一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统

1.本发明涉及热力循环系统控制技术领域，特别是涉及一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统。


背景技术：

2.超临界co2(二氧化碳)布雷顿循环，由于其功率密度大，结构简单紧凑，效率高及工质安全无污染等特点受到广泛关注。目前，已在太阳能、核能、分布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域开展了大量的研究和应用，被认为是当前最具有发展前景的能量转换系统之一。
3.在实际运行中，超临界co2布雷顿循环系统的负荷，需要及时跟随不断变化的用户负荷，特别是作为电网调峰机组和舰船动力装置的系统，如何实现用户负荷的快速跟随，提高系统的机动性，是当前亟需解决的关键问题。
4.需要说明的是，目前的负荷调节方式众多，大多是利用控制器调整阀门开度以及压缩机转速等，但是由于超临界co2布雷顿循环系统庞大的热惯性问题，这些方法仍然不能满足系统高机动性的要求，急需新的控制系统解决此问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统。
6.为此，本发明提供了、一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，包括外界热源系统、超临界二氧化碳布雷顿循环、双伸轴电机、超级电容、负载、负荷控制器以及电容控制器；
7.外界热源系统，与超临界二氧化碳布雷顿循环相连接，用于为超临界二氧化碳布雷顿循环提供热量；
8.双伸轴电机的主轴与布雷顿循环系统的透平膨胀机的主轴相连接；
9.双伸轴电机和透平膨胀机，用于共同为负载提供动力；
10.超级电容与双伸轴电机通过电缆相连接，用于为双伸轴电机供电和存储双伸轴电机产生的电能；
11.负荷控制器，其与负载的功率测量信号输出端和超临界二氧化碳布雷顿循环相信号通讯，用于追踪负载需求的目标负荷，通过计算目标负荷与超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷之间的差值，产生相应的控制信号，控制增大或者减小超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷；
12.电容控制器，与双伸轴电机的信号控制端相信号通讯，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷和负载需求的目标负荷的大小，根据比较结果，控制对超级电容执行预设的充电或者放电操作。
13.优选地，双伸轴电机的主轴与布雷顿循环系统的透平膨胀机的主轴采用单轴并联的方式相连接。
14.优选地，超临界二氧化碳布雷顿循环，包括加热器、透平膨胀机、冷却器和压缩机；
15.加热器的热端入口，与外界热源系统的热源出口相连通；
16.加热器的工质出口，与透平膨胀机的工质入口相连通；
17.透平膨胀机的工质出口，与冷却器的工质入口相连通；
18.冷却器的工质出口，与压缩机的工质入口相连通；
19.压缩机的工质出口，与加热器的工质入口相连通。
20.优选地，外界热源系统，包括锅炉、核能、余热换热器或太阳能热源中的一种或多种。
21.优选地，超级电容与双伸轴电机的电力耦合；
22.超级电容用于为双伸轴电机供电，双伸轴电机也用于为超级电容放电；
23.其中，超级电容只起到在系统追踪负荷的非稳态过程中弥补负荷跟踪误差的作用。
24.优选地，负荷控制器，用于当超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷，大于负载需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环中的压缩机，降低压缩机的转速，从而减少超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷；
25.负荷控制器，还用于当超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷，小于负载需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环中的压缩机，增大压缩机的转速，从而增大超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷；
26.其中，为实现系统负荷的快速调整，负荷控制器在保证安全稳定的基础上，具有超调。
27.优选地，超临界二氧化碳布雷顿循环中还包括库存罐；
28.库存罐上设置有一个进口和一个出口；
29.所述进口通过第一阀门与压缩机的出口相连接；
30.所述出口通过第二阀门与压缩机的入口相连接；
31.负荷控制器，还用于通过调整库存罐配套的第一阀门和第二阀门开度，实现对超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷的相应调控。
32.优选地，电容控制器，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷和负载需求的目标负荷的大小，根据比较结果，获得超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷和负载需求的目标负荷的差值，该差值即为负荷跟踪误差，并将该差值作为对超级电容执行充电或者放电的控制信号，实际负荷大于目标负荷，则超级电容充电，反之，超级电容放电。
