CN107676216B - 借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组功率的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力储能技术领域，尤其涉及到一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统及方法，包括：可变速抽蓄发电装置B分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，同时可变速抽蓄发电装置B与电网相连，自适应液压势能转换装置A的第一组液压缸分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，自适应液压势能转换装置A的第二组液压缸连接外部液体势能源E；可变速抽蓄发电装置B机组转速可变从而改变机组运行功率，高压缓冲池D通过气体的膨胀压缩改变与低压水池C的压强差以构造匹配转速的合适水头，自适应液压势能转换装置A改变两组液压缸的和面积比以匹配高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E的势能差。

Description

借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组功率的系统及方法
技术领域
本发明属于电力储能技术领域，尤其涉及到一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统及方法。
背景技术
随着大量间歇性、随机性可再生能源发电的并网运行，以往自动频率控制手段显得力不从心，储能系统由于其输出外特性具有响应速度快、精确控制、双向调节的特点，能够快速、精确地控制功率输出，非常符合电网调频的需求，基于储能技术的电力平衡控制已成为电网运行与控制的迫切需求。
储能系统有储能和发电两种模式，抽蓄发电机组多为恒速运行机组，发电时抽蓄发电机组即可快速启动紧急支援电网，又可以通过调速控制系统参与电网调频；储能模式运行时调速器可优化抽蓄机组导叶开度，但仅能提供紧急支援功能，不能对抽蓄机组的转速和功率进行调节，因而不能有效地参与电力系统功率调节和调峰。
抽蓄机组的输入功率与回转速度的三次幂成正比，即转速有一些变化时，输入功率会有很大幅度变化，通过速度调节可以实现功率大幅度地调整，但抽蓄机组转速变化会引起水头变化，不能稳定地储能和发电，不利于电力系统调频。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统及方法。
系统包括：自适应液压势能转换装置A、可变速抽蓄发电装置B、低压水池C、高压缓冲池D、外部液体势能源E，其中，可变速抽蓄发电装置B分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，同时可变速抽蓄发电装置B与电网相连，自适应液压势能转换装置A的第一组液压缸分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，自适应液压势能转换装置A的第二组液压缸连接外部液体势能源E；可变速抽蓄发电装置B机组转速可变从而改变机组运行功率，高压缓冲池D通过气体的膨胀压缩改变与低压水池C的压强差以构造匹配转速的合适水头，自适应液压势能转换装置A改变两组液压缸的和面积比以匹配高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E的势能差。
所述自适应液压势能转换装置A包括由多个不同截面积的液压缸所组成的第一组液压缸和第二组液压缸，每个液压缸中的活塞依次通过活塞杆互相连接，末端活塞杆与电机相连。
所述可变速抽蓄发电装置B为带变频调速装置的抽蓄发电机组，通过调节变频调速装置的频率，改变抽蓄发电机组转速。
所述外部液体势能源E由低压池和高压池构成，高压池采用与低压池有一定落差的水池或山体，或采用构造虚拟水头方式的密闭容器，所述密闭容器包括但不限于基于重物增压技术的活塞、基于空气压缩技术的密闭容器或采用二者的组合。
所述高压缓冲池D包括两种：具有压缩空气压强可调的密闭容器、可调节重物增压的活塞。
方法包括：
当所述可变速抽蓄发电装置B的转速下降以降低抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池D内气体膨胀以构造匹配转速的压强，方法为：采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移出气体或控制流入水量小于流出水量；或采用可调节重物增压的活塞减少重物；
当所述可变速抽蓄发电装置B的转速上升以增加抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池D内气体被压缩以构造匹配转速的压强，方法为：采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移入气体或控制流出水量小于流入水量；或采用可调节重物增压的活塞增加重物。
所述系统具有储能和发电两种运行方式：
所述储能运行方式为：电能驱动可变速抽蓄发电装置B将低压水池C中的水抽到高压缓冲池D中，从而驱动自适应液压势能转换装置A活塞运动，自适应液压势能转换装置A采用与高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池D流出到自适应液压转换装置A第一组液压缸的水量与从低压水池C流入到高压缓冲池D的水量一致，保持高压缓冲池D水头稳定，自适应液压势能转换装置A活塞运动，将外部液体势能源E的低压池的水抽到高压池，从而将电能转换成外部液体势能源E的势能；
