[发明专利]基于粒子群算法的向心透平全工况仿真建模方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于粒子群算法面向压缩空气储能的向心透平全工况仿真模型建模方法及系统，该方法包括：确定向心透平动态仿真模型的输入量、输出量和模型参数；建立计及向心透平摩擦损失和冲角损失的向心透平仿真模型，并将求解向心透平仿真模型的过程进行优化；采用粒子群算法求解该优化问题，得到向心透平仿真模型输出量；采用循环迭代的处理方法降低因陷入局部最优值而带来的仿真误差；在Matlab/Simulink平台搭建基于粒子群算法的向心透平全工况仿真模块，该模块可以与Matlab/Simulink中的其他模型自由组合。通过本发明获得的仿真模型能够有效表现出向心透平在全工况下的运行情况，具有较低的仿真误差。

技术领域

本发明属于系统仿真建模领域，更具体地，涉及一种基于粒子群算法的向心透平全工况仿真建模方法及系统。

背景技术

压缩空气储能(Compressed-Air Energy Storage，CAES)技术具有成本低、寿命长、容量大、选址约束相对较少等优点，被认为是最具发展前景的大规模储能技术。但传统压缩空气储能技术具有三项明显的缺点：依赖化石燃料、循环效率较低、需要大型储气室。其中，超临界压缩空气储能(SC-CAES)技术被认为是解决上述三项缺陷的最有效方式之一。目前，我国已有多座SC-CAES示范工程正在建设。在SC-CAES系统中，透平是将空气内能转换为机械能的主要部件，其运行特性的好坏严重影响着系统的整体性能。在诸多透平类型中，向心透平具有结构简单、效率高等优点，在中小规模CAES系统中具有广泛的应用前景。我国目前已建成的位于河北廊坊的1.5MW SC-CAES示范系统就是采用4级向心透平作为膨胀机。因此，研究向心透平的全工况运行特性以及向心透平的仿真建模方法具有重要意义，而且是SC-CAES系统整体性能优化和动态特性分析的重要基础。

现阶段关于透平的仿真建模研究中，大多基于透平的静态热力学模型进行建模或针对活塞式透平进行动态仿真建模，研究针对向心透平的仿真建模方法相对较少。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于粒子群算法的向心透平全工况仿真建模方法及系统，由此解决现阶段关于透平的仿真建模研究中，大多基于透平的静态热力学模型进行建模或针对活塞式透平进行动态仿真建模，而研究针对向心透平的仿真建模方法相对较少的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于粒子群算法的向心透平全工况仿真建模方法，包括：

(1)确定向心透平全工况仿真模型的输入量、输出量和模型参数；

(2)根据所述输入量、输出量和模型参数建立计及向心透平摩擦损失和冲角损失的向心透平仿真模型；

(3)删除所述向心透平仿真模型中流过定子的气体质量流量和流过转子的气体质量流量相等的约束，并将所述向心透平仿真模型的求解过程转换为使得流过定子和转子气体质量流量间差距最小的优化问题；

(4)采用粒子群算法求解所述向心透平仿真模型的优化问题，并得到所述向心透平仿真模型的输出量。

优选地，所述向心透平全工况仿真模型的输入量为：透平入口气压p₁、透平入口温度T₁和转速N；所述向心透平全工况仿真模型的输出量为：透平出口气压p₃、透平出口温度T₃、透平的输出功率P、流过透平的气体质量流量透平的输出转矩τ、透平效率η、反动度DR以及向心透平定子和转子之间质量流量的差距所述向心透平全工况仿真模型的模型参数为：转子外径d₂、转子平均内径d₃、转子入口处叶片高度b₂、转子出口处叶片高度b₃、转子入口绝对角度α₂、转子入口相对角度β₂、转子出口相对角度β₃、定子摩擦损失系数ξ₂、转子摩擦损失系数ξ₃和膨胀比。