CN114495662A - 一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，包括下水箱，所述下水箱的左侧连通有抽水水泵，所述抽水水泵的左侧固定连接有联轴器，所述联轴器的左侧固定连接有电动机，所述抽水水泵的顶部连通有出口调节阀，所述出口调节阀的顶部连通有上水主管道，所述上水主管道的顶部连通有出口阀，使用前，第一种模式是基于水体自然流动进行工作运行，出口调节阀处于全开态、阀门处于关闭态、出口阀处于全开态、入口调节阀处于关闭态、下水上主调节阀处于关闭态、下水下主调节阀处于全开态，上水过程：抽水水泵被电动机通过联轴器驱动，电动机经抽水电缆由第一变频器驱动进入工作状态，将下水箱中的水，提高到上水箱中储存起来。

Description

一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统

技术领域

本发明涉及电力系统自动控制技术领域，具体为一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统。

背景技术

要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。普遍认为，需要配置足够的储能容量来解决以风电、光伏发电等为代表的新能源来带的间歇性、不稳定性、不可控性等特点给电力系统带来的挑战。

新型电力系统核心特征在于新能源占据主导地位，成为主要能源形式。随着我国碳达峰与碳中和目标的提出，新能源在一次能源消费中的比重不断增加，加速替代化石能源。未来我国电源装机规模将保持平稳较快增长，呈现出“风光领跑、多源协调”态势。在电源总装机容量中，陆上风电、光伏发电将是我国发展最快的电源类型，到2060年两者装机容量占比之和达到约60％，发电量占比之和达到约35％。未来新能源的广泛接入还将呈现智能灵活、友好并网、高效环保的特征。通过储能、交直流组网与多场景融合应用提升智能灵活；通过“风光水火储”多能互补、集群调度、气象大数据发电预测、广义虚拟同步技术，提升友好并网与主动支撑性能；通过新型风能捕捉与大叶轮、新型光伏电池、数字智能运维、环保材料提升效率与可靠性；并且构建灵活性火电机组、天然气与储氢调峰电站、储热与储能电站的调峰电源体系。

随着电力市场建设的深入，抽水蓄能等主体参与现货市场或辅助服务市场已成为可能。在环保考核、清洁能源全消纳等政策驱动下，抽水蓄能机组具备了发挥市场力的空间。在电力构成中，许多地区风电、光伏的比例不断增加，导致了一系列的问题，主要原因是风电光伏等新能源不稳定且难以预测，需要大量的备用容量。在风电、光伏比例大的区域，电力系统的稳定性处于危险之中，需要设置储能系统来解决上述问题。抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率，相对于其他类型(如电化学、飞轮等)储能优势明显，将会在越来越多地方进行建设和应用。

我国已经成为世界上抽水蓄能装机容量最大的国家。抽水蓄能电站能够在送端电网发挥高效调节作用，在受端电网快速削峰填谷，与特高压输电配合，能促进清洁能源大范围输送和消纳，抽水蓄能电站在未来新能源大规模接入电网、电力系统智能化程度越来越高的趋势下，将扮演越来越重要的角色，抽蓄电站将高效调节促清洁能源消纳，快速削峰填谷，以保障清洁能源安全入网。未来，全世界范围内将需要更多的蓄能容量。

抽蓄电站中有两个重要的部件：一是电动发电机(Motor Generator)同时具有发电机与电动机两种功能的电机,既可作为发电机由水轮机带动发电,又可转换成电动机带动水泵进行抽水。另一个是水泵水轮机转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用的可逆式水力机械，是抽水蓄能电站的动力设备，水泵水轮机与反击式水轮机的适用水头范围基本一致。

然而，大型的抽蓄电站通常在山区，通常距离风场远，大型抽蓄与风电场的长距离无疑增加可能已经过负荷电网的负担和输电损失。为了补偿非常不稳定的风能，水泵的入力应当连续变化。目前，这只可能在非常昂贵的变转速机组(双馈异步电动-发电机)上实现，现在只有欧洲和日本有少量的业绩。其优点是不同水头和部分负荷下效率更高，水泵功率可调，快速动态反应，但是缺点也很明显，它投资更大，需要更大的安装空间，存在变换器损耗，只有在大电站、大机组时才有经济性。