33.优选地，电容控制器，用于当超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷大于负载需求的目标负荷时，实时发出控制信号，控制双伸轴电机实时将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时充给超级电容，此时双伸轴电机分走一部分透平膨胀机的输出功；
34.电容控制器，还用于当超临界二氧化碳布雷顿循环实际负荷小于参考信号负载需求的目标负荷时，实时发出控制信号，控制超级电容将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时放电给双伸轴电机，此时双伸轴电机与透平膨胀机共同为负载提供动力。
35.优选地，电容控制器，与超级电容相信号通讯，还用于读取超级电容的实时荷电状
态，以及预先设置超级电容的荷电状态上限值和下限值；
36.电容控制器，用于当超级电容的实时荷电状态高于荷电状态上限值时，通过减小超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷，使得超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷低于负载的目标负荷，进而使得超级电容向双伸轴电机放电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷与目标负荷的差值；
37.以及，电容控制器，用于当超级电容的实时荷电状态低于荷电状态上限值时，通过增大超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷，使得超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷高于负载的目标负荷，进而使得双伸轴电机向超级电容充电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环的实际负荷与目标负荷的差值。
38.由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其设计科学，通过小型超级电容的充放电操作，来辅助以快速精准跟踪目标负荷，解决了现有系统存在的无法精准快速地跟踪目标负荷的问题，显著提高系统的机动性，具有重大的实践意义。
39.此外，对于本发明，由于可以利用控制器超调过程中的系统净功在目标负荷上下产生的正负误差震荡，使超级电容在负荷调整的过程中尽可能地充放电自平衡，从而可选用较小容量的电容，与传统混动系统相比，可显著减小储电设备容量。
附图说明
40.图1为本发明提供的一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统的结构示意图。
41.图2是应该本发明提供的一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统后，精准快速地贴合目标工况的效果示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
46.参见图1、图2，本发明提供了一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，包括外界热源系统1、超临界二氧化碳(co2)布雷顿循环2、双伸轴电机3、超级电容4、负载5、负荷控制器6以及电容控制器7；
47.外界热源系统1，与超临界二氧化碳布雷顿循环2相连接，用于为超临界二氧化碳布雷顿循环2提供热量；
48.双伸轴电机3的主轴与布雷顿循环系统2的透平膨胀机2-2的主轴采用单轴并联的方式相连接；
49.双伸轴电机3和透平膨胀机2-2，用于共同为负载5提供动力；
50.双伸轴电机3的动力输出端(例如动力输出轴)，与负载5的动力输入端相连接。
51.超级电容4，其与双伸轴电机3通过电缆相连接，用于为双伸轴电机3供电和存储双伸轴电机3产生的电能；例如，超级电容4的正极连接双伸轴电机3的正极，超级电容4的负极连接双伸轴电机3的负极；
52.在本发明中，具体实现上，超临界二氧化碳布雷顿循环2，包括加热器2-1、透平膨胀机2-2、冷却器2-3和压缩机2-4；
53.加热器2-1的热端入口，与外界热源系统1的热源出口相连通；
54.加热器2-1的工质出口，与透平膨胀机2-2的工质入口相连通；
55.透平膨胀机2-2的工质出口，与冷却器2-3的工质入口相连通；
56.冷却器2-3的工质出口，与压缩机2-4的工质入口相连通；
57.压缩机2-4的工质出口，与加热器2-1的工质入口相连通。
58.具体实现上，加热器2-1的热端出口，与外部大气环境(即外部场所)或者外部设备相连。需要说明的是，不同热源出口都不一样，可能排向大气，也可能回到热源发生器里面。
59.需要说明的是，加热器2-1的热端入口通过位于加热器2-1的壳体内腔，与热端出口相连通；即热端入口和热端出口，位于加热器2-1的壳体内腔两端。
60.加热器2-1的工质入口，通过位于加热器2-1壳体内腔中的连接管道，与加热器2-1的工质出口相连通；因此，从外界热源系统1输出的热源(例如太阳能热水器输出的热水，或者余热换热器输出的热水，或者锅炉输出的热水)，通过加热器2-1的热端入口进入到加热器2-1中，此时可以对加热器2-1中的工质进行加热处理，工质在吸收热量后，成为成高温高压状态的工质。
61.需要说明的是，超临界二氧化碳(co2)布雷顿循环2，可以是由顺次连接的加热器2-1、透平膨胀机2-2、冷却器2-3和压缩机2-4组成的基本循环，也可以是其他各类复杂的循环构型，如回热以及回热再压缩等构型。本发明的技术方案，对各类超临界co2布雷顿循环构型均适用。
62.具体实现上，冷却器2-3的冷端入口，与外部冷源发生装置的出口相连，外部冷源发生装置起到提供冷却介质和冷量的作用。
63.冷却器2-3的冷端出口，与外部冷源发生装置的入口相连，冷源发生装置起到提供冷却介质和冷量的作用。
