冲击涡轮储能快速响应发电系统及方法
技术领域
本发明属于储能发电系统技术领域，具体地说，涉及一种冲击涡轮储能快速响应发电系统。
背景技术
由汽轮机或燃气涡轮驱动的涡轮发电技术具有持续大功率输出、运行可靠等优点，在发电站、船舶、飞机等场合得到广泛应用，是目前世界上重要的发电手段。涡轮发电技术中涡轮将热能和压力势能转化为动能，再由发电机将动能转化为电能。其中汽轮机是通过锅炉产生的过热蒸汽驱动涡轮膨胀做功，燃气轮机是由空气通过压缩机、燃烧室得到高温高压燃气驱动涡轮膨胀做功。
但是涡轮发电机组在从静止状态加速到工作转速的启动过程中存在一定的时间延迟，不能满足对供电系统响应速度有严格要求的脉冲性负载的需求，涡轮发电机组的响应速度直接影响瞬时脉冲性负载的使用性能。由此产生了涡轮发电的快速响应问题，从涡轮进气开始到发电机的输出电压达到规定值的时间延迟应尽量小。
2010年在【机械科学与技术】期刊发表的“通过增大转速与磁通提高旋转发电机反应速度”一文，分析得出了通过降低发电机启动风速来提高发电机反应速度的效果有限，在发电机负载较重或输出电压较高时，无法提高发电机反应速度。然后在对涡轮发电机工作机理、运动特征的分析下，通过数学表达式的推导提出提高发电机的反应速度可以采用增大发电机转子角速度、增加发电机主磁路磁通的方法。但本方法只能有限减小涡轮发电机的启动响应时间。
典型的物理储能技术飞轮储能在储能时电机带动飞轮高速转动，飞轮将电能以动能的形式存储起来，需要释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，完成动能到电能的能量转换过程，飞轮储能发电技术响应快，但其损耗较大。2013年在【东南大学学报】发表的“基于机械轴承飞轮储能系统损耗的构成分析”一文，对飞轮储能的电损、风损和轴承损耗三种主要损耗与转速的关系进行了数据拟合和计算分析，结果表明风损与轴承损耗占总损耗的85％，直接影响储能效率，要提高飞轮储能效率必须采用磁悬浮轴承，并置于真空环境中。2009年在【电工技术学报】发表的“飞轮储能系统充放电效率实验研究”一文，利用电能测量方法对飞轮储能实验系统的充放电效率进行了测量与分析，探讨了高效率飞轮储能系统的运行方式和条件，即缩短充放电周期、提高电机功率、应用于航天环境中储能效率较高。
发明内容
要解决的技术问题
为解决涡轮发电技术中存在的启动响应时间问题，通过涡轮机械储能的方法，提出一种满足瞬时脉冲负载对电源快速响应性能需求的冲击涡轮储能快速响应方法，同时可实现涡轮和发电控制的解耦。
技术方案
一种冲击涡轮储能快速响应发电系统，其特征在于包括阀门、涡轮、发电机、电源变换装置、瞬时脉冲性负载、转速传感器、控制装置；其中阀门接收高温高压气流和控制装置输出的控制信号，并与涡轮通过管道相连接，涡轮通过联轴器与发电机相连接，并向转速传感器传输转速信号，发电机通过导线与电源变换装置连接，电源变换装置通过导线与瞬时脉冲性负载连接，控制装置接收转速传感器的信号，对阀门和电源变换装置输出控制信号。
一种冲击涡轮储能快速响应发电方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过控制装置打开阀门利用高温高压气流带动涡轮高速旋转，储存机械动能；
步骤2：当瞬时脉冲性负载需要供电时，关闭阀门停止供气，利用涡轮转速降低产生的机械动能带动发电机发电，通过电源变换装置给瞬时脉冲负载供电；
步骤3：当转速传感器感应到涡轮转速下降到某一临界下限值时，通过控制装置打开阀门给涡轮通气；
步骤4：当转速传感器感应到涡轮转速上升到某一临界上限值时，重复步骤2，直到负载供电过程结束。
有益效果
本发明提出的一种冲击涡轮储能快速响应发电系统，具有如下技术效果：
(1)提出了一种新的储能发电方法，将能量以动能的形式存储起来，利用涡轮转速降低产生的机械动能带动发电机发电。
(2)相比常规涡轮发电技术，本发明方法消除了启动过程中的时间延迟，解决了快速响应问题。
(3)实现了涡轮和发电控制的解耦，使系统的控制更加简单。
(4)涡轮在气动下旋转起来后摩擦损失较小，可以维持较长的运转时间。
附图说明
图1为冲击涡轮储能快速响应发电系统原理结构图。
图2为系统工作流程图。
图3为系统能量变化和负载供电示意图。
图中：
1-阀门、2-涡轮、3-发电机、4-电源变换装置、5-瞬时脉冲性负载、6-转速传感器7-控制装置。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的工作流程参照附图1，包括1、阀门2、涡轮3、发电机4、电源变换装置5、瞬时脉冲性负载6、转速传感器7、控制装置；其中阀门1接收高温高压气流和控制装置7输出的控制信号，并与涡轮2通过管道相连接，涡轮2通过联轴器与发电机3相连接，并向转速传感器6传输转速信号，发电机3通过导线与电源变换装置4连接，电源变换装置4通过导线与瞬时脉冲性负载5连接，控制装置7接收转速传感器6的信号，对阀门1和电源变换装置4输出控制信号。
(1)储能状态：
高温高压气流经过阀门冲击涡轮加速转动，涡轮以动能的形式把能量存储起来，完成热能和压力势能到动能的能量转换过程，能量储存在高速旋转的涡轮中。
设涡轮质量为m，转子直径为d，由式(1)得涡轮的转动惯量为J。
气流冲击涡轮使转速达到w1，维持一个恒定的转速，由由式(2)得此时涡轮的转动动能为E1。
(2)供电状态：
负载需要供电时，阀门接收到控制信号关闭，释能时高速旋转的涡轮拖到发电机发电，经AC/DC、DC/DC等电力变换装置输出适用于负载的电压和电流。当涡轮转速降低到临界转速w2时，转速传感器将转速信号反馈给控制装置，阀门接收到控制信号打开，气流冲击涡轮使其转速重新上升到w1，继续依靠涡轮转速降低产生的机械动能带动发电机发电。涡轮动能在储能和供电状态中的的变化如图3所示。
当涡轮转速为w2时，由式(2)得转动动能为E2。当涡轮转速从w1降到w2时，由式(3)得转速降低提供的能量为E1-E2。
W＝ΔE(3)
一种采用所述冲击涡轮储能快速响应发电系统的实现方法用图2表示，详解为：
步骤1.通过控制装置打开阀门利用高温高压气流带动涡轮高速旋转，储存机械动能；
步骤2.当瞬时脉冲性负载需要供电时，关闭阀门停止供气，利用涡轮转速降低产生的机械动能带动发电机发电，通过电源变换装置给瞬时脉冲负载供电；
步骤3.当转速传感器感应到涡轮转速下降到某一临界下限值时，通过控制装置打开阀门给涡轮通气；
步骤4.当转速传感器感应到涡轮转速上升到某一临界上限值时，重复步骤2，直到负载供电过程结束。
