基于混杂切换理论的新型空气储能风电系统优化控制

储能及其控制技术是解决可再生能源间歇性和波动性的关键途径，是制约可再生能源规模应用的瓶颈，因而研究意义重大。新近发明的机械耦合式压缩空气储能风电系统以灵活高效著称，极具发展前景。然而，该风-机-电-气系统本质上是一类非线性多模态切换系统，其控制问题十分复杂且极具难度，亟待解决。本课题拟在混杂切换系统理论框架下，建立该系统的多模态切换模型，研究切换稳定性；设计驻留时间有约束的最佳切换路径；定义切换成本函数，揭示模态切换瞬态振动、能耗与控制之间的内在联系，进而设计多模态切换平滑与能量优化控制方法；最后，以提升系统稳定性、电能质量和能源利用效率为目标，设计新型综合优化控制策略，并用试验验证其有效性。本课题旨在提出多模态混杂系统优化控制新理论和新方法，为解决实际工程难题提供基础和指导，不仅有利于促进混杂切换系统理论的研究和发展，而且对我国发展具有自主知识产权的新能源利用技术具有重要的现实意义。

新能源由点及面的广泛渗透推动了传统电网向分布式发电、微电网乃至智能电网发展的历史变革。然而，太阳能、风能等可再生能源具有较强的间歇性及波动性特征，给电力系统中的储能环节提出了新的挑战。压缩空气储能具有环境污染小，能量转换效率高，使用寿命长，无相变损失等优势，已成为世界能源行业科技创新、技术研发和投资兴业的新增长点。课题组针对传统压缩空气储能和风能应用存在的诸多问题，提出了一种新型机械耦合式压缩空气储能混合风电系统。系统以涡旋式复合机为能量转化的媒介，通过多种工作模式的相互切换，实现风能、压缩空气内能的高效合成与分解，能量的储存与利用不经电能转换而直接通过机械装置一次完成，能量转换效率高，且不存在传统压缩空气储能发电技术的燃烧污染问题。新系统具有压缩储能、膨胀助力和传统风电等多种工作模态，控制方式灵活的同时也给其控制器设计提出了新的更高要求，即除了根据当前的风力、负载、储气量等实时工况，选取恰当工作模式，实现风能和压缩空气多能量源的合理分配之外，还必须特别关注模式间切换动态过程的稳定、平滑、损耗等优化控制问题。针对上述问题，课题组将系统建模与优化控制问题纳入混杂切换系统理论框架。通过重点考虑各模态下系统的连续动态特性，基于混杂切换系统理论建立了压缩空气储能混杂切换系统数学模型。研究了切换系统基于改进的平均停留时间法的稳定分析，改进方法具有定理的条件简化以及得到的平均停留时间比以往方法短等优势，为设计驻留时间有约束的最佳切换路径，解决系统的切换稳定性分析与控制问题奠定了理论基础。通过分析引起的各模态间切换冲击的根源，定义综合切换成本函数；采用预测控制方法寻求最优切换路径，结合各工作模式下的能量优化策略设计了具有三层结构的多模态系统切换的平滑及能量优化控制方法，全面提升了系统的稳定性、切换平滑性以及能量利用效率。仿真与实验结果验证了课题所提方案与相关算法的有效性。本课题属电力、控制、机械领域的交叉前沿课题，问题来自储能风电系统控制的实际重大需求，又有利于促进混杂切换系统理论研究和应用的发展。特别是值得指出的是，新研究成果完全可以推广到新能源汽车等相关多模态混杂系统控制领域，蕴含着巨大的经济和社会效益。项目的实施不仅为设计制造高性能储能方式奠定理论和实践基础，而且对我国发展具有自主知识产权的新能源利用技术，确保国家能源安全具有重要的现实意义。