64.需要说明的是，冷却器2-3的冷端入口通过位于冷却器2-3的壳体内腔，与冷端出口相连通；即冷端入口和冷端出口，位于冷却器2-3的壳体内腔两端。
65.冷却器2-3的工质入口，通过位于冷却器2-3壳体内腔中的连接管道，与冷却器2-3的工质出口相连通；因此，通过冷却器2-3的冷端入口进入的冷源(例如干空气或冷却水)，可以对通过冷却器2-3的工质入口进入的工质(具体是透平膨胀机2-2输出的低压工质)进行冷却处理，从而冷却成低压低温工质。
66.需要说明的是，在本发明中，外界热源系统1能够对加热器2-1中的工质进行加热升温，高压的工质在加热器2-1中吸收热量变为高温高压的工质，然后，从加热器2-1中排出的、具有高温和高压的工质，进入透平膨胀机2-2后转换成动能，在透平膨胀机2-2中，高温和高压的工质流过转子时流体冲击叶片，推动转子转动，从而驱动透平轴旋转，透平轴直接或间接经传动机构带动其他机械(例如双伸轴电机3)，输出机械功，将流体的能量转化为机械能，使工质膨胀为低压工质。
67.经透平膨胀机2-2膨胀做功后输出的低压工质，再经过冷却器2-3放热，释放热量，成为低压低温工质。然后，低温低压工质经压缩机2-4加压后，成为低温高压工质，然后回到加热器2-1中，并通过加热器2-1重新吸收热量成为高温高压工质，完成循环。
68.在本发明中，具体实现上，负载5，例如可以是电网调峰机组或者舰船动力装置，以及其他需要动力供给的现有设备。具体实现上，负载5可以是舰船的动力螺旋桨，并通过联轴器与双伸轴电机3的输出端相连。
69.在本发明中，具体实现上，冷却器2-3的冷源，包括干空气、冷却水、预设种类的制冷剂的一种或多种。
70.在本发明中，具体实现上，外界热源系统1，包括锅炉、核能、余热换热器或太阳能热源中的一种或任意多种，例如可以是锅炉或者太阳能热源输出热水，至加热器2-1的热端入口。
71.在本发明中，具体实现上，超级电容4与双伸轴电机3的电力耦合；
72.超级电容4用于为双伸轴电机3供电，双伸轴电机3也用于为超级电3容放电。
73.需要说明的是，超级电容4的容量设计的尽可能小，只起到在系统追踪负荷的非稳态过程中弥补负荷跟踪误差的作用。
74.在本发明中，需要说明的是，负载5需求的负荷(即目标负荷)，作为负荷控制器6的参考信号，负荷控制器6的目标是使超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)精确地追踪负载5需求的负荷(即目标负荷)。因此，超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际净输出功率，作为向负荷控制器6提供的实际负荷信号；
75.在本发明中，负荷控制器6，分别与负载5的功率测量信号输出端和超临界二氧化碳布雷顿循环2(具体是其中的压缩机2-4的工作状态信号输入端)相信号通讯，用于追踪负载5需求的目标负荷，通过计算目标负荷与超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷之间的差值，产生相应的控制信号，控制增大或者减小超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)；例如，当超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷，大于负载5需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环2中的压缩机2-4，降低压缩机2-4的转速，从而减少超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)，为实现系统负荷的快速调整，负荷控制器在保证安全稳定的基础上，具有较大的超调；又如，当超临界二氧化
碳布雷顿循环2的实际负荷，小于负载5需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环2中的压缩机2-4，增大压缩机2-4的转速，从而增大超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)，其中，为实现系统负荷的快速调整，负荷控制器在保证安全稳定的基础上，具有较大的超调；
76.需要说明的是，负载5上设置有功率传感器，功率传感器上的信号实时传递给负荷控制器6，让负荷控制器6获知负载5需求的目标负荷。
77.需要说明的是，超临界二氧化碳布雷顿循环2中的透平膨胀机2-2上有功率传感器，该功率传感器上的信号会传递给负荷控制器6，让负荷控制器6获知超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)。
78.在本发明中，具体实现上，负荷控制器6的输出信号端与压缩机2-4上的电机变频器的信号输入端相连接。压缩机2-4由内置电机驱动，负荷控制器6的控制信号为转速控制信号并传递给压缩机2-4上的电机变频器，电机变频器接收到转速控制信号后，会自动调整压缩机转速到指定值。压缩机2-4的转速改变后，会显著改变超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率。
79.如前所述，负荷控制器6，可以通过调整压缩机2-4转速大小，实现对超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)的相应调控。
80.此外，负荷控制器6，还用于通过调整库存罐配套的第一阀门和第二阀门(即充放阀门)开度，实现对超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)的相应调控。
81.需要说明的是，参见图1所示，超临界二氧化碳布雷顿循环2中还包括库存罐2-5；