在一般的研究院所、高等院校、高中级职院校等科研教学机构当中，研究、培训、展示分布式抽水蓄能的过程中存在障碍。为了研究、展示分布式抽蓄与不同强度电力系统(包括发电、电网)之间的互动过程，抽蓄机组在强系统和弱系统中改变其出力对于整个系统稳定性存在的影响方面存在困扰，同样也在抽水蓄能各类人员培训、科普的过程中也存在困难。主要表现在，常见的工业级抽水蓄能电站水头变化范围有限或者调整代价很大导致可调出力范围小，需要庞大的占地面积和很大的高度落差(一般为20-200米的范围)。

因此，亟需提供一种教学科研用与电力系统交互的分布式抽水蓄能系统，以解决研究、培训、展示过程中难以直观、真实体现抽水蓄能电站与电网、电力系统、新能源交互过程中机组出力可调范围小而造成对其研究无法深入和教学效果不够理想等问题，也解决建设抽蓄电站占地范围大而难以在教学、科研场地中进行建设的问题，当然也能解决真型分布式抽水蓄能电站造价高昂带来的影响教学和研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，包括下水箱，所述下水箱的左侧连通有抽水水泵，所述抽水水泵的左侧固定连接有联轴器，所述联轴器的左侧固定连接有电动机，所述抽水水泵的顶部连通有出口调节阀，所述出口调节阀的顶部连通有上水主管道，所述上水主管道的顶部连通有出口阀，所述上水主管道的右侧连通有旁路上游管，所述旁路上游管的右侧连通有阀门，所述阀门的右侧连通有下游管，所述下游管的右侧连通有下主调节阀，所述下主调节阀的顶部连通有下水管，所述下水管的顶部连通有下水上主调节阀，所述下水管的右侧连通有增压下水管。

优选的，所述电动机的左侧固定连接有抽水电缆，所述抽水电缆的左侧固定连接有第一变频器。

优选的，所述下水上主调节阀的顶部连通有出水管道，所述出水管道的左侧连通有上水箱。

优选的，所述出水管道的右侧连通有入口调节阀，所述入口调节阀的右侧连通有下水水泵，所述下水水泵的底部与增压下水管的顶部连通，所述下水水泵的右侧固定连接有下水联轴器。

优选的，所述下水联轴器的右侧固定连接有下水电动机，所述下水电动机的右侧固定连接有电缆，所述电缆的右侧固定连接有第二变频器。

优选的，所述下水管的底部连通有水轮机，所述水轮机的右侧固定连接有发电联轴器，所述发电联轴器的右侧固定连接有发电机，所述发电机的右侧固定连接有并网母线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用前，第一种模式是基于水体自然流动进行工作运行，出口调节阀处于全开态、阀门处于关闭态、出口阀处于全开态、入口调节阀处于关闭态、下水上主调节阀处于关闭态、下水下主调节阀处于全开态，上水过程：抽水水泵被电动机通过联轴器驱动，电动机经抽水电缆由第一变频器驱动进入工作状态，将下水箱中的水，提高到上水箱中储存起来，下水发电过程：当下水上主调节阀打开到一定程度时，水经出水管道、下水上主调节阀、下水管、下水下主调节阀驱动水轮机后回至下水箱，水轮机经发电联轴器驱动发电机，并将发出来的电输送至并网母线，这种模式用于水轮机与上水箱之间的高度差范围满足水轮机所要求的水头范围的状态下，主要优点或者有益效果是：第一、上水过程具有上水转速可调、上水量、上水速度可调可控，第二、发电过程流量可通过下水上主调节阀或者下水下主调节阀调节下水流量，来实现水轮机的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、可以模拟上水箱水位与发电机之间的高度差稳定在上水箱允许范围内任何差值状态，即存在抽水水泵转速和上水速度由第一变频器决定，且这个上水速度与流经水轮机的下水流速相当的情况，第四、下水发电过程中，上水箱的水位可以持续上升、持续下降、上升转下降等可调可控，可模拟抽水蓄能电站的水位的变化场景，即存在抽水水泵上水速度由第一变频器决定，且这个上水速度或者大于、或者小于流经水轮机的下水流速的工作状态；

