CN109147514B - 一种适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统,它包括上库水箱、下库水箱、引流管道,引流管道在两端分别与上库水箱、下库水箱连通,上库水箱包括至少1个水箱单元,多个水箱单元为梯级分层结构设置,在引流管道上设有导叶、可逆式发电机机组,引流管道上端设有至少一根前端支管,每个水箱单元的第一出、进水端与一根前端支管对应连通,包括循环管,循环管的一端与下库水箱连通,另一端通过后端支管与水箱单元的第二出、进水端连通,在循环管上设有水泵。这样水泵抽水能够实现在实验时间段内持续发电所需的水量,减小水箱体积和容量,同时水泵抽水速率可以随发电用水量的变化而变化,使得水箱储水量一定,避免溢出或用尽。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电应用领域,具体涉及一种适用于教学实训和研究的循环式微型抽蓄储能系统。
背景技术
抽水蓄能系统是一种典型的电力系统储能系统,对于调频、调相以及稳定电力系统的周波和电压具有重大作用。对于电力系统储能领域知识的教学培训离不开具体的物理模型,因此,研究一种适用于教学研究的抽蓄储能系统,不仅可以用于研究在综合能源系统中其协调运行策略,还可以模拟水、机、电之间极其复杂的相互作用与影响过程,对于电力系统储能领域的教学培训和科学研究具有重要意义。实际的抽水蓄能系统由于供电需求和发展需要,其储能容量、建设规模比较庞大,在教学研究方面很难实现实际系统的等比例构建;实际的抽水蓄能系统需要考虑地理位置因素,多建设在江河之上,由于其地理位置和建筑面积等一些因素的限制,实际大型系统设备并不适合应用于教学培训的高校和科研所等地方;实际的系统设备规模庞大,其投入成本较高,加之其教学培训的目的,没有大量的资金投入。常规适用于教学研究的抽蓄储能系统具有以下两个主要问题:其一,教学培训时段内需保持系统持续发电,这样就会造成水箱容量必须制造足够大;其二,只能对应于一种规模的实际设备,无法模拟各种规模的抽水蓄能系统。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于研究综合能源系统中的协调运行策略以及模拟水、机、电之间极其复杂的相互作用与影响过程的循环式微型抽蓄式储能系统。
1)应用于教学培训和科学研究的抽蓄储能系统在实际设计应用时,通常需要考虑实验室空间构造,其占用空间必须符合实际情况。而抽蓄储能整个系统构造复杂,硬件较多,特别是要保证储水水箱的容量,以满足实验用水,这给模型尺寸的设计带来很多困难。本发明在上下库水箱之间加入水泵,构成循环系统,可以很大程度上减少水箱容量,有助于缩小整个模型的尺寸同时只需要对损耗水进行补充,就足以保证实验用水需求,更具有实用性和节能型。
2)应用于教学研究的循环式抽蓄储能系统,在研究其工作原理和相互作用时需要模拟不同的实际大型设备运行工况。但由于地理位置和建筑结构等因素的限制,在设计时很难等比例还原实际系统。系统物理模型的构建必须考虑占用空间的现实情况,所建教学模型只能对应一种规模的实际设备。针对此问题,本发明采用梯级分层上库水箱,通过电气控制系统控制上库四层水箱的任意一层打开,不同高度的水体下落会获得不同的势能,这样就会产生不同的水头。这种梯级分层式上库水箱的设计,使得整个物理模型既模拟了不同规模的抽蓄水电站,同样也达到了减小水箱容量的目的。
发明的目的是这样实现的:
一种适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统,它包括上库水箱、下库水箱、引流管道、循环管、电气控制系统,引流管道在两端分别与上库水箱、下库水箱连通,上库水箱包括多个水箱单元,多个水箱单元为梯级分层结构设置,在引流管道上设有导叶、可逆式发电机机组,引流管道上端设有多根前端支管,每个水箱单元的第一出、进水端与一根前端支管对应连通,循环管的一端与下库水箱连通,另一端通过后端支管与水箱单元的第二出、进水端连通,在循环管上设有水泵。
