CN110905711B - 一种抽水储能自动化控制系统及自动控制方法 - Google Patents

一种抽水储能自动化控制系统及自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抽水储能自动化控制系统及自动控制方法，包括控制器、风机、发电机、水泵、蓄水池，所述控制器控制所述风机的输出功率，并根据负载的功率需求自动控制所述发电机的发电，在控制所述发电机发电时，调整蓄水池的高度，以调整抽水储能的功率输出时间，所述控制器还能够自动控制所述水泵进行泵水，实现抽水蓄能的自动控制。本发明能够实现抽水的自动控制，方便充分利用风能进行自动化的抽水控制。

Description

一种抽水储能自动化控制系统及自动控制方法
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种抽水储能自动化控制系统及自动控制方法。
背景技术
现有技术中，利用水的流动性进行发电是一种常规的发电方式，其控制方式普遍是根据检测的具体参数进行PID响应控制，充分利用水流的高度差进行驱动电机转动以实现水发电，在控制过程中主要是检测参数的精准度，这种方式适用大规模的水力发电，针对小规模的家庭式的能量传递控制，无法实现，家用的水力发电需要进行水的上泵以及向下流动控制，在现有家庭式用电控制中，如何实现不同发电装置的能量传递自动控制，是当前的应用难点，如何进行抽水的储能的自动控制，是比较难控制的，为了充分利用清洁能源，根据利用清洁能源的不同时间，进行抽水蓄能控制，是未来实现家庭储能的控制难点。
申请内容
本发明公开了一种抽水储能自动化控制系统，包括控制器、风机、发电机、水泵、蓄水池，所述控制器控制所述风机的输出功率，并根据负载的功率需求自动控制所述发电机的发电，在控制所述发电机发电时，调整蓄水池的高度，以调整抽水储能的功率输出时间，所述控制器还能够自动控制所述水泵进行泵水，实现抽水蓄能的自动控制。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述控制器控制所述风机输出的风能值具体如下：将风机对应风速的分为多个间隔区间，则每个间隔区间的中点值为WBi
Figure BDA0002313523420000011
其中，i＝1,2,……N,μ为平均风速，σ为风速标准偏差值，N为风速划分的间隔，其中每个步长为
Figure BDA0002313523420000012
风速变化区间为
Figure BDA0002313523420000013
m1为控制器第一调整系数；
求取每个步长的功率为Pi,
Figure BDA0002313523420000014
其中，Ni为每个步长的运行风速数据，Nt为运行风速的总数据；m2为控制器第二调整系数；
Figure BDA0002313523420000021
其中，A、B、C为常数，Vci为风机切入风速时的初始值电压，Vr为额定风速时的电压，Vco为风机切除风速时的电压，Pr为风机的额定输出功率；
所述控制器控制m1进行所述风机输出风速间隔区间的风速调节，以便调节风机的输出功率，当风速改变超过阈值时，所述控制器控制m2进行功率调节步长的改变，ε1为步长选择因子，通过所述控制器根据外部风力以及抽水需求进行选择。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述蓄水池包括上部蓄水池、下部蓄水池，所述发电机、水泵设置在上部蓄水池、下部蓄水池之间，当上部蓄水池低于第一高度阈值时，向所述控制器发送第一抽水信号，所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1,当上部蓄水池低于第二高度阈值时，向所述控制器发送第二抽水信号，所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
如果当前风机的输出功率小于负载的需求功率，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大所述ε1的值。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述上部蓄水池包括不同高度的第一上部蓄水池和第二上部蓄水池，第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·T1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·T2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值。
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述控制器包括高度判断模块、高度调节模块、功率预测模块、控制模块，所述高度判断模块用于判断所述上部蓄水池中的蓄水高度，所述高度调节模块用于接收功率预测模块预测的负载的需求功率值，调节所述第二上部蓄水池的高度，当预测功率时间较长时，则调整h2降低高度，所述控制模块用于控制风机的发电和发电机、水泵的发电和抽水。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述高度调节模块用于控制第二上部蓄水池底部的卡接部，当需要降低高度时，依次打开卡接部，使第二上部蓄水池在重力作用下向下移动，所述卡接部包括多个卡接块,所述多个卡接块等间距在竖直面上设置，所述控制器的高度调节模块根据控制所述卡接块调整所述第二上部蓄水池下降的高度。
