中小型的风电系统应用灵活、清洁环保,是开发可再生能源、缓解能源危机的重要手段之一,然而其需要接入储能装置以解决风机输出功率不稳定、弃风量巨大等问题。本文提出了一种采用压缩空气储能的新型风力压缩空气储能系统,采用基于涡旋式复合机的压缩空气储能,储能容量远超其他储能方式,而且环保、低成本、寿命长与风电系统集成优势显著。为使压缩空气储能与风电系统高效结合并平稳运行,本文从结构设计、涡旋式复合机特性建模分析和能量管理策略三个方面展开研究。系统的结构决定了风能转化为压缩空气内能的效率。系统的能量耦合结构可根据其能量流动方式分为电能耦合、机械能耦合、机电混合耦合三种,通过对传统结构的特性分析表明:采用机械耦合结构的系统具有高能量转换效率,而采用电能耦合方式的系统则具有高灵活易用性。为兼顾二者优点,本文设计优化了多种系统结构方案,从效率、成本、可行性等多方面进行对比和分析,最终采用了机电混合耦合的风力压缩空气储能系统结构。涡旋复合机既能做压缩机又能做膨胀机,分时复用可降低风力压缩空气储能系统的成本和空间占用。对涡旋压缩机的精确控制能够有效提高储能效率,针对现有涡旋机械模型复杂,不满足本系统的控制需求的问题,本文采用混合模型的建模方法,建立了涡旋压缩机的排气流量和负载转矩模型,并通过性能实验验证其有效性。通过分析排气流量、负载转矩随转速和排气压力的变化关系和摩擦、过/欠压压缩工况对储能效率的影响,得到提高涡旋压缩机效率的优化控制目标。本文将系统运行划分为多种工作模式,并给出各模式的具体控制目标,形成了对应风力压缩空气储能系统的能量管理策略,保证系统在多变工况下能够平稳运行。其中基于逻辑门限法的系统模式决策策略负责根据工况选择系统运行模式,而基于预同步的模式切换策略则保证系统在工作模式变化的暂态能够快速响应并稳定,通过整体系统仿真结果表明了该能量管理策略的有效性,也验证本文所设计系统的合理性和可行性。最后介绍了本文新型风力压缩空气系统实验平台的搭建,包括关键设备选择及参数的匹配。重点了阐述风机模拟功能的实现和齿轮传动比的优化选择方法。