CN110685890A - 一种发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：储能状态时，发电系统从电网吸收新能源电能，将新能源电能转化为压缩空气储存于高压气系统；发电状态时，在控制系统的作用下，经高压气系统、气液混合系统、液力发电系统以及通道切换系统将空气能转化为电能。改善可再生能源并网难、并网后消纳难导致的可再生能源所占消费比重低的问题。

Description

一种发电系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种发电系统。
背景技术
为提高非化石能源消费比重，保障电力安全供应和民生用热需求，需着力提高电力系统的调节能力及运行效率，从负荷侧、电源侧、电网侧多措并举，重点增强系统灵活性、适应性，破解新能源消纳难题，推进绿色发展。随着大规模风能/光伏资源的开发，我国风电/光伏的开发保持着快速发展的强劲势头，但新能源发电的超常规发展与电网建设相对滞后的矛盾日益明显，大规模具有随机性、问歇性、反调节性及出力波动大等特点的风电/光伏能源接入电网对系统的电压稳定、暂态稳定和频率稳定都有较大的影响，风电/光伏能源并网难、并网后消纳难等问题严重制约着能源结构的变革。水电机组具有停机迅速、调节速度快、调节范围宽广等特点，在系统内发挥着调峰调频等功能，然而，常规水电厂、抽水蓄能电厂在大规模新能源存储、能量转化方面作用有限，不能吸收丰沛的风电、太阳能等大规模可再生新能源电力，且对地势、地质有一定的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种发电系统，同时具备大规模能源的存储和发电功能，既具有类似于水电机组启停机迅速、调节速度快、调节范围宽广的特点，又实现能源的存储和能量转化，提高可再生能源所占的消费比重。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；
所述高压气系统包括N1组并列的A侧高压气子系统和N2组并列的B侧高压气子系统，N1≥1，N2≥0；
所述气液混合系统包括A侧气液混合子系统和B侧气液混合子系统；
所述液力发电系统包括一台原动机及其发电机组；
所述控制系统包括所述原动机、发电机组的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统，以及气压控制系统；
所述通道切换系统包括系统中的阀门及管道；
每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口连通对应气液混合子系统的进气口，A侧气液混合子系统的进液口与A侧液池连通，A侧气液混合子系统的出液口经液力发电系统、B侧气液混合子系统、B侧液池相连，A侧液池与A侧液源相连通，B侧液池与B侧液源相连通，各部件之间通过液阀或气阀控制通断。
进一步的，所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由高压气系统、通道切换系统以及控制系统共同实现；发电状态由高压气系统、气液混合系统、液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由液力发电系统液力发电。
进一步的，所述A侧气液混合子系统包括M1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括M2个B侧气液混合容器，M1≥1，当N2＝0时，M2＝0，当N2≠0时，M2≥1，所述气液混合容器分别与排气阀相连。
优选地，所述A侧气液混合子系统包括1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括0个B侧气液混合容器，所述B侧高压气子系统的组数N2为0组；或所述A侧气液混合子系统包括1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括1个B侧气液混合容器，所述B侧高压气子系统的组数N2≥1，所述气液混合容器分别与排气阀相连。
优选地，所述A侧液源位于下游，所述B侧液源位于上游，或所述A侧液源位于上游，所述B侧液源位于下游。
优选地，所述高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa。
优选地，所述液体为水、盐水或高密度液体。
优选地，所述气液混合容器具体为地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器。
优选地，所述液力发电系统的原动机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述原动机为水轮机、工业透平或液力透平。
优选地，所述发电系统能在河流、湖泊、海洋、海岛、以及山地和内陆具备液源的不同地形下实现。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高；
(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差，使该发电系统能在河流、湖泊、海洋、海岛、以及山地和内陆具备液源的不同地形下实现；
(3)当A侧位于下游时，B侧位于上游时，则实现自下游到上游的不循环液力发电，当A侧位于上游时，B侧位于下游时，则实现自上游到下游的不循环液力发电，使发电系统的实现更多样化；
(4)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；
(5)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明所述发电系统的原理框图；
图2为本发明实施例一发电系统的结构示意图；
图3为本发明实施例二发电系统的结构示意图；