第二种模式是基于水体下水强迫流动进行工作运行，出口调节阀处于全开态、阀门处于关闭态、出口阀处于全开态、入口调节阀处于关闭态、下水上主调节阀处于关闭态、下水下主调节阀处于全开态，上水过程：抽水水泵被电动机通过联轴器驱动，电动机经抽水电缆由第一变频器驱动进入工作状态，将下水箱中的水，提高到上水箱中储存起来，下水发电过程：当入口调节阀打开到一定程度时，水经出水管道、入口调节阀和下水水泵，下水水泵被下水电动机经下水联轴器驱动，下水电动机被第二变频器经电缆驱动，增压下水管、下水管、下水下主调节阀驱动水轮机后回至下水箱，水轮机经发电联轴器驱动发电机，并将发出来的电输送至并网母线，这种模式用于在水轮机与与上水箱之间的高度差范围无满足水轮机所要求的水头范围的状态下。主要优点或者有益效果是：第一、上水过程具有上水转速可调、上水量、上水速度可调可控，第二、发电过程流量可通过入口调节阀或者下水下主调节阀19调节下水流量，来实现水轮机的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、发电过程流量更可以通过改变第二变频器的输出频率来灵活改变下水水泵的流量，来实现水轮机的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第四、可以模拟上水箱水位与发电机之间的高度差稳定在上水箱允许范围内任何差值状态，即存在抽水水泵转速和上水速度由第一变频器决定，且这个上水速度与流经水轮机的下水流速相当的情况，第五、下水发电过程中，上水箱的水位可以持续上升、持续下降、上升转下降等可调可控，可模拟抽水蓄能电站的水位的变化场景，即存在抽水水泵上水速度由第一变频器决定，且这个上水速度或者大于、或者小于流经水轮机的下水流速的工作状态；

第三种模式是基于水体上水强迫流动进行工作运行，出口调节阀处于全开态、阀门处于全开态、下水下主调节阀处于全关态，这意味着系统进入最简模式，上水过程和下水发电过程同步：抽水水泵被电动机通过联轴器驱动，电动机经抽水电缆由第一变频器驱动进入工作状态，将下水箱中的水，经上水主管道、过旁路上游管、阀门、旁路下游管、驱动水轮机后回至下水箱；水轮机经发电联轴器驱动发电机，并将发出来的电输送至并网母线，这种模式用于在水轮机与与上水箱之间的高度差范围无满足水轮机所要求的水头范围的状态下，特别是上水箱无法储水的状态下，主要优点或者有益效果是：第一、简化了上水过程可应用于无法真正设置上水箱、无需真正设置上水箱等情况下，仅仅依靠水箱模型仍然可以进行水力发电，并且满足教学研究、展示等目的，第二、可通过出口调节阀调节流量，来实现水轮机的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、发电过程流量更可以通过改变第一变频器的输出频率来灵活改变下水水泵的流量，来实现水轮机的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率。

附图说明

图1为本发明一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统的正视结构示意图。

图中：1、第一变频器；2、抽水电缆；3、电动机；4、联轴器；5、抽水水泵；6、出口调节阀；7、上水主管道；8、上水箱；9、出水管道；10、入口调节阀；11、下水水泵；12、下水联轴器；13、下水电动机；14、电缆；15、第二变频器；16、增压下水管；17、下水上主调节阀；18、下水管；19、下主调节阀；20、水轮机；21、发电联轴器；22、发电机；23、并网母线；24、下游管；25、阀门；26、旁路上游管；27、下水箱；28、出口阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，包括下水箱27，下水箱27的左侧连通有抽水水泵5，抽水水泵5的左侧固定连接有联轴器4，联轴器4的左侧固定连接有电动机3，抽水水泵5的顶部连通有出口调节阀6，出口调节阀6的顶部连通有上水主管道7，上水主管道7的顶部连通有出口阀28，上水主管道7的右侧连通有旁路上游管26，旁路上游管26的右侧连通有阀门25，阀门25的右侧连通有下游管24，下游管24的右侧连通有下主调节阀19，下主调节阀19的顶部连通有下水管18，下水管18的顶部连通有下水上主调节阀17，下水管18的右侧连通有增压下水管16。

