CN113555910B - 一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具备新型智能化水电储能装备的能源微网系统，包括清洁能源发电系统和智能水电储能系统；清洁能源发电系统用于向用电负荷端输出清洁电能；当清洁能源发电系统产生的电能大于用电负荷端的需求，智能水电储能系统可将清洁能源发电系统产生的盈余电能转换为水势能；反之，又可将水势能转换为水电能输出至用电负荷端；本系统通过合理的补偿电能与储存电能，平衡了发电和负荷的波动，保证了能源微网能够安全稳定的运行。

Description

一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统

技术领域

本申请属于水电储能装备领域，具体涉及一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统。

背景技术

目前，我国抽水蓄能及其关键装备的研究集中于中大型抽水蓄能电站，在低水头微型水电储能方面国内相关技术尚处于空白期，国内微型水电还有巨大的开发潜力和市场空间。同时，国内微型水电储能相关装备也面临着种类匮乏、结构复杂、系列化和标准化程度低等问题，也给微型高效水电储能装备建设带来很大的挑战。

生物质、沼气、光伏、风能等新能源发电是清洁的发电方式，有利于减轻环境污染、减少温室气体的排放。然而新能源发电具有典型的不稳定性和间歇性，在发电模式全为新能源的微网中，由于没有任何传统稳定的发电方式作为支撑，使其发电系统稳定发电是一项极具挑战的任务。为了应对新能源发电的随机性，通常在能源微网中配置一定容量的储能设备，通过合理的补偿与储存电能，平衡发电和负荷的波动性，使能源微网能够安全稳定的运行。目前，储能方式中多采用蓄电池，虽然稳定且安全，但其造价高、维护成本大、不利于长期发展。

发明内容

本申请提出了一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统，为了应对清洁能源发电系统的不稳定性和间歇性，以及负载端的需求波动，采用智能水电储能系统配合清洁能源发电系统，根据清洁能源发电系统与负荷端的需电情况，智能水电储能系统可调整相应的工况模式，通过合理的补偿电能与储存电能，平衡发电和负荷的波动性，使能源微网能够安全稳定的运行。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统，包括清洁能源发电系统和智能水电储能系统；

所述清洁能源发电系统用于向用电负荷端输出清洁电能；

当所述清洁能源发电系统的供电数值大于所述用电负荷端的需电数值时，所述智能水电储能系统用于将所述清洁能源发电系统产生的所述清洁电能转换为水势能；

当所述清洁能源发电系统的所述供电数值小于所述用电负荷端的所述需电数值时，所述智能水电储能系统用于将所述水势能转换为水电能输出至所述用电负荷端；

所述智能水电储能系统包括智控单元和水电能量管理单元，所述智控单元用于根据所述清洁能源发电系统的所述供电数值和所述用电负荷端的所述需电数值，控制所述水电能量管理单元的工作模式。

优选的，所述清洁能源发电系统包括生物质发电系统、沼气发电系统、风能发电系统和光伏发电系统。

优选的，所述智控单元包括能量反馈单元、透平工况模型和水泵工况模型；

所述能量反馈单元用于对所述供电数值和所述需电数值进行监测，并生成供需数据；

根据所述供需数据，所述智控单元通过所述透平工况模型向所述水电能量管理单元发出透平运行指令，或通过所述水泵工况模型向所述水电能量管理单元发出水泵运行指令。

优选的，所述水电能量管理单元包括：中央控制器，水泵、泵反转透平装置、储水箱、变频器；

所述中央控制器分别与所述泵反转透平装置和所述变频器连接，所述中央控制器用于根据所述透平运行指令或所述水泵运行指令，控制所述泵反转透平装置和所述变频器；

所述水泵分别与所述泵反转透平装置、所述变频器和所述储水箱连接；

所述泵反转透平装置用于控制所述水泵的运行工况；

所述变频器用于控制所述水泵的转速；

所述水泵用于将所述清洁电能转换为水势能，或将所述水势能转换为水电能；

所述储水箱用于存储所述水势能。

优选的，所述运行工况包括透平运行工况和水泵运行工况；

所述透平运行工况是指将所述水势能转换为所述水电能；

所述水泵运行工况是指将所述清洁电能转换为所述水势能。

优选的，当所述供电数值大于所述需电数值时，所述运行工况为水泵运行工况；

当所述供电数值小于所述需电数值时，所述运行工况为透平运行工况；

当所述供电数值等于所述需电数值时，所述智能水电储能系统停止工作。

优选的，所述透平工况模型的建立过程包括如下步骤：

以水泵在做透平工况时效率最高为目标函数，建立透平工况目标函数；

根据透平功率与流量关系，设定透平工况边界条件。

优选的，所述水泵工况模型的建立过程包括如下步骤：

以水泵工况效率最高为目标函数，建立水泵工况目标函数；

根据水泵功率与流量关系，设定水泵工况边界条件。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统，包括清洁能源发电系统和智能水电储能系统，根据清洁能源发电系统与负荷端的需电情况，调整相应的工况模式，通过合理的补偿电能与储存电能，平衡发电和负荷的波动性，保证能源微网能够安全稳定的运行。本申请成本低、适应性广，可适应多种微网环境组合，具有广阔的推广空间和使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统总体结构示意图；