图中：1：A侧气水混合容器一；2：B侧气水混合容器一；3：液力透平；11：A侧空气压缩机一；12：A侧高压储气罐一13：气阀一；14：气阀二；15：A侧高压气总阀；21：B侧空气压缩机一；22：B侧高压储气罐一23：气阀三；24：气阀四；25：B侧高压气总阀；31：水阀一；32：水阀二；71：排气阀一；72：排气阀二；81：进水阀一；82：排水阀一。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，如图1所示，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：储能状态时，发电系统从电网吸收新能源电能和多余电能，将电能转化为压缩空气储存于高压气系统；发电状态时，在控制系统的作用下，经高压气系统、气液混合系统、液力发电系统以及通道切换系统将空气能转化为电能。
所述高压气系统包括N1组并列的A侧高压气子系统和N2组并列的B侧高压气子系统，N1≥1，N2≥0，每组高压气子系统包括对应相连的空气压缩装置和高压储气容器；A侧高压储气容器和B侧高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa；采用多组高压气子系统是为了更多地吸收新能源电能和多余电能。
所述气液混合系统包括A侧气液混合子系统和B侧气液混合子系统，A侧气液混合子系统包括M1个A侧气液混合容器，B侧气液混合子系统包括M2个B侧气液混合容器，M1≥1，当N2＝0时，M2＝0，当N2≠0时，M2≥1，所述气液混合容器分别与排气阀相连。气液混合容器中的气体、液体按比例共存，所述液体为不限于水、盐水或高密度液体的任一液体介质，所述气液混合容器的实现方式不限于地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置、水下储气容器的形式。
液力发电系统包括一个原动机及其发电机组，所述原动机并不限于水轮机、工业透平、液力透平的形式，将液体中的能量转化为机械能，具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW；
控制系统包括所述原动机、发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统，以及气压控制系统等；所述气压控制系统具有通过控制阀门的开关实现气压调控的功能；
通道切换系统包括系统中的阀门及管道；
每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口连通对应气液混合子系统的进气口，A侧气液混合子系统的进液口与A侧液池连通，A侧气液混合子系统的出液口经液力发电系统、B侧气液混合子系统、B侧液池相连，A侧液池与A侧液源相连通，B侧液池与B侧液源相连通，各部件之间通过液阀或气阀控制通断。
为方便说明，在本发明列出的所有实施例中，所述原动机为液力透平，所述气液混合容器中的液体以水为工作介质。
在实施例一中，如图2所示，所述A侧气液混合子系统包括A侧气水混合容器一1，所述B侧气液混合子系统包括0个B侧气液混合容器，所述A侧高压气子系统的组数为2组，所述B侧高压气子系统的组数为0组；A侧高压储气容器的出口分别连接气阀一13、气阀二14的一端，气阀一13、气阀二14的另一端相连并连接A侧高压气总阀15的一端，A侧高压气总阀15的另一端连接A侧气水混合容器一1的进气口；A侧气水混合容器一1的进水口通过进水阀一81与A侧水池连接；A侧气水混合容器一1的出水口依次连接水阀一31、液力透平3、排水阀一82至B侧水池；A侧气水混合容器一1的出气口通过排气阀一71与外部空气连通。
储能状态运行时，气阀一13关闭，常压空气经A侧空气压缩机一11压缩后，存储于A侧高压储气罐一12中，A侧高压气子系统以此类推；
发电状态运行时，A侧气水混合容器一1从A侧水池中补充水源，A侧气水混合容器一1含有高压气体，，而水阀一31、排水阀一82打开，高压液流流经液力透平3到B侧水池中，驱动液力透平3对应的发电机组发电；通过排气阀一71调节、维持A、B侧压力或压差。
在实施例二中，如图3所示，所述A侧气液混合子系统包括A侧气水混合容器一1，所述B侧气液混合子系统包括B侧气液混合容器一2，所述A侧高压气子系统的组数为2组，所述B侧高压气子系统的组数为2组；A侧高压储气容器的出口分别连接气阀一13、气阀二14的一端，气阀一13、气阀二14的另一端相连并连接A侧高压气总阀15的一端，B侧高压储气容器的出口分别连接气阀三23、气阀四24的一端，气阀三23、气阀四24的另一端相连并连接B侧高压气总阀25的一端，A侧高压气总阀15和B侧高压气总阀25的另一端分别连接对应的气水混合容器的进气口；A侧气水混合容器一1的进水口通过进水阀一81与A侧水池连接；A侧气水混合容器一1的出水口依次连接水阀一31、液力透平3、水阀二32至B侧气水混合容器一2的进水口，B侧气水混合容器一2的出水口通过排水阀一82与B侧水池连通；A侧气水混合容器一1的出气口通过排气阀一71与外部空气连通。
储能状态运行时，气阀一13关闭，常压空气经A侧空气压缩机一11压缩后，存储于A侧高压储气罐一12中，A侧高压气子系统以此类推；气阀三23关闭，常压空气经B侧空气压缩机一21压缩后，存储于B侧高压储气罐一22中，B侧高压气子系统以此类推；
发电状态运行时，A侧气水混合容器一1从A侧水池中补充水源，A侧气水混合容器一1含有高压气体，而水阀一31、水阀二32打开，高压液流流经液力透平3到B侧气水混合容器一2中，驱动液力透平3对应的发电机组发电；通过排气阀一71、排气阀二72调节、维持A侧气水混合容器一1与B侧气水混合容器一2的压力或压差；与B侧气水混合容器一2相连的B侧高压气子系统一方面不仅通过高压气使B侧气水混合容器一2中的水流入B侧水池，也可和排气阀一同用于调节、维持压差；另一方面，当将液力透平3的方向更换为从B侧到A侧，或将液力透平3更换为双向液力透平，则可以实现从B侧到A侧发电。
本发明的实施例均通过气压控制系统控制排气阀，调节、维持A、B侧的压力差，压力差的给定曲线可能是恒定值，也可能是计划曲线，根据发电机组在电网中发挥的作用、运行和调度方式来决定，一般有AB侧气液混合容器压差恒定运行方式、AB侧气液混合容器变压差运行方式，其中AB侧气液混合容器压差恒定运行方式又分为A侧气液混合容器气压恒定方式、B侧气液混合容器气压恒定方式、AB侧气液混合容器气压均恒定方式和AB侧气液混合容器气压差恒定方式，AB侧气液混合容器变压差运行方式又分为A侧气液混合容器气压可变方式、B侧气液混合容器气压可变方式和AB侧气液混合容器气压均可变方式。
