CN105781644B - 电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法，包括如下步骤：（1）在电力系统负荷波谷时，通过电解器将其中的水电解为氢气和氧气；（2）将电解生成的氢气通过氧化还原反应存储在氢存储器中，将电解生成的氧气存储于氧存储器中；在电力系统负荷波峰时：（3）通过蒸汽发生器向氢存储器中引入过热蒸气，产生氢气和水蒸气的混合气体；（4）使用混合气体进行发电；所述步骤（4）中，混合气体不直接进入冷凝器，在通过蒸气轮机发电后，再将蒸气轮机出口的混合气体进行冷凝。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能发电装置以及控制方法，尤其是涉及一种多个发电机循环连接的储能发电装置以及控制方法。
背景技术
在能源短缺、环境保护和气候变化等问题日益突出的背景下，开发清洁能源，发展低碳经济，实现能源优化配置，成为了世界各国的共同选择。随着可新能源发电占比的不断提高，稳定发电出力波动、增强可调节性、改善电网消纳能力面临巨大挑战。
另一方面，传统电网在运行过程中遵循着电能生产——传输——使用的模式，因此其发电总量和负荷总量以及各种损耗之间必须每时每刻都保持大致上的平衡，不然就会造成电能质量恶化，频率和电压失稳，严重时甚至会引起大规模的恶性停电事故，对电力系统的安全和稳定运行造成严重威胁。因此，迫切需要在保证供用电连续性、可靠性、灵活性的同时，减缓电网扩容、降低运营成本。
储能技术是智能电网的必要组成部分，渗透于电力系统发、输、变、配、用的各个环节，可平抑峰谷差，减少发电功率调整，提高传统发电效率，降低燃料成本；提高黑启动安全性，降低事故发生率；提高电网安全性，在输配环节出现问题时提高备份电源；降低主干网扩容投入，节约大量扩容资金。
现有技术中，东南大学在201410604000.2的发明专利中提出了一种基于氧化还原反应的储能装置以及使用该储能装置发电的方法，其通过将冗余的电能通过电解水法制取氢气，实现电能向氢能的转化，然后以氢能作为储能载体，利用氧化还原反应将氢能存储在低价态的载氧体中。当系统需要产生电能满足电力系统负荷要求时，载氧体再将存储的氢能释放出来，并通过发电系统发电，从而又将氢能转化为电能。整个储能系统通过载氧体的氧化还原反应完成了电能和氢能的相互转化，从而实现电力系统削峰填谷、平滑负荷的目的。然而，该发明的技术方案中，由于从氢存储器出来的气体为氢水混合气，为了将其中的氢气提纯用于燃气发电，需要将氢存储器中的高温气体通过冷凝器进行降温，从而导致氢存储器出来的高温气体能量的浪费。
发明内容
本发明作为201410604000.2的发明专利的改进，提出了一种电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法，能够解决现有技术的上述问题。
作为本发明的一个方面，提供了一种电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法，包括如下过程：（1）在电力系统负荷波谷时，通过电解器将其中的水电解为氢气和氧气；（2）将电解生成的氢气通过氧化还原反应存储在氢存储器中，将电解生成的氧气存储于氧存储器中；在电力系统负荷波峰时：（3）通过蒸汽发生器向氢存储器中引入过热蒸气，产生氢气和水蒸气的混合气体；（4）混合气体进入第一蒸气轮机后，驱动第一蒸气轮机使与器耦合的第一蒸气发电机进行发电；（5）第一蒸气轮机输出的混合气体被冷凝后输入燃气轮机发电系统，驱动燃气轮机发电系统进行燃气发电；（6）燃气轮机发电系统输出的混合气体在进入热交换器，在其中加热后的过热蒸气输入第二蒸气轮机，驱动第二蒸气轮机使与其耦合的第二蒸气发电机进行发电；（7）通过热交换器的混合气体在经过冷凝后，氢气输入氢存储器，水进入用于给氢存储器的提供蒸气的蒸气发生器。
优选的，所述燃气发电中，冷凝后生成的氢气进入第一燃烧室，在其中生成的高温燃气进入第一燃气轮机，驱动第一燃气轮机使与其耦合的第一燃气发电机进行发电；第一燃气轮机输出的混合气体进入第二冷凝器，在第二冷凝器被冷却以后，得到高纯度氢气，该高纯度氢气输入第二燃烧室，第二冷凝器输出的水进入热交换器；第二燃烧室生成的高温燃气进入第二燃气轮机，驱动第二燃气轮机使与其耦合的第二燃气发电机进行发电。
