周睿 等：豎井式重力儲一包養網站能發電效力及功率穩定戰略研討

作者：周睿, 洪包養劍鋒, 曹君慈, 秦偉, 趙出色

單位：北京路況年夜包養網ppt學

援用：周睿, 洪劍鋒, 曹君慈, 等. 豎井式重力儲能發電效力及功率穩定戰略研討[J]. 儲能科學與技術, 2024, 13(10): 3556-3565.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0304

本文亮點：1.對豎井重力儲能系統效力的影響原因進行了仿真研討 2.提出了系統輸出功率穩定的把持戰略 3.對分歧通道數的系統功率疊加機能進行了評估。

摘 要 豎井式重力儲能作為近些年來涌現的新儲能技術，具有選址靈活、對環境無淨化等特點，但對其系統內部的研討依然很匱乏，系統效力和功率兩個主要技術指標的研討不完美。為此，本任務針對豎井式重力儲能系統進行了物理建模，提出了效力模子和功率模子。對效力模子，提出了損耗來源，通過仿真研討發現了效力隨重物質量、最年夜速率、加快度等參數的變化規律。研討表白，最年夜速率、加快度及豎井高度對系統效力的影響非常顯著，重物質量對系統效力影響很小。減小最年夜速率和豎井高度可以很有用地增添系統效力。對功率模子，提出了多通道功率疊加的方式，來實現功率的補償從而達到平穩輸出功率的目標。采用錯時間啟動的方法來實現功率疊加，并仿真了在把持戰略下的功率輸出結果，從功率波動率和功率損掉率兩個方面研討了分歧通道數的機能并進行對比。結果表白增添通道數可以有用地減小功率波包養網心得動率，通道數達到8時功率波動率僅為2.5%。功率包養網損掉率隨著通道數的增添而減小，在通道數年夜于4時幾乎不變，增添通道數可以有用地進步系統對外輸出功任性能。

關鍵詞 豎井式重力儲能；系統效力；功率穩定；把持戰略

隨著碳達峰目標的提出，為了減少溫室氣體排放，保護生態環境以及應對煤炭、石油等不成再生資源的日益乾涸，太陽能和風能等新動力的應用越來越廣泛。但光能、風能、潮汐能等可再生動力的發電量受天氣、溫度等天然原因的影響很年夜，這些新動力發電具有隨機性和間歇性，年夜規模接進電網系統后將會影響電力均衡，對電量消納、穩定把持等方面帶來不小的影響。為使各類波動性電源接進電網后，電網能保證平安穩定運行，應用儲能系統是最有用、最便利的解決辦法之一。是以，儲能技術已成為當今動力領域最熱門的研討課題之一。

儲能系統包含化學電池儲能、蓄水儲能、壓縮空氣儲能、重力儲能等，在這眾多儲能技術中，重力儲能因其具有建設本錢低、發電效力高、對環境友愛、選址靈活和儲能時間長等凸起優勢，近年來備受人們關注。重力儲能技術根據儲能介質和勢能差變換方法分歧有活塞式、塔吊式、纜車式、斜坡式和礦井懸掛式等，活塞式重力儲能應用水體蓄能晉陞重物地位，實現勢能轉換；塔吊式重力儲能通過改變組合式建筑物的結構和高度實現勢能轉換；纜車式和斜坡式重力儲能應用海拔差實現能量的存儲，普通用于山地區域；礦井懸掛式重力儲能對廢棄礦井進行二次應用，隨機應變，通過重物的釋放和抬升來實現勢能轉換，其技術風險低、穩定性好、平安系數高，且可以應用廢棄的礦井來下降建設本錢，實現循環應用，具有傑出的發展遠景。

國內外對礦井懸掛式重力儲能技術的研討尚處于起步階段，該項技術初次由英台灣包養網國公司Gravetricity針對英國Midlands地區數以千計廢棄礦井處理問題所提出，并于2021年在愛丁堡利斯港應用250米高的鉆包養井平臺勝利建造、調試和運營了一個15 kW的并網示范項目，如圖1所示。