在水箱单元两端设有第一电控阀以及第二电控阀,电气控制系统包括主控制装置,主控制装置与现地控制单元连接,现地控制单元再分别与调速器机电合柜、励磁柜、开关柜连接,调速器机电合柜依次与仿真仪、变频器、开关柜连接。
在模拟同一水电站内的运行工况时采用以下步骤:
1)电气控制系统控制上库水箱中任意一个水箱单元连接的第一电控阀打开;
2)控制导叶控制流量,可逆式发电机机组工作;
3)下库水箱的水位传感器检测到水位信息传输给电气控制系统,电气控制系统根据水位高低控制水泵抽水流速;
4)电气控制系统控制上库水箱中任意一个水箱单元连接的第二电控阀打开。
在模拟不同水头水电站的运行工况时采用以下步骤:
1)设置需要模拟的水头,电气控制系统根据设置的水头控制上库水箱中已经打开的水箱单元连接的第一电控阀和第二电控阀关闭,打开对应水头的水箱单元所连接的第一电控阀;
2)控制导叶来控制流量,可逆式发电机机组工作;
3)下库水箱的水位传感器检测到水位信息传输给电气控制系统,电气控制系统根据水位高低控制水泵抽水流速;
4)电气控制系统控制上库水箱中在步骤1)所述水头对应水箱单元的第二电控阀打开。
在使用时采用以下步骤:
1)现地控制单元控制励磁柜,对物理模型的发电机进行调节励磁操作;
2)现地控制单元控制调速器机电合柜,对仿真仪进行改变电机转速的控制;
3)现地控制单元控制物理模型中第一电控阀与第二电控阀的关断,调节导叶,控制水泵。
采用上述技术方案,能带来以下技术效果:
1)水泵抽水能够实现在实验时间段内持续发电所需的水量,减小水箱体积和容量,同时水泵抽水速率可以随发电用水量的变化而变化,使得水箱储水量一定,避免溢出或用尽;
2)对上库水箱进行改进,采用梯级分层水箱设计,不同层的水箱打开使其上下库水箱之间高度不同,能够改变其势能来模拟不同水电站的水头;
3)能够通过电气控制系统来改变半实物仿真系统的故障工况,用以研究水电站故障问题的解决方案。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明:
图1是本发明物理模型系统的结构示意图;
图2是本发明的控制框图;
图3是本图1的结构框图。
具体实施方式
如图1至图3所示一种适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统,它包括上库水箱1、下库水箱3、引流管道4、循环管8、电气控制系统13,引流管道4在两端分别与上库水箱1、下库水箱3连通,上库水箱1包括多个水箱单元2,多个水箱单元2为梯级分层结构设置,在引流管道4上设有导叶5、可逆式发电机机组6,引流管道4上端设有多根前端支管7,每个水箱单元2的第一出、进水端与一根前端支管7对应连通,循环管8的一端与下库水箱3连通,另一端通过后端支管9与水箱单元2的第二出、进水端连通,在循环管8上设有水泵10。
在水箱单元2两端设有第一电控阀12以及第二电控阀11,电气控制系统13包括主控制装置14,主控制装置14与现地控制单元15连接,现地控制单元15再分别与调速器机电合柜16、励磁柜17、开关柜18连接,调速器机电合柜16依次与仿真仪19、变频器20、开关柜18连接。
在模拟同一水电站内的运行工况时采用以下步骤:
1)电气控制系统控制上库水箱1中任意一个水箱单元2连接的第一电控阀12打开;
2)控制导叶5控制流量,可逆式发电机机组6工作;
3)下库水箱3的水位传感器检测到水位信息传输给电气控制系统,电气控制系统根据水位高低控制水泵抽水流速;
4)电气控制系统控制上库水箱1中任意一个水箱单元2连接的第二电控阀11打开。
在模拟不同水头水电站的运行工况时采用以下步骤:
1)设置需要模拟的水头,电气控制系统根据设置的水头控制上库水箱1中已经打开的水箱单元连接的第一电控阀12和第二电控阀11关闭,打开对应水头的水箱单元所连接的第一电控阀12;
2)控制导叶5来控制流量,可逆式发电机机组6工作;
3)下库水箱3的水位传感器检测到水位信息传输给电气控制系统,电气控制系统根据水位高低控制水泵抽水流速;
4)电气控制系统控制上库水箱1中在步骤1)所述水头对应水箱单元的第二电控阀11打开。
本发明还包括电气控制系统,电气控制系统包括连接仿真系统的调速器机电合柜16、连接物理模型的励磁柜17以及现地控制单元15,可选的,仿真系统的型号可选RTLAB-8040。
在使用时采用以下步骤:
1)现地控制单元15控制励磁柜17,对物理模型的发电机进行调节励磁操作;
2)现地控制单元15控制调速器机电合柜16,对仿真仪进行改变电机转速的控制;
3)现地控制单元15控制物理模型中第一电控阀12与第二电控阀11的关断,调节导叶5,控制水泵10。
可选的,调速器机电合柜的型号可选MGC1000、连接物理模型的励磁柜的型号可选IAEC1000,以及现地控制单元的型号可选NSD500。
具体的,物理模型系统包括可逆式机组、梯级分层上库水箱、下库水箱、引流管道、水循环系统、电力负载、变压器。在规定时间内,电气控制部分控制系统正常运行,可逆式机组作发电机使用,水循环系统从下库水箱抽水至上库的该层水箱,保证该时间段内系统持续工作所需水量。如果要研究不同发电容量规模的水电站,只需控制系统打开梯级水箱不同层的水箱,模拟不同水电站的水头。停止教学培训时,可逆式机组作水泵使用,与水循环系统水泵联合抽水。
1、系统不同工况的功能:
(1)系统中水箱水位容量可调的特性模拟同一水电站内的运行工况
系统中,某一个水箱水位变化即容量变化,模拟同一水电站不同水位容量下的运行,学生通过电气控制系统,调节水泵抽水速度,使其与发电用水达成同步,水箱水位恒定,整个系统处于平衡状态;当地区干旱少雨,水电站处水位下降,对发电造成影响,而在本专利的这个系统中,体现在人为调节水速使储水箱水位可调,模拟实际中的各种水位,研究其对发电的不同影响。另外,还可以通过调节控制水阀的开度,进而影响单位时间的发电用水量,从而改变系统的发电功率,实现各种工况的教学实验。
在教学结束后,可以通过电气控制部分操作该系统的可逆式发电机机组作为水泵使用,和水循环系统水泵联合抽水,以便下次教学培训时使用。
(2)系统中分层式水箱模拟具有不同水头水电站的运行工况
在教学培训时,如果学生想要模拟不同等级的水电站工作状态,则需要通过电气控制系统进行切换操作。学生根据研究需要,对电气控制部分进行操作,从而对连接水箱的水阀进行控制,关闭现阶段运行状况下上库水箱已打开的水阀,打开上库水箱另外一层水箱水阀,改变上下库水箱高度差,获得不同势能,模拟不同等级下的水电站的水头。
教学结束后,运行机组电动机特性,结合外接的循环水泵,同时向上库水箱抽水,可以根据下次实验需求,控制其向不同水箱抽水储水。
2、系统的教学培训功能:
本发明以半实物仿真系统的模拟实验为基础,实物模型系统的物理实验相互论证的思想构建的教学平台。学生通过电气控制系统,可以在半实物仿真系统上进行紧急停机、空载运行的实验。此外,也可以对电气控制系统进行调控,解决半实物仿真系统模拟的各种非正常和故障运行工况。
系统可进行电机的象限运行切换实验。1)发电机原理实验:学生通过仿真系统人为设定发电用水量,电气控制系统接受设定信息,来控制上库水箱水阀打开,同时水循环系统水泵开始工作,当抽水流量与发电用水达成同步时,水箱水位容量恒定,单位时间发电量一定,循环系统处于平衡状态。当负载改变,需要调节机组发电功率,电气控制系统根据负载的变化,在循环水泵处响应,调整水速流量,使抽水流量和发电用水量再次同步,系统恢复平衡状态,这种设计使得储水箱水量恒定,可以满足长时间的实验用水需求;2)电动机原理实验:通过电气控制系统改变机组运行状态,作为电动机从下库水箱抽水,同时改变外接水泵的抽水方向,使其从上库水箱向下库水箱抽水,再次构成水循环。机组的电动机特性实验与其发电机实验过程相似,这里不在赘述。