一种如上述所述一种抽水储能自动化控制系统的自动控制方法，包括：
检测上部蓄水池的剩余水量高度，判断剩余水量高度是否低于第一高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第一抽水信号；
所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1；
判读上部蓄水池是否低于第二高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第二抽水信号；
所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
判断当前风机的输出功率是否小于负载的需求功率，如果是，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；
判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大ε1的值。
所述自动控制方法，所述控制器自动控制第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·qT1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·qT2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值；
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变，如果供应时间较长，则降低h2，如果供应时间较长，则保持h2不变。
为解决上述技术问题：本申请提出通过抽水进行储能的自动化控制系统，通过控制器的控制能够根据蓄水池的水量进行新能源的利用，调整风力发电机的输出的功率，满足抽水蓄能的抽水控制需求。作为本发明的主要改进点之一是，所述控制器控制m1进行所述风机输出风速间隔区间的风速调节，以便调节风机的输出功率，当风速改变超过阈值时，所述控制器控制m2进行功率调节步长的改变，ε1为步长选择因子，通过所述控制器根据外部风力以及抽水需求进行选择，通过控制风机的第一调整系数、第二调整系数等，根据抽水需求和负载需求功率调整风机的输入，快速满足控制器对抽水蓄能的自动化控制；作为本发明的领域改进点之一在于设置两个上部蓄水池，且其中一个蓄水池可以根据负载和风机之间的功率差值进行高度调整，且调整的高度时根据负载预测的当前功率时长进行调整的。本发明能够实现抽水的自动控制，根据蓄水池的高度、蓄水池发电机的效率等以及输出功率进行抽水的自动控制，方便进行能量的存储和备用。
附图说明
图1是本放抽水储能自动化控制系统示意图。
图2是本发明的控制器的示意图。
图3是本发明抽水储能自动化控制系统的自动控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，是本发明公开了一种抽水储能自动化控制系统的示意图，包括控制器、风机、发电机、水泵、蓄水池，所述控制器控制所述风机的输出功率，并根据负载的功率需求自动控制所述发电机的发电，在控制所述发电机发电时，调整蓄水池的高度，以调整抽水储能的功率输出时间，所述控制器还能够自动控制所述水泵进行泵水，实现抽水蓄能的自动控制。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述控制器控制所述风机输出的风能值具体如下：将风机对应风速的分为多个间隔区间，则每个间隔区间的中点值为WBi
Figure BDA0002313523420000051
其中，i＝1,2,……N,μ为平均风速，σ为风速标准偏差值，N为风速划分的间隔，其中每个步长为
Figure BDA0002313523420000052
风速变化区间为
Figure BDA0002313523420000053
m1为控制器第一调整系数；
求取每个步长的功率为Pi,
Figure BDA0002313523420000054
其中，Ni为每个步长的运行风速数据，Nt为运行风速的总数据；m2为控制器第二调整系数；
Figure BDA0002313523420000055
其中，A、B、C为常数，Vci为风机切入风速时的初始值电压，Vr为额定风速时的电压，Vco为风机切除风速时的电压，Pr为风机的额定输出功率；
所述控制器控制m1进行所述风机输出风速间隔区间的风速调节，以便调节风机的输出功率，当风速改变超过阈值时，所述控制器控制m2进行功率调节步长的改变，ε1为步长选择因子，通过所述控制器根据外部风力以及抽水需求进行选择。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述蓄水池包括上部蓄水池、下部蓄水池，所述发电机、水泵设置在上部蓄水池、下部蓄水池之间，当上部蓄水池低于第一高度阈值时，向所述控制器发送第一抽水信号，所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1,当上部蓄水池低于第二高度阈值时，向所述控制器发送第二抽水信号，所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
