CN109728591A - 调水储能电站 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环、同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站，包括河湖连通单元，动力机械单元，多能互补单元，调节测控单元，将水资源与水能在时间和空间耦合，连通相邻子流域、流域，连通电网、风电场、光伏电站、水电站、核电站、热电站、火电站等，构成河湖水道、河湖循环，构成调水储能系统、调水储能循环系统，不仅能够实现水资源和水能的双重利用，而且能够实现水资源和水能的双重循环利用，从而提供源源不断、疏蓄结合、调丰济枯、多能互补、填谷平峰、循环利用的生命之水、生态之水、生力之水，为高效利用水资源与水能提供一种解决途径。

Description

调水储能电站

技术领域

本发明属水资源与储能领域，涉及一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环，同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站。

背景技术

水是地球上极为重要的一种资源，不管是人类还是大自然，都离不开水的恩赐。然而，中国南方水多，汛期洪涝灾害频繁，水资源利用率普遍较低；北方尤其是西北缺水严重，累月经年持久干旱，大片国土沙漠化，雾霾沙尘弥散，生态环境脆弱。随着碳排放增加和全球气候变暖加剧，水资源与水生态变得更加严峻，水已成为影响和制约可持续发展的一个主要原因。

南水北调是新中国成立以来最大的调水规划，其中，中线工程和东线工程已经建成，中线高度依赖自流，注重穿越而不沟通所经河流水系；东线主要依赖梯级泵站，部分利用京杭大运河水道；此外，各种西线方案层出不穷。现有调水工程的功能仍然相当狭窄，局限于水的资源属性而忽视水的能源属性，忽视上游水资源贫乏、生态及地质环境脆弱的状况，并影响其下游水资源利用。

抽水蓄能是一种有效的大规模储能方式，其能源转换效率高达75%到80%。现有抽水蓄能电站各自为阵，止步于为发电而蓄能，局限于水的能源属性而忽视水的资源属性，忽视现有江河湖库和水利水电工程，陷入上下库“死循环”。近年，风力发电、光伏发电等具有间歇性、波动性的可再生绿色能源发展迅猛，各种弃能和电网不稳定对大规模储能系统的需求有增无减。

发明内容

发明要实现的目标

由于水资源的不平衡性、不确定性，中国南方汛期降雨多而弃水、北方降雨水少而缺水、以及枯水期干旱，无论是南方还是北方，都存在水资源供需矛盾和开发利用问题。由于能源和电网的不平衡性、不稳定性，无论是国家电网、还是南方电网，无论是可再生能源的风电、光伏、水电等， 还是核电、火电及生物质热电等，都存在电力供需矛盾和弃能问题。

为克服上述现有技术的缺陷并解决面临的问题，本发明提供一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环、同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站，既提升水资源配置与供给水平、有效应对国土空间水资源不均衡挑战，又提升国家骨干电网峰谷平衡能力、确保电网稳定与安全，为高效利用水资源与水能提供一种解决途径。

用于实现目标的方案

为了实现上述目标，本发明公布一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环，同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站。

所述调水储能电站主要包括：河湖连通单元，可由位于两个相邻子流域的河流、水库、湖泊、隧洞、明渠及管道等组成。动力机械单元，即调水储能机组，可由位于所述河湖连通单元的水轮机、发电机、水泵、水泵水轮机等组成。多能互补单元，可由风力发电机组、光伏阵列、水电机组、抽水蓄能机组、核电机组、生物质发电机组、火电机组和电网电源等组成。调节测控单元，可由闸门、变电站、采集器、控制器、调水储能智慧监测系统、调水储能智慧调度系统等组成。

基于所述河湖连通单元，组成相连的若干河湖连通单元，构成一种跨流域的河湖连通的水道，即河湖水道。基于所述河湖水道及其调水储能电站，构成调水储能系统。基于若干河湖水道，或一系列河湖水道，可构成河湖循环。基于所述河湖循环及其调水储能系统，构成调水储能循环系统。