该系统能够开展发电厂自动化教学实验,包括发电厂手动启动及自动程序启动实验、发电厂手动与自动准同期并网实验、水泵工况机组手动启动及自动程序启动实验、残压测频与齿盘测频实验、手动停机与自动程序控制停机实验、紧急停机试验、发电厂有功与无功功率控制实验。并且也能够进行励磁系统教学实验与培训,包括励磁系统静态试验、励磁系统负载试验、励磁系统空载试验。
Claims (2)
1.一种适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统,其特征在于:它包括上库水箱(1)、下库水箱(3)、引流管道(4)、循环管(8)、电气控制系统,引流管道(4)在两端分别与上库水箱(1)、下库水箱(3)连通,上库水箱(1)包括多个水箱单元(2),多个水箱单元(2)为梯级分层结构设置,在引流管道(4)上设有导叶(5)、可逆式发电机机组(6),引流管道(4)上端设有多根前端支管(7),每个水箱单元(2)的第一出、进水端与一根前端支管(7)对应连通,每个水箱单元(2)的第二出、进水端与一根后端支管(9)对应连通,循环管(8)的一端与下库水箱(3)连通,另一端通过后端支管(9)与水箱单元(2)的第二出、进水端连通,在循环管(8)上设有水泵(10);在水箱单元(2)两端设有第一电控阀(12)以及第二电控阀(11);电气控制系统(13)可接受设定信息,来控制第一电控阀(12)及第二电控阀(11)打开;第一电控阀(12)设置在前端支管(7)与水箱单元(2)之间,第二电控阀(11)设置在后端支管(9)与水箱单元(2)之间;
在模拟不同水头水电站的运行工况时采用以下步骤:
1)设置需要模拟的水头,电气控制系统根据设置的水头控制上库水箱(1)中已经打开的水箱单元连接的第一电控阀(12)和第二电控阀(11)关闭,打开对应水头的水箱单元所连接的第一电控阀(12);
2)控制导叶(5)来控制流量,可逆式发电机机组(6)工作;
3)下库水箱(3)的水位传感器检测到水位信息传输给电气控制系统,电气控制系统根据水位高低控制水泵抽水流速;
4)电气控制系统控制上库水箱(1)中在步骤1)所述水头对应水箱单元的第二电控阀(11)打开;
5)控制可逆式发电机机组(6)作为水泵使用,和水泵(10)联合抽水,以便下次教学培训时使用。
2.根据权利要求1所述的适用于教学培训和研究的循环式微型抽蓄式储能系统,其特征在于:所述电气控制系统(13)包括主控制装置(14),主控制装置(14)与现地控制单元(15)连接,现地控制单元(15)再分别与调速器机电合柜(16)、励磁柜(17)、开关柜(18)连接,调速器机电合柜(16)依次与仿真仪(19)、变频器(20)、开关柜(18)连接。
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Application publication date: 20190104 Assignee: Hubei Yunzhihang Drone Technology Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980044730 Denomination of invention: A Circulating Micro Pumped Storage Energy Storage System Suitable for Teaching, Training and Research Granted publication date: 20210831 License type: Common License Record date: 20231027 |