优选的，在所述氧存储器上设置两个氧气出口，其中第一出口与所述第一燃烧室相通，第二出口与所述第二燃烧室相通；在所述第一冷凝器的出口设置气流流量传感器；根据所述气流传感器的流量控制所述第一出口和第二口的氧气流量；使通入所述第一燃烧室的氧气流量小于所述完全燃烧所述第一冷凝器出口氢气所需氧气流量的一半，使通过所述第二燃烧室的氧气流量小于所述完全燃烧所述第一冷凝器出口氢气所需氧气流量的四份之一。
优选的，在所述热交换器的混合气体出口与所述电解器之间设置第一通道和第二通道，所述第一通道设置冷凝器，所述冷凝器的氢气出口与所述氢存储器相通，所述冷凝器的水出口与所述蒸气发生器相通；所述第二通道与所述蒸气发生器直接相通；所述混合气体出口设置气体浓度传感器，当混合气体中氢气浓度高于最低阈值，开启所述第一通道，关闭所述第二通道；当混合气体中氢气浓度低于最低阈值，关闭所述第二通道，开启所述第一通道。
作为本发明的另外一个方面，提供用于上述控制方法的发电系统，包括：电解器，氢存储器，氧存储器，第一蒸气轮机，第二蒸气轮机，燃气轮机发电系统。
附图说明
图1是本发明实施例的储能发电系统的控制方法流程图。
图2是本发明实施例的电力系统负荷调节的储能发电系统的系统结构框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。
参见图1，本发明电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法，包括如下过程：（1）在电力系统负荷波谷时，通过电解器将其中的水电解为氢气和氧气；（2）将电解生成的氢气通过氧化还原反应存储在氢存储器中，将电解生成的氧气存储于氧存储器中；在电力系统负荷波峰时：（3）通过蒸汽发生器向氢存储器中引入过热蒸气，产生氢气和水蒸气的混合气体；（4）混合气体进入第一蒸气轮机后，驱动第一蒸气轮机使与器耦合的第一蒸气发电机进行发电；（5）第一蒸气轮机输出的混合气体被冷凝后输入燃气轮机发电系统，驱动燃气轮机发电系统进行燃气发电；（6）燃气轮机发电系统输出的混合气体在进入热交换器，在其中加热后的过热蒸气输入第二蒸气轮机，驱动第二蒸气轮机使与其耦合的第二蒸气发电机进行发电；（7）通过热交换器的混合气体在经过冷凝后，氢气输入氢存储器，水进入用于给氢存储器的提供蒸气的蒸气发生器。
在步骤（5）中，冷凝后生成的氢气进入第一燃烧室，在其中生成的高温燃气进入第一燃气轮机，驱动第一燃气轮机使与其耦合的第一燃气发电机进行发电；第一燃气轮机输出的混合气体进入第二冷凝器，在第二冷凝器被冷却以后，得到高纯度氢气，该高纯度氢气输入第二燃烧室，第二冷凝器输出的水进入热交换器；第二燃烧室生成的高温燃气进入第二燃气轮机，驱动第二燃气轮机使与其耦合的第二燃气发电机进行发电。
本发明实施例的储能发电系统的系统结构，参见图2。包括：电解系统，存储系统以及发电系统。其中电解系统包括，电解器1，在电力系统负荷波谷时，通过波谷电力将其中的水电解为氢气和氧气。存储系统包括气体混合器2，氢存储器3，电解冷凝器4，氧存储器5。其中，氢气在气体混合器2中与相组分均匀混合，然后通入氢存储器3中。氢存储器3的温度控制在900~950℃，在氢存储器3中，氢气与载氧体发生氧化还原反应，其中载氧体为Fe2O3，产生固相的载氧体和气相的高温蒸汽与氢气的混合物。氢存储器3中的高温蒸汽与氢气的混合物进入电解冷凝器4中，与电解冷凝器4中的给水换热，混合物中的高温蒸汽被冷凝下来，得到浓度较高的气相组分。高温蒸汽冷凝后产生的冷凝水与给水混合后，进入电解器1电解。电解器1中电解出的氧气，存储到氧存储器5中。