82.库存罐(也叫工质储存罐)2-5上设置有一个进口和一个出口；
83.所述进口通过第一阀门2-6与压缩机2-4的出口相连接；
84.所述出口通过第二阀门2-7与压缩机2-4的入口相连接。当需要增大系统的输出功率的时候，打开第二阀门2-7控制进入系统的工质流量；当需要减小系统输出功率的时候，打开第一阀门2-6控制进入库存罐2-5的工质流量；
85.第一阀门2-6和第二阀门2-7均为电磁阀。
86.需要说明的是，整个负荷参考信号以一定的速率快速变化过程中，负荷控制器6通过对超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)的相应调控，尽快使整个超临界二氧化碳布雷顿循环2的输出功率(即系统的实际负荷)跟随参考信号(即负载5需求的目标负荷)，但是，仍然存在负荷跟踪误差(即负荷差值，也即在负荷控制器6进行调控后，仍然存在的超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷与负载5需求的目标负荷之间的差值)。
87.为此，参见图2所示，图2中，超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)是一条变化的曲线，负载5需求的目标负荷是两端线条连接而成的折线。
88.具体实现上，电容控制器7，与双伸轴电机3的信号控制端相信号通讯，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)和参考信号(即负载5需求的目标负荷)的大小，根据比较结果，获得超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)和参考信号(即负载5需求的目标负荷)的差值，该差值即为负荷跟踪误差，并将该差值作为对超级电容4执行充电或者放电的控制信号，实际负荷大于目标负荷，则超级电容充电，反之，超级电容放电。
89.需要说明的是，负载5上设置有功率传感器，可将实测的功率信号传递给电容控制
器7，让电容控制器7获知负载5需求的目标负荷。
90.需要说明的是，超临界二氧化碳布雷顿循环2中的透平膨胀机2-2上设置有功率传感器，可将实测的功率信号传递给电容控制器7，让电容控制器7获知超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)。
91.具体为：电容控制器7，用于当超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)大于参考信号(即负载5需求的目标负荷)时，实时发出控制信号，控制双伸轴电机3实时将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时充给超级电容4，此时双伸轴电机3分走一部分透平膨胀机2-2的输出功；
92.电容控制器7，还用于当超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)小于参考信号(即负载5需求的目标负荷)时，实时发出控制信号，控制超级电容4将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时放电给双伸轴电机3，此时双伸轴电机3与透平膨胀机2-2共同为负载5提供动力。
93.在本发明中，需要说明的是，超级电容4与电机3电力耦合，超级电容4可为电机3供电，电机3也可以为超级电容4放电；超级电容4容量设计的尽可能小，只起到在超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷追踪负载5的目标负荷的非稳态过程中，发挥弥补负荷跟踪误差的作用。
94.在本发明中，具体实现上，为实现系统负荷的快速调整，负荷控制器6在保证安全稳定的基础上，具有较大的超调，同时可以利用超调过程中系统净功率在目标负荷上下产生的正负误差震荡，使超级电容4在负荷调整的过程中尽可能地充放电自平衡，从而尽量减小电容的容量；负荷控制器6的类型包括但不限于pi、pid、mpc控制器。
95.在本发明中，具体实现上，电容控制器7，与超级电容4相连接，还用于读取超级电容4的实时荷电状态(soc)，以及预先设置超级电容4的荷电状态(soc)上限值和下限值；
96.电容控制器7，用于当超级电容4的实时荷电状态高于荷电状态上限值时，通过减小超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)，使得超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)低于负载5的目标负荷，进而使得超级电容4向双伸轴电机3放电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷与目标负荷的差值；
97.电容控制器7，用于当超级电容4的实时荷电状态低于荷电状态上限值时，通过增大超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)，使得超临界二氧化碳布雷顿循环2的净输出功率(即实际负荷)高于负载5的目标负荷，进而使得双伸轴电机3向超级电容4充电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷与目标负荷的差值。