所述动力机械单元，即调水储能机组，具有一种过鱼式水泵、一种过鱼式水泵水轮机，能够推进水生态平衡，保护珍稀鱼类、野生鱼类等向江河上游迁徙。

所述采集器，采集河湖水道的水位、水质、蓄水量、流量及泥沙等数据，采集跨子流域、跨流域的调水量数据，采集风力发电机组、光伏阵列、水电机组及抽水蓄能机组、火电机组、核电机组、生物质发电机组等机组的发电数据，采集电力系统的供电数据、用电数据等。

所述控制器，基于采集器所采集的水位流量数据、调水量数据、发电数据、供电数据和用电数据，在用电低谷或存在弃能时段，控制所述调水储能机组以抽水的模式运行，令本发明的调水储能电站进入储能模式并消纳多余能源，即填谷；在用电高峰和供电不足时段，控制所述调水储能机组以发电的模式运行，令本发明的调水储能电站向电网提供绿色能源，即平峰。

所述控制器，在不影响填谷平峰的条件下，当多能互补单元、调水储能系统以及调水储能循环系统有足够的多余能源时，能够自动协调控制所述调水储能机组以一边抽水一边发电的模式运行，令本发明的调水储能电站、在消纳多余能源的同时，向电网提供绿色能源，或向其它调水储能电站提供动力，从而保证在先进的调水储能技术设备和良好的经济效益基础上，充分利用调出流域或供水流域的水资源，实现向调入流域或需水流域持续调水。

所述调水储能智慧监测系统，基于网络技术、监测软件、传感器、测控装置等，主要针对水网和电网的水位、流量、雨量、水压、温度、光照、风力、气压、电压、电流、负载等数据，进行全方位实时监测。

所述调水储能智慧调度系统，基于所述调水储能监测系统的大数据，基于调水与储能并重，基于水资源调配与电网调控并重，基于疏蓄结合、调丰济枯、南水北用，基于多能互补、填谷平峰、循环利用，令水资源调度与水能调度无缝衔接。

所述动力机械单元——调水储能机组，能够充分利用多能互补单元的各类机组和电网电源，从而消纳多余能源，包括风能、光能、水能、核能、生物能源、化石能源等，达成多能互补，确保调水储能电站的顺利运行，实现日调节调水储能方案——至少能够承担一昼夜有一个用电低谷和一个用电高峰的电力负荷不均匀任务、储能过程和水力发电过程分开、水位上升和下降各为n小时、有效调水时间为n小时，一般n=6小时。从而，能够实现水资源和水能的双重利用。

所述调水储能电站，纳入本发明的调水储能系统，纳入本发明的调水储能循环系统，以其系统的水能相互补充，加以多能互补，能够确保调水储能电站的顺利运行，而且在一定时期内实现不间断调水储能方案——包括在日、周、月、季甚至年内，实施同步调水、同步消纳多余能源、同步储能发电。从而，不仅能够实现水资源和水能的双重利用，而且能够实现水资源和水能的双重循环利用。

发明的效果

与前述背景技术、已实现、已规划和正在实施的各种调水工程、河湖连通工程和包括抽水蓄能在内的储能工程相比，根据本发明提供的一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环，同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站及其特征和附图，本发明公开了以下技术效果：

本发明的调水储能电站，不仅用于跨流域水资源调配、打造河湖循环，而且用于电网填谷平峰、消纳多种能源。调水储能电站具有良好的通用性，既可独立应用于小范围的两个相邻子流域，又可构成河湖水道实现大范围的跨流域调水。基于本发明的调水储能电站，进一步构成本发明的河湖水道、调水储能系统，进一步构成本发明的河湖循环、调水储能循环系统，使调水储能电站具有强大的现实意义和深远的生态意义。

本发明的调水储能电站，将水资源与水能在时间和空间耦合，连通相邻流域，连通大型电网、风电场、光伏电站、水电站、核电站、热电站、火电站等，构成河湖水道、河湖循环，构成调水储能系统、调水储能循环系统，不仅能够实现水资源和水能的双重利用，而且能够实现水资源和水能的双重循环利用，从而提供源源不断、疏蓄结合、调丰济枯、多能互补、填谷平峰、循环利用的生命之水、生态之水、生力之水。