电动机3的左侧固定连接有抽水电缆2，抽水电缆2的左侧固定连接有第一变频器1。

下水上主调节阀17的顶部连通有出水管道9，出水管道9的左侧连通有上水箱8。

出水管道9的右侧连通有入口调节阀10，入口调节阀10的右侧连通有下水水泵11，下水水泵11的底部与增压下水管16的顶部连通，下水水泵11的右侧固定连接有下水联轴器12。

下水联轴器12的右侧固定连接有下水电动机13，下水电动机13的右侧固定连接有电缆14，电缆14的右侧固定连接有第二变频器15。

下水管18的底部连通有水轮机20，水轮机20的右侧固定连接有发电联轴器21，发电联轴器21的右侧固定连接有发电机22，发电机22的右侧固定连接有并网母线23。

需要说明的是，本发明为一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，使用前，第一种模式是基于水体自然流动进行工作运行，出口调节阀6处于全开态、阀门25处于关闭态、出口阀28处于全开态、入口调节阀10处于关闭态、下水上主调节阀17处于关闭态、下水下主调节阀19处于全开态，上水过程：抽水水泵5被电动机3通过联轴器4驱动，电动机3经抽水电缆2由第一变频器1驱动进入工作状态，将下水箱27中的水，提高到上水箱8中储存起来，下水发电过程：当下水上主调节阀17打开到一定程度时，水经出水管道9、下水上主调节阀17、下水管18、下水下主调节阀19驱动水轮机20后回至下水箱27，水轮机20经发电联轴器21驱动发电机22，并将发出来的电输送至并网母线23，这种模式用于水轮机20与上水箱8之间的高度差范围满足水轮机20所要求的水头范围的状态下，主要优点或者有益效果是：第一、上水过程具有上水转速可调、上水量、上水速度可调可控，第二、发电过程流量可通过下水上主调节阀17或者下水下主调节阀19调节下水流量，来实现水轮机20的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线23上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、可以模拟上水箱8水位与发电机22之间的高度差稳定在上水箱8允许范围内任何差值状态，即存在抽水水泵5转速和上水速度由第一变频器1决定，且这个上水速度与流经水轮机20的下水流速相当的情况，第四、下水发电过程中，上水箱8的水位可以持续上升、持续下降、上升转下降等可调可控，可模拟抽水蓄能电站的水位的变化场景，即存在抽水水泵5上水速度由第一变频器1决定，且这个上水速度或者大于、或者小于流经水轮机20的下水流速的工作状态；

第二种模式是基于水体下水强迫流动进行工作运行，出口调节阀6处于全开态、阀门25处于关闭态、出口阀28处于全开态、入口调节阀10处于关闭态、下水上主调节阀17处于关闭态、下水下主调节阀19处于全开态，上水过程：抽水水泵5被电动机3通过联轴器4驱动，电动机3经抽水电缆2由第一变频器1驱动进入工作状态，将下水箱27中的水，提高到上水箱8中储存起来，下水发电过程：当入口调节阀10打开到一定程度时，水经出水管道9、入口调节阀10和下水水泵11，下水水泵11被下水电动机13经下水联轴器12驱动，下水电动机13被第二变频器15经电缆14驱动，增压下水管16、下水管18、下水下主调节阀19驱动水轮机20后回至下水箱27，水轮机20经发电联轴器21驱动发电机22，并将发出来的电输送至并网母线23，这种模式用于在水轮机20与与上水箱8之间的高度差范围无满足水轮机20所要求的水头范围的状态下。主要优点或者有益效果是：第一、上水过程具有上水转速可调、上水量、上水速度可调可控，第二、发电过程流量可通过入口调节阀10或者下水下主调节阀19调节下水流量，来实现水轮机20的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线23上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、发电过程流量更可以通过改变第二变频器15的输出频率来灵活改变下水水泵11的流量，来实现水轮机20的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线23上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第四、可以模拟上水箱8水位与发电机22之间的高度差稳定在上水箱8允许范围内任何差值状态，即存在抽水水泵5转速和上水速度由第一变频器1决定，且这个上水速度与流经水轮机20的下水流速相当的情况，第五、下水发电过程中，上水箱8的水位可以持续上升、持续下降、上升转下降等可调可控，可模拟抽水蓄能电站的水位的变化场景，即存在抽水水泵5上水速度由第一变频器1决定，且这个上水速度或者大于、或者小于流经水轮机20的下水流速的工作状态；