如果当前风机的输出功率小于负载的需求功率，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大所述ε1的值。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述上部蓄水池包括不同高度的第一上部蓄水池和第二上部蓄水池，第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·qT1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·qT2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值。
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变。
如图2所示，是本发明的控制器的示意图。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述控制器包括高度判断模块、高度调节模块、功率预测模块、控制模块，所述高度判断模块用于判断所述上部蓄水池中的蓄水高度，所述高度调节模块用于接收功率预测模块预测的负载的需求功率值，调节所述第二上部蓄水池的高度，当预测功率时间较长时，则调整h2降低高度，所述控制模块用于控制风机的发电和发电机、水泵的发电和抽水。
所述一种抽水储能自动化控制系统，所述高度调节模块用于控制第二上部蓄水池底部的卡接部，当需要降低高度时，依次打开卡接部，使第二上部蓄水池在重力作用下向下移动，所述卡接部包括多个卡接块,所述多个卡接块等间距在竖直面上设置，所述控制器的高度调节模块根据控制所述卡接块调整所述第二上部蓄水池下降的高度。
如图3所示，是本发明一种所述一种抽水储能自动化控制系统的自动控制方法的示意图，包括：
检测上部蓄水池的剩余水量高度，判断剩余水量高度是否低于第一高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第一抽水信号；
所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1；
判读上部蓄水池是否低于第二高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第二抽水信号；
所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
判断当前风机的输出功率是否小于负载的需求功率，如果是，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；
判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大ε1的值。
所述自动控制方法，所述控制器自动控制第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·qT1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·qT2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值；
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变，如果供应时间较长，则降低h2，如果供应时间较长，则保持h2不变。
本申请提出通过抽水进行储能的自动化控制系统，通过控制器的控制能够根据蓄水池的水量进行新能源的利用，调整风力发电机的输出的功率，满足抽水蓄能的抽水控制需求。作为本发明的主要改进点之一是，所述控制器控制m1进行所述风机输出风速间隔区间的风速调节，以便调节风机的输出功率，当风速改变超过阈值时，所述控制器控制m2进行功率调节步长的改变，ε1为步长选择因子，通过所述控制器根据外部风力以及抽水需求进行选择，通过控制风机的第一调整系数、第二调整系数等，根据抽水需求和负载需求功率调整风机的输入，快速满足控制器对抽水蓄能的自动化控制；作为本发明的领域改进点之一在于设置两个上部蓄水池，且其中一个蓄水池可以根据负载和风机之间的功率差值进行高度调整，且调整的高度时根据负载预测的当前功率时长进行调整的。本发明能够实现抽水的自动控制，根据蓄水池的高度、蓄水池发电机的效率等以及输出功率进行抽水的自动控制，方便进行能量的存储和备用。

Claims (5)

1.一种抽水储能自动化控制系统，其特征在于，包括控制器、风机、发电机、水泵、蓄水池，所述控制器控制所述风机的输出功率，并根据负载的功率需求自动控制所述发电机的发电，在控制所述发电机发电时，调整蓄水池的高度，以调整抽水储能的功率输出时间，所述控制器还能够自动控制所述水泵进行泵水，实现抽水蓄能的自动控制；所述控制器控制所述风机输出的风能值具体如下：
将风机对应风速的分为多个间隔区间，则每个间隔区间的中点值为WBi
Figure FDA0002676795170000011