本发明的调水储能电站的突出优点，一是克服水资源的不均衡属性，令水资源跨越流域并构成河湖循环，服务于国土空间水资源配置，系统地调配国家水资源，有效提高水资源综合利用率；二是充分挖掘水的能源属性，广泛吸收风电、光电、水电、核电、热电、火电等各种弃能，高效储能于江河湖库，系统地调节国家骨干电网，使电网更加稳定、更加安全。

针对现有调水工程、河湖连通工程和包括抽水蓄能在内的储能工程的不足，本发明的实施过程中，应注重发挥主要江河湖库长期以来形成的兴利除害格局，注重发挥重大水利工程的作用，尽量结合水文地理优势，尽可能在长江以南江河流域中下游水资源富集之处加以连通，尽可能将水资源调配到三北即西北、华北及东北的江河流域之上游、源头乃至青藏高原腹地，促进国土时空的水资源高效利用与电网系统平衡，使水资源与水能得到双重循环利用，通过水循环推进水生态文明。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式的调水储能电站的总体结构的图。

图2是用于说明本发明的实施方式的调水储能系统与河湖水道的主体结构的图。

图3是用于说明本发明的实施方式的调水储能循环系统与河湖循环的主体结构的图。

图4是用于说明本发明的实施方式的河湖连通单元与调水储能机组的组合的典型案例的图。

图5是用于说明本发明的实施方式的调水储能电站的典型案例的图。

图6是用于说明本发明的实施方式的河湖水道的具体案例的图。

图7是用于说明本发明的实施方式的调水储能系统的具体案例的图。

附图标记：

调水储能机组，调水储能电站，调水储能系统；河湖连通单元；河湖水道。

多能互补单元；电网电源，水电机组，光伏阵列。

调节测控单元。

组合框架。

电网。

河流。

水库。

水泵，泵站，储能过程。

水轮发电机，水轮发电机组，发电过程。

电流方向。

调节测控信息。

水流方向；单向路由。

水流方向；双向路由；水平连通。

水流方向。

具体实施方式

为使本发明要实现的目标、用于实现目标的方案和发明效果更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细的说明。

图1用于说明本发明的实施方式的调水储能电站的总体结构。

一个调水储能电站包括四个相对独立的单元，分别是：河湖连通单元，调水储能机组，多能互补单元，调节测控单元。

一个河湖连通单元，由位于两个相邻子流域的河流、水库、湖泊、隧洞、明渠及管道等组成。

一个调水储能机组，即动力机械单元，由位于所述河湖连通单元的水轮机、发电机、水泵、水泵水轮机等组成。

一个多能互补单元，可由风力发电机组、光伏阵列、水电机组、抽水蓄能机组、核电机组、生物质发电机组、火电机组和电网电源等组成。

一个调节测控单元，由闸门、变电站、采集器、控制器、调水储能智慧监测系统、调水储能智慧调度系统等组成。

其中，多能互补单元向调水储能机组中的水泵或水泵水轮机，特别是过鱼式水泵、过鱼式水泵水轮机，提供储能所需电力；河湖连通单元的上下库与调水储能机组的连通方式包括三种，分别是：经水泵由下库流向上库，经水轮发电机由上库流向下库，经水泵水轮机使上下库双向连通。

如此，组成一个又一个调水储能电站，并且彼此关连，并与电网相连；其中，多能互补单元、调水储能机组直接与电网相连。

图2用于说明本发明的实施方式的调水储能系统与河湖水道的主体结构。

一个调水储能系统，由若干个调水储能电站组成，即包括调水储能电站1、调水储能电站2、调水储能电站3……调水储能电站n。

一条河湖水道，由若干条河湖连通单元组成，即包括河湖连通单元1、河湖连通单元2、河湖连通单元3……河湖连通单元n。

如此，组成一个又一个调水储能系统，并与电网相连；组成一条又一条河湖水道，并且彼此相连。

图3用于说明本发明的实施方式的调水储能循环系统与河湖循环的主体结构。

一个调水储能循环系统，由若干个调水储能系统组成，即包括调水储能系统1、调水储能系统2、调水储能系统3、调水储能系统4、调水储能系统5、调水储能系统6、调水储能系统7……调水储能系统n。

