超临界CO2 布雷顿循环系统与超级电容耦合的高灵活性能量管理控制策略研究

针对超临界CO2 (sCO2 )布雷顿循环系统在高温高压条件下负载跟踪精度低、灵活性受限的问题，研究人员通过建立高精度动态模型，提出耦合超级电容(SC)的补偿策略及多模块能量管理控制方法。结果表明，该方法可实现10%/10s的负载变化率，显著提升系统灵活性，为可再生能源并网和热力系统调峰提供关键技术支撑。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，超临界二氧化碳(sCO₂
)布雷顿循环因其效率高、结构紧凑等优势，在核能、太阳能等领域展现出巨大应用潜力。然而，系统在600°C、20MPa的极端工况下，受热惯性大、温度变化率限制等因素制约，难以实现快速精准的负载调节。传统控制方法为保证安全性往往牺牲灵活性，负载变化率普遍低于5%/min，严重制约其在间歇性可再生能源并网中的应用。

河北工业大学的研究团队通过建立经实验数据验证的高精度动态模型，首次系统分析了控制策略对灵活性的影响机制。研究发现，阀门控制虽具有10%/10s的高响应潜力，但受限于换热器壁温变化率（需<2°C/min）的安全阈值。为此，团队创新性提出超级电容(SC)耦合方案：通过电容快速充放电补偿功率偏差，结合最小电容容量计算方法，构建了包含电容能量管理的多模块控制策略。实验证实，该策略在维持壁温安全的前提下，将负载跟踪误差降至可忽略水平，突破性地实现了10%/10s的负载变化率。

关键技术包括：1）基于热力学原理的sCO₂
系统动态建模与实验验证；2）通过参数敏感性分析确定壁温变化率为关键约束；3）开发SC容量优化算法与多模块协同控制框架。

研究结果部分：
控制策略对灵活性的影响
阀门控制响应最快但受壁温变化限制，库存控制误差较大（0.41-0.54MW）。通过PI参数优化可使壁温变化率降低18%，但无法突破物理极限。

超级电容耦合方案
提出SC补偿功率偏差的机理，推导出最小容量计算公式。仿真显示SC可将初始跟踪误差减少76%，实现μs级动态响应。

多模块控制策略验证
整合阀门控制、SC管理和传统PI调节，在100%-70%负载阶跃变化中，实际负载与参考信号偏差<0.5%，壁温变化率稳定在1.8°C/min。

结论指出，该研究首次实现sCO₂
系统高精度与高灵活性的统一：1）量化了不同控制方法的性能边界；2）SC耦合方案突破热惯性限制；3）多模块策略为智能电网调频提供新范式。成果发表于《Journal of Energy Storage》，对推动下一代热力系统与可再生能源协同发展具有重要工程价值。