10)计算重力储能系统的发电功率 Pn、单个质量块的发电功率 P1和重力储能系统的发电功率偏差 P：ntPmgVN=（8）1tPmg V=（9）ynPP=（10）当 P P1时，需要在下一周期中多下落一块质量块来减小偏差，直至达到质量块最大的下落数（单个质量块的下落为重力储能系统内最小发电量）；当PP1或下落的质量块已达到最大质量块下落数，根据式可知：*PF Vmg V=（11）由于此时质量块数量无法改变时，可通过调节质量块的下落速度来改变功率的大小。计算质量块下落速度变化量V=y/mg，并判断 y 是否小于重力储能系统的发电功率：若是，则需要减少下一周期中下降质量块的功率，即减小下一周期中质量块下落速度 Vt+1=Vt-V；否则，需要增大下一周期中下降质量块的功率，即增加下一周期质量块下落速度Vt+1=Vt+V；2）当 y 0 时，即电网发电负荷盈余，重力储能系统开始进行储能运行。此时根据式 计算重力储能系统的充电功率 Pc、单个质量块的充电功率 P1和重力储能系统的充电功率偏差 Q：*ctPmgVN=（12）1*tPmg V=（13）cQyP=（14）当 Q P1时，需要在下一周期中每次提升时增加一块质量块来减小偏差，直至达到质量块最大的提升数；当 QP1或提升的质量块已达到最大质量块提升数，图 4 基于重力储能的电网充放电平衡方法流程图中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-68-两星推荐此时则需要调整质量块的下降速度来调整功率的大小。计算质量块提升速度变化量 V=y/mg，并判断 y 是否小于重力储能系统的充电功率：若是，则需要减少下一周期中下降质量块的功率，即减小下一周期中质量块下落速度Vt+1=Vt-V；否则，需要增大下一周期中下降质量块的功率，即增加下一周期质量块下落速度 Vt+1=Vt+V；式中，m 为质量块的质量，g 为重力加速度常量，Vt为质量块的当前下落速度，N 为当前下落的质量块数量。这种充放电平衡方法充分利用了重力储能系统作为分钟级储能系统的特性。鉴于储能系统中存在充放电模式切换的时间间隔，并且考虑到新能源电网发电负荷波动不稳定的特点，当重力储能系统充当单一配储系统时，需要提前调整储能系统的工作模式以适应电网负荷的变化。这一调整可以通过预测电网用电负载与实际发电需求之间的偏差来实现。通过调整重力储能系统的充电和放电方式，可以有效实现电网的充放电平衡，示意图如图 5 所示。在重力储能系统的充放电过程中，采用优先调整质量块的数量，每个周期调节单个质量块可以避免因为储能系统自身功率的大范围波动对电网带来的影响；然后再调整质量块的运动速度的方法来适应负荷的变化。特别是当负荷变化值小于单块质量块的释能容量时，可以通过调整已有质量块匹配的下落速度，以改进质量块的释能曲线，从而更好地匹配电网的负荷波动。这种方法能够进一步优化电网的充放电平衡过程，实现更稳定的电网运行。这种方法有效地利用了重力储能系统的能量储存和释放能力，以适应电网的瞬时需求，提高了电网的可靠性和稳定性。仿真算例仿真参数设置本文仿真中垂直升降车和水平搬运车运行过程具体参数设置如表 1 所示。表 1 运动机构的运行参数运动机构参数名称数值单位水平搬运车有载加速度1m/s2有载减速度0.5m/s2有载最大速度2m/s空载加速度2m/s2空载减速度1m/s2空载最大速度3m/s垂直升降车有载加速度9.8m/s2有载减速度0.5m/s2有载最大速度1.5m/s空载加速度9.8m/s2空载减速度3m/s2空载最大速度1m/s质量块质量25t有效距离120m这样设计可以确保在空载垂直升降车上升到对应的层数后，水平搬运车可以立即将质量块运输到垂直升降车上进行下落，避免了时间间隔，完成单一储能或释能过程需要约 4.5小时。仿真分析储能时需将全部质量块运送到顶部区域。每个质量块重25 吨，垂直升降车的有效做功距离为 120 米。设定储能容量为 100 兆瓦时，即往返效率为 0.85。在充电和发电效率相等的情况下，要确保发电效率不低于 0.922，这样系统可发出 10 万度电。以释能过程为例，如图 6 所示，图中为该系统的侧面图，蓝色方块表示垂直升降车，而白色方块则表示质量块，灰色方块表示水平搬运车，两个单元中间的黑色方块表示发电机，24 台垂直升降车共同连接在一台发电机上。释能开始时，为了避免整排质量块同时下落而可能对电网造成冲击，因此以两个单元中间的发电机为中心，相邻的两台垂直升降车搭载质量块，按照距离发电机从近到远以 5 秒为间隔时间陆续降落。当中间靠近发电机的垂直升降车将质量块送入底部第一层区域后，底部第一层的水平搬运车搭载着质量块运送到相应位置，随后垂直升降车将空载上升返回至顶部区域的第一层，准备搭载下一列质量块并继续下降。这个过程将持续不断，直至释能结束。在系统运行的 60 秒时，系统首次达到功率峰值，然后根据电网需求的功率变化，会继续选择质量块进行下降。释能过程系统功率如图 7 所示。在质量块下降的过程中，它会经历一个匀速下降阶段，这一阶段将重力势能转化为电能。图 7 中上图中红色曲线为仅将垂直升降车下降过程中的匀速阶段衔接，而蓝色曲线为将垂直升降车的下降完整过程图 5 预测电网用电载荷配合重力储能系统实现电网的充放电平衡示意图图 6 重力储能系统释能过程运行-69-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期两星推荐衔接，因此必须确保平稳衔接质量块下落的匀速阶段，以使系统的功率在达到高峰后趋于稳定，不再对电网发电造成波动。随着时间的推移，功率偏差逐渐减小，系统逐步减少质量块的下降数量并减缓下降速度，如图 7 中右图所示。在这个过程中，系统的发电功率呈现出阶梯状的逐步降低，直至完成对电网的发电补偿，这个过程确保了电网的稳定运行。结语重力储能系统作为一种新兴的储能方式，具备广泛的应用潜力。矩阵式重力储能系统充分利用每个质量块的运动来进行储能，通过控制垂直升降车和水平搬运车两者之间的协调控制来实现储能和释能过程；根据电网的实际需求进行电能的选择性补偿或储存操作，通过先控制质量块的下降数量，后调节质量块的下降速度来满足电网的实际需求。这种控制方法进一步优化电网的充放电平衡过程，充分发挥了重力储能系统的能量存储和释放能力以满足电网瞬时需求，从而优化电网的充放电平衡过程，提升了电网的可靠性和稳定性。但在该重力储能系统中，水平搬运车在搬运过程中会产生约 22 061 千瓦时的能量，如何高效利用这部分能量将会是下一步的研究重点。图 7 系统释能功率图