該演示器由兩個7噸的重物組成，每個重物由鋼纜懸掛，高度為250 m。該公司聲稱此系統可以在1 s之內反應，應用壽命長達50年，效力最高可達90%，并計劃在利斯口岸建成4 MW級全尺寸重力儲能系統。Morstyn等則從理論上說明了豎井重力儲能作為新技術的潛力和優點，并剖析了在給定礦井的物理尺寸下，最年夜儲能容量隨重物尺寸的變化規律，給出了確定懸掛重物最佳尺寸的方式；國內葛洲壩中科儲能技術公司于2018年提出了一種依托水體的礦井重力儲能裝置，通過水位起落來實現重物地位的變化，水體也作為能量傳遞的載體，其平安性更高；中煤動力研討所提出電動發電一體機和把持系統、礦車、井筒裝備罐道、罐籠等所組成的礦井重力儲能裝置，應用自動吊具或罐籠實現多個重物的吊裝，多個重物可以橫向停放在巷道或豎向疊放在豎井中，并采用AGV地平車進行程度轉載。在實際的工程項目和示范平臺方面，中國科學院電工研討所研制了國內首個應用單梁門式晉陞機的10 kW級豎井重力儲能道理樣機，并進行了充放電機能測試，如圖2所示。該樣機通過四象限變流器實現對永磁同步電動發電機的把持，系統可以處在孤島形式或并網形式兩種任務方法下運行。別的，系統還可以通過軌道平車、自動吊具和卷揚晉陞機實現自動化運行，運用PLC進行智能把持。

綜上可知，礦井懸掛式重力儲能技術及其理論研討已經獲得了國內外學者的廣泛關注，提出了多種豎井式重力儲能系統的基礎計劃和系統組成。但是，關于礦井系統內部各項技術指標的研討仍不完美，系統發電效力的影響原因，發電功率穩定戰略方面的研討有待展開。是以，本任務基于系統結構，搭建了豎井重力儲能系統的數學模子，研討了質量、高度、速率、加快度等關鍵原因對系統發電效力的影響規律。為使發電功率穩定輸出，提出了將多個豎井系統輸出功率以必定時間差啟動錯相疊加的把持包養一個月價錢戰略，對分歧通道數的系統發電功率的波動率和功率損掉率進行了研討，旨在為豎井重力儲能工程應用供給理論指導依據。

1 系統模子樹立

1.1 任務道理

豎井重力儲能裝置重要由礦井、滑輪組、鋼絲、繩絞盤、電動發電一體機和把持系統等組成，如圖3所示。其基礎道理是儲能時，電機耗費電能，抬升重物，將電能以重力儲能的情勢存儲；釋能時，重物直線降落，本身重力感化下帶動電機轉動，將重力勢能轉換為幅值、頻率都隨著落速率變「姐姐，先擦擦衣服吧。」化的交通電，并通過雙向變流器裝置及把持裝置實現并網。

1.2 模子樹立

豎井重力儲能系統中重物降落的運動過程總共分為三段，分別為加快降落運動、勻速降落和緩沖減速降落運動，如圖3所示。根據三段運動過程，樹立整體的運動模子和運動學方程。

重物總降落高度和總運動時間方程：

(1)

此中，H為裝置總高度，T為一次著落的總時間，H1、t1為加快段運動旅程和時間；H2、t2為勻速段運動旅程和時間；H3、t3為減速段運動旅程和時間。

三段降落高度運動方程：

(2)

此中，v1為勻速段速率鉅細，a1、a3分別為加快段的加快度鉅細和減速段的加快度鉅細。

速率方程：

(3)

整體設定牽引力方程：

包養(4)

由此推斷出重物著落過程中整體功率方程：

(5)

有了上述的運動模子，可以根據模子對重力儲能系統的其他技術指標進行研討。在重力儲能系統裝置中，系統效力和發電功率是主要的技術指標包養網。是本任務的重點研討內容，接下來對效力模子和功率模子進行建模。

2 效力模子

系統效力反應了設備和系統的機能，在必定水平上影響了經濟性，高效力是實際工程一向尋求的目標；本部門先對重力儲能系統在運動過程中的損耗包養價格ptt來源進行剖析，再剖析系統效力的影響原因。

2.1 損耗剖析

豎井重力儲能在運動過程中的損耗來源由兩個，一個是空氣阻力帶來的風阻損耗，一個是著落時重物與軌道間的摩擦損耗。

（1）風阻損耗

重物著落時遭到空氣阻力的感化，會產生風阻損耗，該損耗鉅細為：

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(6)

此中，A為迎風面積，為空氣密度，Cw為阻力系數。

現設定勻速運動段速率從0到20 m/s變化，高度為150 m，第一段加快度為g，第三段加快度為0.6g，迎風面積為9 m2，作出風阻損耗隨速率變化圖像，如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著勻速段速率的增年夜，風阻損耗非線性增年夜，在低速率情況下風阻損耗對系統影響很小，在高速率情況下風阻損耗對系統影響很年夜。