发电系统包括，蒸汽发生器6，第一蒸气轮机7、第一蒸气发电机8、第一冷凝器9、燃气轮机发电系统、第二蒸气轮机11、第二蒸气发电机12、热交换器13。电力系统负荷波峰时，对蒸汽发生器6以及氢存储器3进行加热，蒸汽发生器6中的蒸汽进入氢存储器3中，蒸汽与载氧体发生氧化还原反应，将载氧体氧化再生，产生高温的蒸汽和氢气的混合物。在氢存储器3中反应生成的氢气和水蒸气的高温混合气体进入第一蒸气轮机7后，驱动第一蒸气轮机7使与器耦合的第一蒸气发电机8进行发电，发出的电力传送给电力系统10。第一蒸气轮机7输出的混合气体在第一冷凝器9中被冷凝后输入燃气轮机发电系统，驱动燃气轮机发电系统进行发电。燃气轮机发电系统输出的混合气体在进入热交换器13，在其中加热后的过热蒸气输入第二蒸气轮机11，驱动第二蒸气轮机11使与其耦合的第二蒸气发电机12进行发电。通过热交换器13的混合气体在经过冷凝后，氢气输入氢存储器3，水进入用于给氢存储器3的提供蒸气的蒸气发生器5。通过上述的设置，使从氢存储器3出来的氢水混合气，不直接经过冷凝器降温，从而充分利用了氢存储器流出的高温能量，提高系统的发电性能。
优选的，为了提高燃烧效率并且避免燃烧温度过高，可以对于燃气轮机发电系统进行设置如下。燃气轮机发电系统包括：第一燃烧室14、第一燃气轮机15、与第一燃气轮机15耦合的第一燃气发电机16；第二冷凝器17、第二燃烧室18、第二燃气轮机19、与第二燃气轮机29耦合的第二燃气发电机20。第一冷凝器9中输出的氢气与氧存储器5输出的氧气在第一燃烧室混合燃烧，生成的高温燃气进入第一燃气轮机14，驱动第一燃气轮机14使与其耦合的第一燃气发电机15进行发电。第一冷凝器9输出的水进入热交换器。第一燃气轮机14输出的混合气体进入第二冷凝器17，在第二冷凝器17中被冷却以后，得到高纯度氢气，该高纯度氢气输入第二燃烧室18，与氧存储器输出的氧气在第二燃烧室中混合燃烧。第二冷凝器17输出的水进入热交换器。第二燃烧室18生成的高温燃气进入第二燃气轮机19，驱动第二燃气轮机19使与其耦合的第二燃气发电机20进行发电。其中，氧存储器5包括两个氧气出口，其中第一出口51与第一燃烧室14相通，第二出口52与第二燃烧室18相通。在第一冷凝器9的出口设置气流流量传感器，根据气流流量传感器检测的氢气流量控制第一出口51和第二出口52的氧气流量。使通入第一燃烧室14的氧气流量小于完全燃烧第一冷凝器9出口氢气所需氧气流量的一半，使通过第二燃烧室18的氧气流量小于完全燃烧第一冷凝器9出口氢气所需氧气流量的四份之一。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种电力系统负荷调节的储能发电系统的波峰波谷控制方法，包括如下步骤：（1）在电力系统负荷波谷时，通过电解器将其中的水电解为氢气和氧气；（2）将电解生成的氢气通过氧化还原反应存储在氢存储器中，将电解生成的氧气存储于氧存储器中；在电力系统负荷波峰时：（3）通过蒸汽发生器向氢存储器中引入过热蒸气，产生氢气和水蒸气的混合气体；其特征在于：（4）混合气体直接进入第一蒸气轮机后，驱动第一蒸气轮机使与其耦合的第一蒸气发电机进行发电；（5）第一蒸气轮机输出的混合气体在第一冷凝器被冷凝后输入燃气轮机发电系统，驱动燃气轮机发电系统进行燃气发电；（6）燃气轮机发电系统输出的混合气体再进入热交换器，在其中加热后的过热蒸气输入第二蒸气轮机，驱动第二蒸气轮机使与其耦合的第二蒸气发电机进行发电；（7）通过热交换器的混合气体在经过冷凝后，氢气输入氢存储器，水进入用于给氢存储器的提供蒸气的蒸气发生器；所述燃气发电中，冷凝后生成的氢气进入第一燃烧室，在其中生成的高温燃气进入第一燃气轮机，驱动第一燃气轮机使与其耦合的第一燃气发电机进行发电；第一燃气轮机输出的混合气体进入第二冷凝器，在第二冷凝器被冷却以后，得到高纯度氢气，该高纯度氢气输入第二燃烧室，第二冷凝器输出的水进入热交换器；第二燃烧室生成的高温燃气进入第二燃气轮机，驱动第二燃气轮机使与其耦合的第二燃气发电机进行发电；在所述氧存储器上设置两个氧气出口，其中第一出口与所述第一燃烧室相通，第二出口与所述第二燃烧室相通；在所述第一冷凝器的出口设置气流流量传感器；根据所述气流传感器的流量控制所述第一出口和第二出口的氧气流量；使通入所述第一燃烧室的氧气流量小于完全燃烧所述第一冷凝器出口氢气所需氧气流量的一半，使通过所述第二燃烧室的氧气流量小于所述完全燃烧所述第一冷凝器出口氢气所需氧气流量的四份之一。
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