一个河湖循环，由若干条调河湖水道组成，即包括河湖水道1、河湖水道2、河湖水道3、河湖水道4、河湖水道5、河湖水道6、河湖水道7……河湖水道n。

如此，可组成一个又一个调水储能循环系统，一个又一个河湖循环。

图4用于说明本发明的实施方式的河湖连通单元与调水储能机组的组合的典型案例。

如图4所示，河湖连通单元由水库1、水库2、水库3与河流4组成，调水储能机组由水泵B1或过鱼式水泵B1、水轮发电机H3和水轮发电机H4组成；其中，水泵B1或过鱼式水泵B1连通上库之水库1与下库之水库2，水轮发电机H3连通上库之水库2与下库之水库3，水轮发电机H4连通上库之水库3与下游之河流4。

图5用于说明本发明的实施方式的调水储能电站的典型案例。

如图5所示，在图4的基础上，多能互补单元M1向水泵B1或过鱼式水泵B1提供储能所需电力，多能互补单元M1、水轮发电机H3和水轮发电机H4向电网输出电力；调节测控装置C1、C2和C3不仅采集和调控水库1、水库2、水库3与河流4的水情，而且控制多能互补单元M1、控制水泵B1或过鱼式水泵B1、控制水轮发电机H3和水轮发电机H4。

图6用于说明本发明的实施方式的河湖水道的具体案例。

如图6所示，大理水道91连通澜沧江53的小湾水库11与红河54至大黑公水库49，包括：

小湾水库11、分水凹水库111、分水凹水库113、分水凹水库115、福庆水库544、红河54、大黑公水库。

其中，分水凹水库111、113和115位于分水凹一带且水平连通、水位同步升降，均位于澜沧江53干流的左岸支流且天然情况下汇入小湾水库11；福庆水库544位于红河54干流的右岸支流；大黑公水库49位于红河54干流中游。

图7用于说明本发明的实施方式的调水储能系统的具体案例。

如图7所示，大理调水储能系统91包括：

大理水道91；泵站B11或过鱼式泵站B11；水轮发电机组H115、H544和红河54干流梯级水轮发电机组H54；由骨干电网电源P1与澜沧江53梯级水轮发电机组H53组成的多能互补单元M11；调节测控单元C1、C2和C3。

其中，多能互补单元M11向泵站B11或过鱼式水泵B11提供储能所需电力，多能互补单元M11、水轮发电机组H115、H544和H54向电网输出电力；调节测控单元C1、C2和C3采集小湾水库11、分水凹水库111、113、115、福庆水库544、红河54与大黑公水库49的水情并加以调控，而且控制多能互补单元M11、控制泵站B11或过鱼式泵站B11、控制水轮发电机组H115、H544和H54。

以上所述是本发明的一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环，同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站的总体结构、主体结构、典型案例和具体案例。应当指出，对于本领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明的思路、不付出原创劳动的前提下，还可以做出若干变形和改变。

Claims (10)

1.一种用于跨流域水资源调配、打造河湖循环、同时用于电网填谷平峰、消纳多种能源的调水储能电站，主要包括：

河湖连通单元，可由位于两个相邻子流域的河流、水库、湖泊、隧洞、明渠及管道等组成，

动力机械单元，即调水储能机组，可由位于所述河湖连通单元的水轮机、发电机、水泵、水泵水轮机等组成，

多能互补单元，可由风力发电机组、光伏阵列、水电机组、抽水蓄能机组、核电机组、生物质发电机组、火电机组和电网电源等组成，

调节测控单元，可由闸门、变电站、采集器、控制器、调水储能智慧监测系统、调水储能智慧调度系统等组成。

2.权利要求1所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

基于本发明的河湖连通单元，基于相连的若干河湖连通单元，构成一种跨流域的河湖连通的水道，即河湖水道，

基于本发明的河湖水道及其调水储能电站，构成调水储能系统，

基于本发明的若干河湖水道，或一系列河湖水道，可构成河湖循环，

基于本发明的河湖循环及其调水储能系统，构成调水储能循环系统。

3.权利要求1至2所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的动力机械单元，即调水储能机组，具有一种过鱼式水泵、一种过鱼式水泵水轮机，