所述发电运行方式为：外部液体势能源E势能做功，外部液体势能源E的高压池的水经自适应液压势能转换装置A的第二组液压缸流入低压池，驱动自适应液压势能转换装置A活塞运动，自适应液压势能转换装置A采用与高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池D流出到低压水池C的水量与从自适应液压转换装置A第一组液压缸流入到高压缓冲池D的水量一致，保持高压缓冲池D水头稳定，水从高压缓冲池D流入低压水池C驱动可变速抽蓄发电装置B做功，将外部液体势能源势能转换成电能。
本发明的有益效果包括以下几个方面：
采用可变速抽蓄发电装置通过改变机组转速调节其运行功率，扩大了发电时调节功率的范围，储能时能参与电力系统调峰，从而可以有效地调节抽蓄机组运行功率。
借助自适应液压势能转换装置改变两组液压缸和面积比，适应外部液体势能源水头差，满足各种储能需求。
采用自适应液压势能转换装置实现两种不同水头差的势能源间的能量转换，抽蓄机组运行不依赖于外部储能液压源液压差，有利于电力系统调频。
附图说明
图1为本发明一种借助压缩空气改变水头调节功率的系统结构示意图；
图2为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统外部液体势能源高压池采用基于空气压缩技术的密闭容器的实现方案图；
图3为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统外部液体势能源高压池采用基于重物增压技术的活塞的实现方案图；
图4为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统外部液体势能源高压池采用与低压池有一定落差的山体的实现方案图；
图5为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统外部液体势能源采用两种方式组合的实现方案图；
图6为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统高压缓冲池采用可调节重物增压的活塞的实现方案图；
图中标记：
A-自适应液压势能转换装置，B-可变速抽蓄发电装置，C-低压水池，D-高压缓冲池，E-外部液体势能源。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
图1为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统结构示意图。可变速抽蓄发电装置B分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，同时可变速抽蓄发电装置B与电网相连，自适应液压势能转换装置A的第一组液压缸分别与高压缓冲池D和低压水池C连接，自适应液压势能转换装置A的第二组液压缸连接外部液体势能源E。
自适应液压势能转换装置A包括多个不同截面积的液压缸组成的第一组液压缸和第二组液压缸、连接各液压缸的多个阀门、各液压缸中活塞以及连接活塞的活塞杆、电机和运行参数测量附属单元；可变速抽蓄发电装置B为采用加装变速装置的抽蓄发电装置，抽蓄发电装置可以是可逆式水轮发电机组，或者采用水泵，或者同时采用水轮发电机组和水泵，或者采用液压马达，变速装置可以是变频器；外部液体势能源E由低压池和高压池构成，高压池采用与低压池有一定落差的水池或山体，或采用构造虚拟水头方式的密闭容器，所述密闭容器包括但不限于基于重物增压技术的活塞、基于空气压缩技术的密闭容器或采用二者的组合；高压缓冲池D构造方法有两种：具有压缩空气压强可调的密闭容器、可调节重物增压的活塞。
图2、图3、图4、图5为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统外部液体势能源E高压池区别于图1的实施方案图。图1外部液体势能源E高压池采用与低压池有一定落差的水池的方式；图4外部液体势能源E高压池采用与低压池有一定落差的山体的方式，图中右侧为不规则山体，由于山体不规则、且流水情况多变，所以外部储能液压源E对外接口处的水头差是变化的；图2外部液体势能源E高压池采用基于空气压缩技术的密闭容器的方式；图3外部液体势能源E高压池采用基于重物增压技术的活塞的方式；图5外部液体势能源E高压池采用与低压池有一定落差的基于空气压缩技术的密闭容器的方式，基于空气压缩技术的密闭容器与低压池具有一定的高度差。
图6为本发明一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统高压池缓冲池D的一种实施方案图。图1-5高压缓冲池D采用具有压缩空气压强可调的密闭容器，图6高压缓冲池D采用可调节重物增压的活塞。
低压水池C与外部液体势能源E的低压池可通过水管道连接，如图2所示。
由流体力学，抽蓄发电装置的轴功率P与流量Q、水头H、效率η的关系为P＝9.81QHη，其中流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，若效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系，通过速度调节可以实现功率大幅度地调整。可变速抽蓄发电装置B机组转速可变从而改变机组运行功率，高压缓冲池D提供虚拟水头，采用自适应液压势能转换装置A实现两种不同水头的势能源间的能量转换。具体有储能和发电两种运行方式：
储能运行方式为：电能驱动可变速抽蓄发电装置B将低压水池C中的水抽到高压缓冲池D中，从而驱动自适应液压势能转换装置A活塞运动，自适应液压势能转换装置A采用与高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池D流出到自适应液压转换装置A第一组液压缸的水量与从低压水池C流入到高压缓冲池D的水量一致，保持高压缓冲池D水头稳定，自适应液压势能转换装置A活塞运动，将外部液体势能源E的低压池的水抽到高压池，从而将电能转换成外部液体势能源E的势能。