图2为本申请实施例中水电能量管理单元结构示意图；

图3为本申请实施例中智能水电储能系统透平运行工况运行机理示意图；

图4为本申请实施例中智能水电储能系统水泵运行工况运行机理示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，为本申请实施例的一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统，包括清洁能源发电系统和智能水电储能系统。

其中，清洁能源发电系统用于向用电负荷端输出清洁电能，其形式包括生物质发电系统、沼气发电系统风能发电系统和光伏发电系统，或者其他形式清洁能源发电系统，可依据当地的具体情况，选择其中一种或多种发电方式。

用电负荷端是清洁能源微网主要的用电设备或对象的总称。

水电储能装备是能源微网中的关键组成部分，兼顾发电和储能两种职责：当清洁能源发电系统的供电数值大于用电负荷端的需电数值时，智能水电储能系统用于将清洁能源发电系统产生的富余的清洁电能转换为水势能；当清洁能源发电系统的供电数值小于用电负荷端的需电数值时，智能水电储能系统用于将水势能转换为水电能输出至用电负荷端，弥补清洁能源发电系统的供电不足。

智能水电储能系统包括智控单元和水电能量管理单元，其中，智控单元用于根据清洁能源发电系统的供电数值和用电负荷端的需电数值，控制水电能量管理单元的工作模式，包括能量反馈单元、透平工况模型和水泵工况模型；能量反馈单元用于对供电数值和需电数值进行监测，并生成供需数据；根据供需数据，智控单元通过透平工况模型向水电能量管理单元发出透平运行指令，或通过水泵工况模型向水电能量管理单元发出水泵运行指令。

如图2所示，水电能量管理单元包括：中央控制器，水泵、泵反转透平装置、储水箱、变频器；中央控制器分别与泵反转透平装置和变频器通过电路连接，水泵分别与泵反转透平装置、变频器通过电路连接，与储水箱通过管路连接；中央控制器用于根据透平运行指令或水泵运行指令，控制泵反转透平装置和变频器，中央控制器可以采用可编程逻辑控制器，用来储存并执行智能化控制编程程序，赋予水泵等智能化运行；泵反转透平装置用于控制水泵的运行工况；变频器用于控制水泵的转速；水泵用于将清洁电能转换为水势能，或将水势能转换为水电能，是储能或发电的主要动力设备；储水箱用于存储水势能，在电网产生盈余电量时，通过水泵做功提升水的势能，将其存储在高位水箱中。为了确保调控精度，在水泵与储水箱之间增加电动阀门，通过调节阀门开度，调节水的流量。进一步的，可根据实际需要，增加止回阀用于防止水的回流，增加传感器用于采集管路流量等信号。在本实施例中，运行工况包括透平运行工况和水泵运行工况；透平运行工况是指将储水箱中的水势能通过水泵转换为水电能，并输出至用电符合端；水泵运行工况是指将富余的清洁电能转换为储水箱中的水势能。当供电数值大于需电数值时，运行工况为水泵运行工况；当供电数值小于需电数值时，运行工况为透平运行工况；当供电数值等于需电数值时，智能水电储能系统停止工作。

对于透平运行工况，需先建立透平工况模型，再通过智能优化算法对某特定透平工况下求解模型，构成一种用于清洁能源微网系统的智能水电储能系统的透平运行工况。

基于上述系统方案，在建立透平工况模型后，(1)根据当前用电负荷，获取其需补偿的电量；(2)依据函数关系，根据所需发电量换算出所需透平功率；(3)根据流量与功率之间的函数关系，将功率需求转换为流量需求；(4)最后通过智能优化算法，求解透平工况模型，即可得出匹配当前用电需求下所需的最佳透平工况，控制电动阀门使流量达到优化计算所得的流量值。