本发明的过鱼式水泵、过鱼式水泵水轮机，能够推进水生态平衡，保护珍稀鱼类、野生鱼类等向江河上游迁徙。

4.权利要求1至3所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的采集器，采集河湖水道的水位、水质、蓄水量、流量及泥沙等数据，

本发明的采集器，采集跨子流域、跨流域的调水量数据，

本发明的采集器，采集风力发电机组、光伏阵列、水电机组及抽水蓄能机组、火电机组、核电机组、生物质发电机组等机组的发电数据，

本发明的采集器，采集电力系统的供电数据、用电数据等。

5.权利要求1至4所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的控制器，基于本发明的采集器所采集的所述水位流量数据、所述调水量数据、所述发电数据、所述供电数据和所述用电数据，

本发明的控制器，在用电低谷或存在弃能时段，控制所述调水储能机组以抽水的模式运行，令本发明的调水储能电站进入储能模式并消纳多余能源，即填谷，

本发明的控制器，在用电高峰和供电不足时段，控制所述调水储能机组以发电的模式运行，令本发明的调水储能电站向电网提供绿色能源，即平峰。

6.权利要求1至5所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的控制器，在不影响填谷平峰的条件下，当所述多能互补单元、当本发明的调水储能系统以及调水储能循环系统，有足够的多余能源时，能够自动协调控制本发明的调水储能机组以一边抽水一边发电的模式运行，令本发明的调水储能电站、在消纳多余能源的同时，向电网提供绿色能源，或向其它调水储能电站提供动力，保证在先进的调水储能技术设备和良好的经济效益基础上，充分利用调出流域或供水流域的水资源，实现向调入流域或需水流域持续调水。

7.权利要求1至6所述调水储能电站，其特征在于：

本发明的调水储能智慧监测系统，基于网络技术、监测软件、传感器、测控装置等，主要针对水网和电网的水位、流量、雨量、水压、温度、光照、风力、气压、电压、电流、负载等数据，进行全方位实时监测。

8.权利要求1至7所述调水储能电站，其特征在于：

本发明的调水储能智慧调度系统，基于本发明的调水储能监测系统的大数据，基于调水与储能并重，基于水资源调配与电网调控并重，基于疏蓄结合、调丰济枯、南水北用，基于多能互补、填谷平峰、循环利用，令水资源调度与水能调度无缝衔接。

9.权利要求1至8所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的动力机械单元——调水储能机组，能够充分利用多能互补单元的各类机组和电网电源，从而消纳多余能源，包括风能、光能、水能、核能、生物能源、化石能源等，达成多能互补，确保调水储能电站的顺利运行，实现日调节调水储能方案——至少能够承担一昼夜有一个用电低谷和一个用电高峰的电力负荷不均匀任务、储能过程和水力发电过程分开、水位上升和下降各为n小时、有效调水时间为n小时，一般n=6小时，能够实现水资源和水能的双重利用。

10.权利要求1至9所述本发明的调水储能电站，其特征在于：

本发明的调水储能电站，纳入本发明的调水储能系统，纳入本发明的调水储能循环系统，以其系统的水能相互补充，加以多能互补，能够确保调水储能电站的顺利运行，而且在一定时期内，实现不间断调水储能方案——包括在日、周、月、季甚至年内，实施同步调水、同步消纳多余能源、同步储能发电，不仅能够实现水资源和水能的双重利用，而且能够实现水资源和水能的双重循环利用。