接下來通過改變重物受風阻面積，來探討對風阻損耗的影響，設定迎風面積A為4 m2、8 m2、12 m2、16 m2，高度為150 m，第三段加快度為0.6g，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出風阻損耗隨速率變化圖像，如圖6所示。

由圖6可知，風阻損耗與迎風面積變化標的目的雷同，隨著迎風面積的增年夜，風阻損耗也隨之增年包養網夜，但隨著迎風面積的越來越年夜，風阻損耗的變化幅度越來越小。

（2）由軌道間的滑動惹起的摩擦損耗

重物著落與框架內軌道接觸，會產生摩擦損耗，該摩擦力鉅細與重物質量包養網車馬費正相關，該損耗鉅細為：

(7)

此中，為摩擦力與份量的相關系數，與實際工況有關。

現設定高度為150 m，第三段加快度為0.6g，為0.01，重物質量取25 t，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出摩擦損耗隨速率變化圖像，如圖7所示。

由圖7可知隨速率的增添，摩擦損耗逐漸減小，這是因為當質量確定時，滑動摩擦力鉅細固定，速率越年夜則勻速段位移越小，導致滑動摩擦損耗越小。

設定高度為150 m，第三段加快度為0.6g，為0.包養網01，重物質量取10 t、20 t、30 t、40 t，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出摩擦損耗隨速率變化圖像，如圖8所示。

由圖8可知，重物質量越年夜，摩擦損耗越年夜，從式(7)也可以得出，摩擦和損耗的鉅細和重物的質量成反比。

2.2 效力剖析

對單個系統來說，由基礎公式P=Fv可知，只要勻速段發電機的發電功率穩定，是以發電時段只考慮勻速段，減速和加快段不作考慮。

結合1.2小節和2.1小節中的公式，在考慮損耗的情況下，系統的發包養感情電效力為：

(8)

考慮電機損耗，齒輪箱損耗和變流器損耗：

(9)

此中，為齒輪箱效力，為變流器效力，為電機效力，H2為勻速段運動高度。

從式(9)中可以看出，影響效力的可控原因有質量m，總高度H，勻速段速率v1，減速段加快度a3。是以，分別改變這幾個量的鉅細，研討其對效力模子的影響：給定重物質量為25 t，高度為150 m，第三段加快度為0.6g，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出發電效力隨速率變化圖像，如圖9所示。

由圖9可以看出，在考慮損耗的情況下效力也是隨速率的增添而減小，在該設定條件下損耗對效力的影響相對較小，接下來通過改變其他設定條件，探討其變化。給定重物質量為25 t，高度分別為150 m、200 m、250 m、300 m，第三段加快度為0.6g，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出發電效力隨速率變化圖像如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著高度的增添，系統的發電效力越來越高，且高度越高，勻速段速率鉅細對發電效力的影響減小。並且通過200 m和300 m時兩種情況下發電效力的對比可以看出，高度增添，損耗對系統效力的影響也稍微增年夜，這是由于高度增添時勻速段旅程增添，使得損耗相應增添。

接下來給定重物質量為25 t，高度為150 m，第三段加快度分為0.3g、0.5g、0.6g、0.8g現實中，事情確實如夢中展開——葉秋鎖的蜂鳴器故障，，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出發電效力隨速率變化圖包養網推薦像，如圖11所示。

由圖11可以看出，隨著減速段加快度的增添，系統的發電效力也隨之進步，這是包養網由于加快度的增添使減速段旅包養甜心網程縮短，勻速段旅程占比從而增添的緣故，且在速率高時對系統效力的影響明顯，低速時則影響無限。並且通過0.5g和0.6g時兩種情況下發電效力的對比可以看出，減速段加快度的增添并沒有使損耗對發電效力的影響發生顯著變化。

給定重物質量分別為10 t、20 t、30 t、40 t，高度為150 m，第三段加快度0.6g，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出發電效力隨速率變化圖像，如圖12所示。

由圖12可以看出，在考慮損耗情況下，質量的增添對發電效力的變化也沒有影響，質量對發電效力的影響體現在風阻損耗這一項當中，風阻損耗對于系統總發電量來說數值較小，故質量的變化對考慮損耗下的發電效力的影響也很小。

3 功率模子

發電功率權衡重力儲能系統在均勻時間內的放電才能，是豎井重力儲能系統的主要指標，發電功率請求波動率小且調節才能強。根據1.2小節中的功率表達式可得：

(10)