发电运行方式为：外部液体势能源E势能做功，外部液体势能源E的高压池的水经自适应液压势能转换装置A的第二组液压缸流入低压池，驱动自适应液压势能转换装置A活塞运动，自适应液压势能转换装置A采用与高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池D流出到低压水池C的水量与从自适应液压转换装置A第一组液压缸流入到高压缓冲池D的水量一致，保持高压缓冲池D水头稳定，水从高压缓冲池D流入低压水池C驱动可变速抽蓄发电装置B做功，将外部液体势能源势能转换成电能。
当功率要求改变时，可变速抽蓄发电装置B通过调节变频调速装置的频率，改变抽蓄发电机组转速，可变速抽蓄发电装置B转速下降以降低抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池D采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移出气体或控制流入水量小于流出水量，或采用可调节重物增压的活塞减少重物来构造匹配转速的压强；可变速抽蓄发电装置B转速上升以增加抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池D采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移入气体或控制流出水量小于流入水量，或采用可调节重物增压的活塞增加重物来构造匹配转速的压强。自适应液压势能转换装置A改变两组液压缸的和面积比以匹配高压缓冲池D相对于低压水池C势能差和外部液体势能源E的势能差。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种借助压缩空气改变水头调节抽蓄机组运行功率的系统，其特征在于，包括：自适应液压势能转换装置（A）、可变速抽蓄发电装置（B）、低压水池（C）、高压缓冲池（D）、外部液体势能源（E），其中，可变速抽蓄发电装置（B）分别与高压缓冲池（D）和低压水池（C）连接，同时可变速抽蓄发电装置（B）与电网相连，自适应液压势能转换装置（A）的第一组液压缸分别与高压缓冲池（D）和低压水池（C）连接，自适应液压势能转换装置（A）的第二组液压缸连接外部液体势能源（E）；可变速抽蓄发电装置（B）机组转速可变从而改变机组运行功率，高压缓冲池（D）通过气体的膨胀压缩改变与低压水池（C）的压强差以构造匹配转速的合适水头，自适应液压势能转换装置（A）改变两组液压缸的和面积比以匹配高压缓冲池（D）相对于低压水池（C）势能差和外部液体势能源（E）的势能差；
所述自适应液压势能转换装置（A）包括由多个不同截面积的液压缸所组成的第一组液压缸和第二组液压缸，每个液压缸中的活塞依次通过活塞杆互相连接，末端活塞杆与电机相连。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述可变速抽蓄发电装置（B）为带变频调速装置的抽蓄发电机组，通过调节变频调速装置的频率，改变抽蓄发电机组转速。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述外部液体势能源（E）由低压池和高压池构成，高压池采用与低压池有一定落差的水池或山体，或采用构造虚拟水头方式的密闭容器，所述密闭容器包括但不限于基于重物增压技术的活塞、基于空气压缩技术的密闭容器或采用二者的组合。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述高压缓冲池（D）包括两种：具有压缩空气压强可调的密闭容器、可调节重物增压的活塞。
5.一种基于权利要求1所述系统的运行功率方法，其特征在于，包括：
当所述可变速抽蓄发电装置（B）的转速下降以降低抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池（D）内气体膨胀以构造匹配转速的压强，方法为：采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移出气体或控制流入水量小于流出水量；或采用可调节重物增压的活塞减少重物；
当所述可变速抽蓄发电装置（B）的转速上升以增加抽蓄机组运行功率时，高压缓冲池（D）内气体被压缩以构造匹配转速的压强，方法为：采用具有压缩空气压强可调的密闭容器从气体管道移入气体或控制流出水量小于流入水量；或采用可调节重物增压的活塞增加重物。
6.一种基于权利要求1所述系统的运行功率方法，其特征在于，所述系统具有储能和发电两种运行方式：
所述储能运行方式为：电能驱动可变速抽蓄发电装置（B）将低压水池（C）中的水抽到高压缓冲池（D）中，从而驱动自适应液压势能转换装置（A）活塞运动，自适应液压势能转换装置（A）采用与高压缓冲池（D）相对于低压水池（C）势能差和外部液体势能源（E）势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池（D）流出到自适应液压转换装置（A）第一组液压缸的水量与从低压水池（C）流入到高压缓冲池（D）的水量一致，保持高压缓冲池（D）水头稳定，自适应液压势能转换装置（A）活塞运动，将外部液体势能源（E）的低压池的水抽到高压池，从而将电能转换成外部液体势能源（E）的势能；
所述发电运行方式为：外部液体势能源（E）势能做功，外部液体势能源（E）的高压池的水经自适应液压势能转换装置（A）的第二组液压缸流入低压池，驱动自适应液压势能转换装置（A）活塞运动，自适应液压势能转换装置（A）采用与高压缓冲池（D）相对于低压水池（C）势能差和外部液体势能源（E）势能差相匹配的两组液压缸和面积比，并控制单位时间从高压缓冲池（D）流出到低压水池（C）的水量与从自适应液压转换装置（A）第一组液压缸流入到高压缓冲池（D）的水量一致，保持高压缓冲池（D）水头稳定，水从高压缓冲池（D）流入低压水池（C）驱动可变速抽蓄发电装置（B）做功，将外部液体势能源势能转换成电能。
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