通过压力和压力差调节，使本发明有多种发电运行状态，包括A侧气液混合系统从A侧液池中补充液源，A侧高压气子系统的高压空气以及排气阀，使A侧气液混合系统中的高压液流流经液力发电系统到B侧气液混合系统或B侧液池中，液力发电系统发电；流入B侧气液混合系统的液流，再由B侧高压气子系统的高压空气使其流入B侧液池中。
而A侧液池与A侧液源相连通，B侧液池与B侧液源相连通，A侧液池从A侧液源取水，又经B侧液池流入B侧液源，如果A侧液源与B侧液源分别位于同一液流的下游和上游时，则实现自下游到上游的液力发电；如果A侧液源与B侧液源分别位于同一液流的上游和下游时，则实现自上游到下游的液力发电。
综上可知，通过上述的一种发电系统，所述系统具备以下优点：
(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高；
(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差，使该发电系统能在河流、湖泊、海洋、海岛、以及山地和内陆具备液源的不同地形下实现；
(3)本发明从A侧河道取液，水力发电后又回到B侧河道，节约资源，只需要临近天然河流、湖泊、海洋、水塘等水资源；
(4)当A侧位于下游时，B侧位于上游时，则实现自下游到上游的不循环液力发电，当A侧位于上游时，B侧位于下游时，则实现自上游到下游的不循环液力发电，使发电系统的实现更多样化；
(5)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；
(6)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展；
(7)本发明的气液混合容器的实现方式多样化、液体可以为任一介质，使用范围广，实用性强。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种发电系统，其特征在于，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；
所述高压气系统包括N1组并列的A侧高压气子系统和N2组并列的B侧高压气子系统，N1≥1，N2≥0；
所述气液混合系统包括A侧气液混合子系统和B侧气液混合子系统；
所述液力发电系统包括一台原动机及其发电机组；
所述控制系统包括所述原动机、发电机组的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统，以及气压控制系统；
所述通道切换系统包括系统中的阀门及管道；
每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口连通对应气液混合子系统的进气口，A侧气液混合子系统的进液口与A侧液池连通，A侧气液混合子系统的出液口经液力发电系统、B侧气液混合子系统、B侧液池相连，A侧液池与A侧液源相连通，B侧液池与B侧液源相连通，各部件之间通过液阀或气阀控制通断。
2.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由高压气系统、通道切换系统以及控制系统共同实现；发电状态由高压气系统、气液混合系统、液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由液力发电系统液力发电。
3.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述A侧气液混合子系统包括M1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括M2个B侧气液混合容器，M1≥1，当N2＝0时，M2＝0，当N2≠0时，M2≥1，所述气液混合容器分别与排气阀相连。
4.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述A侧气液混合子系统包括1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括0个B侧气液混合容器，所述B侧高压气子系统的组数N2为0组；或所述A侧气液混合子系统包括1个A侧气液混合容器，所述B侧气液混合子系统包括1个B侧气液混合容器，所述B侧高压气子系统的组数N2≥1，所述气液混合容器分别与排气阀相连。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种发电系统，其特征在于，所述A侧液源位于下游，所述B侧液源位于上游，或所述A侧液源位于上游，所述B侧液源位于下游。
6.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa。
7.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述液体为水、盐水或高密度液体。
8.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述气液混合容器具体为地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器。
9.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述液力发电系统的原动机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述原动机为水轮机、工业透平或液力透平。
10.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述发电系统能在河流、湖泊、海洋、海岛、以及山地和内陆具备液源的不同地形下实现。
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