第三种模式是基于水体上水强迫流动进行工作运行，出口调节阀6处于全开态、阀门25处于全开态、下水下主调节阀19处于全关态，这意味着系统进入最简模式，上水过程和下水发电过程同步：抽水水泵5被电动机3通过联轴器4驱动，电动机3经抽水电缆2由第一变频器1驱动进入工作状态，将下水箱27中的水，经上水主管道7、过旁路上游管26、阀门25、旁路下游管24、驱动水轮机20后回至下水箱27；水轮机20经发电联轴器21驱动发电机22，并将发出来的电输送至并网母线23，这种模式用于在水轮机20与与上水箱8之间的高度差范围无满足水轮机20所要求的水头范围的状态下，特别是上水箱8无法储水的状态下，主要优点或者有益效果是：第一、简化了上水过程可应用于无法真正设置上水箱8、无需真正设置上水箱等情况下，仅仅依靠水箱模型仍然可以进行水力发电，并且满足教学研究、展示等目的，第二、可通过出口调节阀6调节流量，来实现水轮机20的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线23上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率，第三、发电过程流量更可以通过改变第一变频器1的输出频率来灵活改变下水水泵11的流量，来实现水轮机20的转速连续调节，实现出力的变化，进一步实现并网母线23上的电力频率的连续变化，并稳定在某一频率上，满足电网的要求，国际上常见的是50Hz和60Hz，也可以是当地电网要求的其他频率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：包括下水箱(27)，所述下水箱(27)的左侧连通有抽水水泵(5)，所述抽水水泵(5)的左侧固定连接有联轴器(4)，所述联轴器(4)的左侧固定连接有电动机(3)，所述抽水水泵(5)的顶部连通有出口调节阀(6)，所述出口调节阀(6)的顶部连通有上水主管道(7)，所述上水主管道(7)的顶部连通有出口阀(28)，所述上水主管道(7)的右侧连通有旁路上游管(26)，所述旁路上游管(26)的右侧连通有阀门(25)，所述阀门(25)的右侧连通有下游管(24)，所述下游管(24)的右侧连通有下主调节阀(19)，所述下主调节阀(19)的顶部连通有下水管(18)，所述下水管(18)的顶部连通有下水上主调节阀(17)，所述下水管(18)的右侧连通有增压下水管(16)。

2.根据权利要求1所述的一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：所述电动机(3)的左侧固定连接有抽水电缆(2)，所述抽水电缆(2)的左侧固定连接有第一变频器(1)。

3.根据权利要求1所述的一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：所述下水上主调节阀(17)的顶部连通有出水管道(9)，所述出水管道(9)的左侧连通有上水箱(8)。

4.根据权利要求3所述的一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：所述出水管道(9)的右侧连通有入口调节阀(10)，所述入口调节阀(10)的右侧连通有下水水泵(11)，所述下水水泵(11)的底部与增压下水管(16)的顶部连通，所述下水水泵(11)的右侧固定连接有下水联轴器(12)。

5.根据权利要求4所述的一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：所述下水联轴器(12)的右侧固定连接有下水电动机(13)，所述下水电动机(13)的右侧固定连接有电缆(14)，所述电缆(14)的右侧固定连接有第二变频器(15)。

6.根据权利要求1所述的一种用于教学科研的小型分布式抽水蓄能系统，其特征在于：所述下水管(18)的底部连通有水轮机(20)，所述水轮机(20)的右侧固定连接有发电联轴器(21)，所述发电联轴器(21)的右侧固定连接有发电机(22)，所述发电机(22)的右侧固定连接有并网母线(23)。

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