對于單個豎井重力儲包養網能系統，設定H=1000 m，m=100 t，a1=a3=1 m/s2，v1 =15 m/s，作出重物著落所產生的機械功率圖像，如圖13所示。

從功率圖像可以看出，對單通道重力儲能裝置來說，只要加快和減速段時間足夠小時，功率才可輸出為一條近似的直線。並且在實際的生產應用中，還需考慮裝卸重物的時間，為此，功率曲線如圖14所示。

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可以看出，對于單個系統來說，輸出功率不穩定，是以不克不及作為一個靠得住的電源應用。為使輸出功率為波動不年夜的直線，可以考慮將多個系統的功率進行疊加以此來達到功率穩定的目標。

3.1 把持方式

對于功率疊加，本任務采用延時補償法，即兩個系統錯開必定的啟動時間運行，從而使功率曲線能構成互補，如圖15(a)所示。

圖15   兩通道功率疊加(間隔65 s)

再將兩個功率疊加，獲得圖15(b)，從圖15(b)可以看出，突出的部門來自于波峰和波峰疊加，波峰和著落段疊加。若將波峰和波谷疊加，著落段和上升段疊加，所得的波形應能趨于看她動作熟練，宋微將小貓交給她，心裡有些安心。平整，為此，對速率、高度、加快度這三個參數做必定限制，使得波峰波谷長度相等，結合1.2小節中的運動模子，獲得：

(11)

式中，為裝卸貨時間。

根據式(1)，設定m=100 t，a1=a3=1 m/s2，v1=15 m/s，H=375 m，延時啟動時間為25 s，獲得功率疊加圖像，如圖16所示。

從圖15(b)，圖16對比可以看出，圖16的功率波形加倍平整，波動率也更低，證明該計劃是可行的。對于兩通道的疊加結果，可以想到，假如將疊加的通道數增添，就能獲得加倍平穩的功率波形。為此，接下來在雷同機械功率輸出的基礎上，用分歧通道數功率疊加，觀察其功率波形，研討其功率波動率的變化。

從圖16可以看出，兩通道功率疊加可以構成具有波峰和波谷，按必定規律周期性變化的函數圖像。是以若要使輸出功率加倍平穩，可將四個通道分為兩組，使此中一組兩通道疊加功率構成波峰和波谷長度相等，且平整的函數圖像；再通過移相獲得另一組兩個通道的圖像，甜心寶貝包養網使兩組圖像剛好互補，相加獲得平穩的功率輸出。根據上述思惟，四通道之間的相位差及單個通道的加快度和速率有如下關系。

加快段與減速段加快度相等包養網：

(12)

波谷和波峰長度為：

(13)

包養網

(14)

式中，tl為波谷長度，th為波峰長度，t2為勻速段時間，tq為裝貨卸貨時間，t1為加快段時間，ts為一組功率曲線的相角差。

為使波峰和波谷都為較平整的直線，則：

(15)

根據包養運動過程方程及上述方程，包養網獲得加快度與勻速段速率的關系：

(16)

別的三個通道的時間延遲分別為：

(17)

(18)

(19)

根據上述的參數關系，為獲得四通道功率疊加結果，設定m=100 t，a1=a3=1 m/s2，v1=13.9 m/s，H=1000 m，延時啟動時間T1=24 s，T2=48 s，T3=72 s，獲得功率疊加圖像，如圖17(a)所示，通過對曲線的數學表達式進行剖析，可以發現曲線中的不服整段與加快度有關，為此，將加快度設定為a1=a3=0.5 m/s2獲得功率疊加圖像，如圖17(b)所示；八通道功率曲線的疊加可以樹立在四通道的基礎上，可以當作是兩個四通道功率曲線的疊加，為此，在四通道條件設定的基礎上，為使均勻功率雷同，設定：m=50 t，延時啟動時間為T1=24 s包養網，T2=48 s，T3=72 s，T4=60 s，T5=84 s，T6=108 s，T7=132 s，其他條件分歧，獲得圖17(c)的圖像。

圖17   四通道分歧加快度和八通道功率疊加結果

從圖17(a)可以看出，四個通道疊加過后，功率曲線趨于平整，此時的波動率大要在6%。從圖17包養甜心網(b)可以看出，隨著加快度的下降，功率的波動率也越來越低，此時各通道的時間延遲為：T1=31.3 s，T2=62.6 s，T3=93.9 s，速率為V1=10.65 m/s，功率波動率在3%擺佈。而在八通道的功率疊加情況圖17(c)中，可以看出，隨著通道數的增添，功率的波動率也越來越低，在雷同輸出功率鉅細的情況下，此時功率波動率在2.5%擺佈。