其中，建立透平工况模型包括，建立其目标函数及设定边界条件。

(1)建立透平工况目标函数：

以水泵在做透平工况时效率最高为目标函数，其公式为：

其中Q₁为透平工况下的流量，Q_th1为设计透平工况下的额定流量；η₁为透平工况下的效率，η_th1为设计透平工况下的额定效率；

为效率与流量之间的关系式，通常该关系式可通过试验拟合多项式得到，maxη₁水泵在做透平工况时效率最高为目标函数。

(2)设定边界条件：

透平功率与流量存在函数关系，其公式为：

其中P₁为透平工况下的功率，P_th1为设计透平工况下的额定功率；

为功率与流量之间的关系式，通常该关系式可通过试验拟合多项式得到。

为满足用电系统的需求，计算得出的功率应大于系统所需的实际功率，如下：

P₁＞P_req1

其中P_req1为透平工况下系统所需的功率。

在水泵做透平时，处在小流量情况下，透平所做功仅能克服自身损失而无法做到发电的需求，因此需对流量做出限定：

Q₁＞Q_min

通常Q_min为0.3～0.4倍设计工况下Q_th1的大小，具体的以泵的性能为标准。

鉴于发电系统与用电系统具有不稳定性和间歇性，当其发电无法满足负荷时，需通过水泵做透平发电来供给负荷，为了使微网系统运行稳定，在确定获取其需补偿的电量时，透平供给的电量应大于此时实际所需补偿的电量。因此，此时供给的电量应符合以下条件：

W₁＝K₁·W₀₁

其中W₀₁为负荷实际所需电量，W₁为透平需供给电量，K₁为透平工况阈值常数，为保证微网的稳定性，其值通常大于1，具体的值应根据某微网在实际运行中的特性确立；需注意的是，K₁值过大则会浪费过多的能源，过小则影响系统运行的稳定性，可根据日常运行的样本数据确定符合该系统的K₁值。

据此，所需发电量与透平功率之间的关系式可表示为：

W₁＝Z₁(P_req1,t₁)

其中t₁为透平工况运行的时间，则透平需供给电量与透平功率可通过函数Z₁(P_req1,t₁)换算。

图3为透平运行工况下的系统整体运行流程示意图。

对于水泵运行工况，需先建立水泵工况模型，再通过智能优化算法对某特定水泵工况下求解模型，得出最优方案，最后控制相应的设备，使水泵达到最佳运行工况，构成一种用于清洁能源微网系统的智能水电储能系统的水泵运行工况。

基于上述技术方案，在建立其水泵工况模型后，(1)根据当前发电系统与用电系统的状况，计算其盈余发电量；(2)依据函数关系，根据盈余发电量计算出所需水泵功率；(3)通过智能优化算法，求解水泵工况模型，即可得出匹配当前盈余电量下所需的最佳水泵工况。(4)最后通过控制电动阀门和变频器，使水泵的转速和管路流量达到优化计算所得到的值。

其中，建立水泵工况模型包括，建立其目标函数及设定边界条件。

(1)建立工况目标函数：

以水泵工况效率最高为目标函数，其公式为：

其中Q₂为水泵工况下的流量，Q_th2为设计水泵工况下的额定流量；η₂为水泵工况下的效率，η_th2为设计水泵工况下的额定效率；

为效率与流量之间的关系式，通常该关系式可通过试验拟合多项式得到，maxη₂为泵在水泵工况时效率最高为目标函数。

(2)设定边界条件：

水泵功率与流量存在函数关系，其公式为：

其中P₂为水泵工况下的功率，P_th2为设计水泵工况下的额定功率；

为功率与流量之间的关系式，通常该关系式可通过试验拟合多项式得到。

为满足系统储能的需求，计算功率应大于系统所需的实际功率，如下：

P₂＞P_req2

其中P_req2为系统所需的功率。

转速比约束：通常水泵的转速比k因支撑、散热、效率等限制，水泵泵的最低转速比通常不低于0.5，泵的最高转速比通常不高于1。

0.5≤k≤1

扬程约束：根据储水箱水位的不同，应限定水泵工况时最低扬程，以保证水能正常抬升至高位水箱中。

H＞H_req

其中H为水泵提供的扬程，H_req为抬升水到水箱所需的最小扬程。

鉴于发电系统与用电系统具有不稳定性和间歇性，当其发电大于负荷所需时，需通过泵做功抽吸水抬升至水库蓄能，为了使微网系统运行稳定，在确定获取其需盈余的电量时，水泵消耗的电量应小于此时实际所需盈余的电量。因此，此时消耗蓄能的电量应符合以下条件：

W₂＝K₂·W₀₂

其中W₀₂为实际盈余电量，W₂为水泵消耗电量，K₂为水泵工况阈值常数，为保证微网的稳定性，其值通常小于1，具体的值应根据某微网在实际运行中的特性确立；需注意的是，K₂值过小则会浪费过多的能源，过大则影响系统运行的稳定性，可根据日常运行的样本数据确定符合该系统的K₂值。

根据上述技术方案：盈余发电量与水泵功率之间的关系式可表示为：

W₂＝Z₂(P_req2,t₂)