其中，i＝1,2,……N,μ为平均风速，σ为风速标准偏差值，N为风速划分的间隔，其中每个步长为
Figure FDA0002676795170000012
风速变化区间为
Figure FDA0002676795170000013
m1为控制器第一调整系数；
求取每个步长的功率为Pi,
Figure FDA0002676795170000014
其中，Ni为每个步长的运行风速数据，Nt为运行风速的总数据；m2为控制器第二调整系数；
Figure FDA0002676795170000015
其中，A、B、C为常数，Vci为初始值电压时风机切入对应的风速，Vr为额定电压对应的风速时，Vco为风机切除时电压对应的风速时，Pr为风机的额定输出功率；
所述控制器控制m1进行所述风机输出风速间隔区间的风速调节，以便调节风机的输出功率，当风速改变超过阈值时，所述控制器控制m2进行功率调节步长的改变，ε1为步长选择因子，通过所述控制器根据外部风力以及抽水需求进行选择；所述蓄水池包括上部蓄水池、下部蓄水池，所述发电机、水泵设置在上部蓄水池、下部蓄水池之间，当上部蓄水池低于第一高度阈值时，向所述控制器发送第一抽水信号，所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1,当上部蓄水池低于第二高度阈值时，向所述控制器发送第二抽水信号，所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
如果当前风机的输出功率小于负载的需求功率，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大所述ε1的值；所述上部蓄水池包括不同高度的第一上部蓄水池和第二上部蓄水池，第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·qT1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·qT2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值；
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变。
2.如权利要求1所述一种抽水储能自动化控制系统，其特征在于，所述控制器包括高度判断模块、高度调节模块、功率预测模块、控制模块，所述高度判断模块用于判断所述上部蓄水池中的蓄水高度，所述高度调节模块用于接收功率预测模块预测的负载的需求功率值，调节所述第二上部蓄水池的高度，当预测功率时间较长时，则调整h2降低高度，所述控制模块用于控制风机的发电和发电机、水泵的发电和抽水。
3.如权利要求2所述一种抽水储能自动化控制系统，其特征在于，所述高度调节模块用于控制第二上部蓄水池底部的卡接部，当需要降低高度时，依次打开卡接部，使第二上部蓄水池在重力作用下向下移动，所述卡接部包括多个卡接块,所述多个卡接块等间距在竖直面上设置，所述控制器的高度调节模块根据控制所述卡接块调整所述第二上部蓄水池下降的高度。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述一种抽水储能自动化控制系统的自动控制方法，其特征在于，包括：
检测上部蓄水池的剩余水量高度，判断剩余水量高度是否低于第一高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第一抽水信号；
所述控制器接收到所述第一抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1；
判读上部蓄水池是否低于第二高度阈值，如果是，则向所述控制器发送第二抽水信号；
所述控制器接收到所述第二抽水信号后，检测当前风机的输出功率是否大于负载的需求功率，如果否，则增大所述m1并同时调节所述m2；
判断当前风机的输出功率是否小于负载的需求功率，如果是，则无论上部蓄水池是低于第一高度阈值还是低于第二高度阈值，均控制所述上部蓄水池继续向下部蓄水池输送水，驱动所述发电机进行发电；
判断当前风机的输出功率与负载的差值，计算风机输出功率的缺额，如果缺额过大，则加大ε1的值。
5.如权利要求4所述自动控制方法，其特征在于，所述控制器自动控制第一上部蓄水池放水发电的功率为：
PT1(t)＝ηcηTρgh1·qT1(t)
第二上部蓄水池放水发电的功率为：
PT2(t)＝ηcηTρgh2·qT2(t)
其中，ηc为发电机连接的变流器的效率，ηT为发电机的效率，ρ为水密度，g为重力常数，qT1(t)为第一上部蓄水池体积流量，qT2(t)为第一上部蓄水池体积流量；h1为第一上部蓄水池高度；h2为第二上部蓄水池高度；所述第一上部蓄水池为固定高度，即h1为固定值，所述第二上部蓄水池为可变高度，即h2为可变值；
则蓄水池的发电的功率为：
PT(t)＝PT1(t)+PT2(t)
所述控制器根据所述风机的输出功率与所述负载的需求功率，控制所述第一上部蓄水池和所述第二上部蓄水池有序打开，并根据预测负载的需求功率值的供应时间，控制所述h2的改变，如果供应时间较长，则降低h2，如果供应时间较长，则保持h2不变。
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