三通道疊加與二通道疊加類似，但由于是奇數，與四通道疊加的原則類似，本任務試著將三個通道的功率曲線分別以降落段，上升段、勻速段疊加，兩端勻速段和一段靜止段疊加。即：

(20)

(21)

設定：m=400/3 t，a1=a3=1 m/s2，v1=13.9 m以企及的成就。/s，H=1000 m，將延時啟動時間設定為T1=30 s，T2=60 s，獲得圖18(a)的功率曲線。六通道功率曲線的疊加可以樹立在三通道的基礎上，可以當作是兩個三通道功率曲線的疊加，為此，在三通道條件設定的基礎上，為使均勻功率雷同，設定：m=200/3 t，啟動時間設定為T1=15 s，T2=30 s，T3=45 s，T4=60 s，T5=75 s，包養獲得圖18(b包養app)的功率曲線。

圖18   三和六通道功率疊加

從圖18(a)可以看出，功率波動比四通道年夜良多，這是由于奇數通道數功率疊加後果沒那么好。由圖18(b)可以看出，隨著通道數的增添，功率的波動率也越來越低，在雷同輸出功率鉅細的短期包養情況下，此時功率波動率在3%~4%。

3.2 把持結論

確定了把持方式，再對把持機能進行研討，本任務對把持機能的研討從功率波動率和功率損掉率兩個方面出發。功率波動率反應了輸出機械功率的平穩性，從上一節把持方式的分歧通道的仿真實驗中，可以獲得在雷同均勻輸出機械功率的條件下，2、3、4、6、8各通道的功率波動率鉅細的對比情況。在此基礎上，本任務再研討功率損掉率，功率損掉率是指將多個通道的功率疊加后，所獲得的均勻功率相較于單個通道的勻速段功率疊加所減少的量。在圖17(b包養價格)中，單個通道勻速段的功率為13.62 MW，四個通道勻速段功率直接疊加后為54.48 MW，而采用四通道疊加的把持方式后為41.1 MW，故功率損掉率為24.6%。結合3.1小節中的仿真結果，可以獲得分歧通道的把持機能，功率波動率和功率損掉率，如表1所示。

表1   分歧通道數在雷同輸出功率的條件下的功率波動率和功率損掉率

從表1中可以看出，在這種把持方式的基礎上，在堅持輸出雷同功率的條件下，隨著通道數的增添，系統的功率波動率越來越低，當通道數為奇數3時，功率波動率更年夜，這是由于偶數通道數可以通過互補疊加使得輸出功率加倍平穩。從表中還可以看出，當通道數年夜于2時，功率損掉包養率的變化隨通道數的變化不年夜，當通道數為2時，本質上是兩曲線的波峰波谷互補，使得功率損掉率達到最年夜。是以，在實際的工程應用中，可以采用更多的通道數來實現功率的光滑輸出，達到功率穩定的目標。

4 結 論

本任務創新性地對豎井重力儲能裝置內部的主要技術指標進行研討，完美了豎井重力儲能裝置中對進步系統效力和功率穩定的研討。重點構建重力儲能系統的效力模子和功率模子，研討了系統中的主要參數：加快度、質量、高度、速率對系統效力的影響；并提出了功率穩定的把持方式，從2、4、6、8和3、6分歧的通道數進手，給出了有用的功率穩定把持計劃。并對把持計劃的機能進行評估，剖析分歧通道數對豎井重力儲能系統功率穩定性的影響及在多通道下的電壓損掉率，為實際工程項目供給具體的理論指導依分數和神態的鮮明對比，加上萬雨柔的雄辯和葉秋鎖的據。根據對分歧通道數的研包養討，發現在偶數通道下系統的功率穩定性更好，且通道數越多，系統功率越穩定，通道數為8時可達到2.5%；在實際工程建設中，為堅持功率損掉率小，應建兩個通道以上，通道數年夜于4時功率損掉沒有隨通道數有顯著變化。由此看來，更多的通道數可以達到更好的系統機能。

第一作者：周睿（1999—），男，碩士研討生，研討標的目的為基于重力儲能的多動力混雜系統設計及并網把持，E-mail：23121528@bjtu.edu.cn；

通訊作者：洪劍鋒，副傳授，研討標的目的為永磁電機系統優化設計及重力儲能系統設計，E-mail：jfhong@bjtu.edu.cn。