其中t₂为水泵工况下运行的时间，则水泵消耗电量与水泵功率可通过函数Z₂(P_req2,t₂)换算。

图4为水泵运行工况下的系统整体运行流程示意图。

本实施例中的智能优化算法，可采用如GSA智能优化算法等。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具备智能化水电储能装备的能源微网系统，其特征在于，包括清洁能源发电系统和智能水电储能系统；

所述清洁能源发电系统用于向用电负荷端输出清洁电能；

当所述清洁能源发电系统的供电数值大于所述用电负荷端的需电数值时，所述智能水电储能系统用于将所述清洁能源发电系统产生的所述清洁电能转换为水势能；

当所述清洁能源发电系统的所述供电数值小于所述用电负荷端的所述需电数值时，所述智能水电储能系统用于将所述水势能转换为水电能输出至所述用电负荷端；

所述智能水电储能系统包括智控单元和水电能量管理单元，所述智控单元用于根据所述清洁能源发电系统的所述供电数值和所述用电负荷端的所述需电数值，控制所述水电能量管理单元的工作模式；

所述智控单元包括能量反馈单元、透平工况模型和水泵工况模型；

所述能量反馈单元用于对所述供电数值和所述需电数值进行监测，并生成供需数据；

根据所述供需数据，所述智控单元通过所述透平工况模型向所述水电能量管理单元发出透平运行指令，或通过所述水泵工况模型向所述水电能量管理单元发出水泵运行指令；

当所述供电数值大于所述需电数值时，水泵的运行工况为水泵运行工况；

当所述供电数值小于所述需电数值时，水泵的运行工况为透平运行工况；

所述透平工况模型的建立过程包括如下步骤：

以水泵在做透平工况时效率最高为目标函数，建立透平工况目标函数，公式为

其中Q₁为透平工况下的流量，Q_th1为设计透平工况下的额定流量；η₁为透平工况下的效率，η_th1为设计透平工况下的额定效率；

为效率与流量之间的关系式，maxη₁水泵在做透平工况时效率最高为目标函数；

根据透平功率与流量关系，设定透平工况边界条件，公式为

其中P₁为透平工况下的功率，P_th1为设计透平工况下的额定功率；

为功率与流量之间的关系式；

所需发电量与透平功率之间的关系式可表示为：

W₁＝Z₁(P_req1,t₁)

其中t₁为透平工况运行的时间；P_req1为透平运行工况下系统所需的功率；

所述水泵工况模型的建立过程包括如下步骤：

以水泵运行工况效率最高为目标函数，建立水泵工况目标函数，公式为

其中Q₂为水泵工况下的流量，Q_th2为设计水泵工况下的额定流量；η₂为水泵工况下的效率，η_th2为设计水泵工况下的额定效率；

为效率与流量之间的关系式，maxη₂为泵在水泵工况时效率最高为目标函数；

根据水泵功率与流量关系，设定水泵工况边界条件，公式为

其中P₂为水泵工况下的功率，P_th2为设计水泵工况下的额定功率；

为功率与流量之间的关系式；

盈余发电量与水泵功率之间的关系式可表示为：

W₂＝Z₂(P_req2,t₂)

其中t₂为水泵工况下运行的时间，P_req2为水泵运行工况下系统所需的功率。

2.根据权利要求1所述的具备智能化水电储能装备的能源微网系统，其特征在于，所述清洁能源发电系统包括生物质发电系统、沼气发电系统、风能发电系统和光伏发电系统。

3.根据权利要求1所述的具备智能化水电储能装备的能源微网系统，其特征在于，所述水电能量管理单元包括：中央控制器，水泵、泵反转透平装置、储水箱、变频器；

所述中央控制器分别与所述泵反转透平装置和所述变频器连接，所述中央控制器用于根据所述透平运行指令或所述水泵运行指令，控制所述泵反转透平装置和所述变频器；

所述水泵分别与所述泵反转透平装置、所述变频器和所述储水箱连接；

所述泵反转透平装置用于控制所述水泵的运行工况；

所述变频器用于控制所述水泵的转速；

所述水泵用于将所述清洁电能转换为水势能，或将所述水势能转换为水电能；

所述储水箱用于存储所述水势能。

4.根据权利要求3所述的具备智能化水电储能装备的能源微网系统，其特征在于，所述运行工况包括透平运行工况和水泵运行工况；

所述透平运行工况是指将所述水势能转换为所述水电能；

所述水泵运行工况是指将所述清洁电能转换为所述水势能。

5.根据权利要求4所述的具备智能化水电储能装备的能源微网系统，其特征在于，

当所述供电数值等于所述需电数值时，所述智能水电储能系统停止工作。

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