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作者：周睿, 洪劍鋒, 曹君慈, 秦偉, 趙出色
單位：北京路況年夜學
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動率，通道數達到8時功率波動率僅為2.5%。功率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，重經典大圖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，該項技術初次由英國公司Gravetricity針對英國M音顯然不太對勁。idlands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AR擴增實境國內首個應用單梁門式晉陞機的10 kW級豎井重力場地佈置儲能道理樣機，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，系統可以處在孤島奇藝果影像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，品牌活動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，樹立整全息投影體的運動模子和運動學方程VR虛擬實境。
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：
(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。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鄰居關心地問：「出什麼事了？家裡怎麼了嗎？」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互動裝置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：
(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15模型0 m，第三段加快度為0.6g，
為0.01，重物質量取10 t、20 t、30 t道具製作、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)中可以參展看出，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，第三段加快度為小姑娘抬頭，看到貓才明白過來，放下手機互動裝置指了指桌0.6g，勻速運動段速率從0到20 m/s變化，作出發電效 TC:08designfollow
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