98.需要说明的是，在每次负荷调整结束，系统到达稳态(即超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷等于负载5需求的目标负荷)后，设置超级电容4的soc的上下限，其中，如果超级电容的实时soc值高于所设上限值(如90％)时，通过调整超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷，使其低于负载5的目标负荷，超级电容4放电以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷与目标负荷的差值；如果超级电容soc值低于所设下限值(如10％)时，通过调整超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷使其高于负载5的目标负荷，超级电容4充电，以弥补实际负荷与目标负荷的差值。
99.为了更加清楚地理解本发明，下面介绍本发明各相关组件的功能。
100.超临界二氧化碳布雷顿循环2，主要用于为负载提供能量需求，具体包括以下组
件：
101.加热器2-1，用于加热工质；
102.透平膨胀机2-2，用于将工质的热能转化成动能，冷却器2-3用于冷却工质，压缩机2-4用于提高工质压力。
103.双伸轴电机3，用于一端连接透平膨胀机2-2，一端连接负载5，使双伸轴电机3和透平膨胀机2-2共同为负载5提供能量需求。
104.超级电容4与双伸轴电机3通过电缆相连接，用于为双伸轴电机3供电和存储电机产生的电能。
105.负载5，其产生能量需求，与双伸轴电机3相连。
106.负荷控制器6，其输出信号端与超临界二氧化碳布雷顿循环2的执行器(如压缩机)相通讯，用于追踪负载5需求的目标负荷，通过计算目标负荷与超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷之间的差值，产生相应的控制信号，控制增大或者减小超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷；
107.电容控制器7，与双伸轴电机3的信号控制端相通讯，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环2的实际负荷和负载5需求的目标负荷的大小，根据比较结果，控制对超级电容4执行预设的充电或者放电操作。
108.综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其设计科学，通过小型超级电容的充放电操作，来辅助以快速精准跟踪目标负荷，解决了现有系统存在的无法精准快速地跟踪目标负荷的问题，显著提高系统的机动性，具有重大的实践意义。
109.此外，对于本发明，由于可以利用控制器超调过程中的系统净功在目标负荷上下产生的正负误差震荡，使超级电容在负荷调整的过程中尽可能地充放电自平衡，从而可选用较小容量的电容，与传统混动系统相比，可显著减小储电设备容量。
110.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，包括外界热源系统(1)、超临界二氧化碳布雷顿循环(2)、双伸轴电机(3)、超级电容(4)、负载(5)、负荷控制器(6)以及电容控制器(7)；外界热源系统(1)，与超临界二氧化碳布雷顿循环(2)相连接，用于为超临界二氧化碳布雷顿循环(2)提供热量；双伸轴电机(3)的主轴与布雷顿循环系统(2)的透平膨胀机(2-2)的主轴相连接；双伸轴电机(3)和透平膨胀机(2-2)，用于共同为负载(5)提供动力；超级电容(4)与双伸轴电机(3)通过电缆相连接，用于为双伸轴电机(3)供电和存储双伸轴电机(3)产生的电能；负荷控制器(6)，其与负载(5)的功率测量信号输出端和超临界二氧化碳布雷顿循环(2)相信号通讯，用于追踪负载(5)需求的目标负荷，通过计算目标负荷与超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷之间的差值，产生相应的控制信号，控制增大或者减小超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷；电容控制器(7)，与双伸轴电机(3)的信号控制端相信号通讯，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷和负载(5)需求的目标负荷的大小，根据比较结果，控制对超级电容(4)执行预设的充电或者放电操作。2.如权利要求1所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，双伸轴电机(3)的主轴与布雷顿循环系统(2)的透平膨胀机(2-2)的主轴采用单轴并联的方式相连接。3.如权利要求1所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，超临界二氧化碳布雷顿循环(2)，包括加热器(2-1)、透平膨胀机(2-2)、冷却器(2-3)和压缩机(2-4)；加热器(2-1)的热端入口，与外界热源系统(1)的热源出口相连通；加热器(2-1)的工质出口，与透平膨胀机(2-2)的工质入口相连通；透平膨胀机(2-2)的工质出口，与冷却器(2-3)的工质入口相连通；冷却器(2-3)的工质出口，与压缩机(2-4)的工质入口相连通；压缩机(2-4)的工质出口，与加热器(2-1)的工质入口相连通。4.如权利要求1所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，外界热源系统(1)，包括锅炉、核能、余热换热器或太阳能热源中的一种或多种。5.如权利要求1所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，超级电容(4)与双伸轴电机(3)的电力耦合；超级电容(4)用于为双伸轴电机(3)供电，双伸轴电机(3)也用于为超级电(3)容放电；其中，超级电容(4)只起到在系统追踪负荷的非稳态过程中弥补负荷跟踪误差的作用。6.如权利要求3所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，负荷控制器(6)，用于当超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷，大于负载(5)需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环(2)中的压缩机(2-4)，降低压缩机(2-4)的转速，从而减少超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷；
负荷控制器(6)，还用于当超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷，小于负载(5)需求的目标负荷时，发送控制信号至超临界二氧化碳布雷顿循环(2)中的压缩机(2-4)，增大压缩机(2-4)的转速，从而增大超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷；其中，为实现系统负荷的快速调整，负荷控制器(6)在保证安全稳定的基础上，具有超调。7.如权利要求3所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，超临界二氧化碳布雷顿循环(2)中还包括库存罐(2-5)；库存罐(2-5)上设置有一个进口和一个出口；所述进口通过第一阀门(2-6)与压缩机(2-4)的出口相连接；所述出口通过第二阀门(2-7)与压缩机(2-4)的入口相连接；负荷控制器(6)，还用于通过调整库存罐配套的第一阀门和第二阀门开度，实现对超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷的相应调控。8.如权利要求1至7中任一项所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，电容控制器(7)，用于比较超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷和负载(5)需求的目标负荷的大小，根据比较结果，获得超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷和负载(5)需求的目标负荷的差值，该差值即为负荷跟踪误差，并将该差值作为对超级电容(4)执行充电或者放电的控制信号，实际负荷大于目标负荷，则超级电容充电，反之，超级电容放电。9.如权利要求8所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，电容控制器(7)，用于当超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷大于负载(5)需求的目标负荷时，实时发出控制信号，控制双伸轴电机(3)实时将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时充给超级电容(4)，此时双伸轴电机(3)分走一部分透平膨胀机(2-2)的输出功；电容控制器(7)，还用于当超临界二氧化碳布雷顿循环(2)实际负荷小于参考信号负载(5)需求的目标负荷时，实时发出控制信号，控制超级电容(4)将与负荷跟踪误差相对应的电功率实时放电给双伸轴电机(3)，此时双伸轴电机(3)与透平膨胀机(2-2)共同为负载(5)提供动力。10.如权利要求1至7中任一项所述的小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，其特征在于，电容控制器(7)，与超级电容(4)相信号通讯，还用于读取超级电容(4)的实时荷电状态，以及预先设置超级电容(4)的荷电状态上限值和下限值；电容控制器(7)，用于当超级电容(4)的实时荷电状态高于荷电状态上限值时，通过减小超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷，使得超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷低于负载(5)的目标负荷，进而使得超级电容(4)向双伸轴电机(3)放电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷与目标负荷的差值；以及，电容控制器(7)，用于当超级电容(4)的实时荷电状态低于荷电状态上限值时，通过增大超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷，使得超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷高于负载(5)的目标负荷，进而使得双伸轴电机(3)向超级电容(4)充电，以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环(2)的实际负荷与目标负荷的差值。

技术总结
本发明公开了一种小型超级电容辅助的超临界二氧化碳布雷顿循环负荷快速跟随控制系统，包括外界热源系统、超临界二氧化碳布雷顿循环、双伸轴电机、超级电容、负载、负荷控制器及电容控制器；外界热源系统与超临界二氧化碳布雷顿循环相连接；双伸轴电机的主轴与布雷顿循环系统的透平膨胀机的主轴相连接；双伸轴电机和透平膨胀机用于共同为负载提供动力；超级电容用于为双伸轴电机供电和存储电机产生的电能；负荷控制器，用于控制超临界二氧化碳布雷顿循环的负荷；电容控制器用于控制超级电容的充放电。本发明通过小型超级电容的充放电操作，辅助快速精准跟踪目标负荷，解决了现有系统存在的无法精准快速地跟踪目标负荷问题，显著提高系统机动性。著提高系统机动性。著提高系统机动性。


技术研发人员：王轩 王瑞 舒歌群 田华
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/5/23