CN116094181A

CN116094181A - 一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法

Info

Publication number: CN116094181A
Application number: CN202310029035.7A
Authority: CN
Inventors: 叶华; 韩一江; 丁玉军; 裴玮; 熊佳旺
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2023-01-09
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-05-09

Abstract

本发明提供一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，首先描述水压缩氢储能电站的系统构成设计，开展水压储氢罐阵列的储氢压力、容量配置以及氢在水中的溶解度分析等，并提出水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统设计方法，在此基础上提出基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能设计方法，最后开展基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及风险规避设计。本发明可将弃风和弃光电量作为电网负荷低谷时的多余电能，并将其转变为电网高峰时期的高价值电能，同时该系统采用变速恒频抽水蓄能技术，能够参与电网调频以稳定电力系统的频率，也可作为事故备用，以提高系统中风电与光伏发电的消纳率。

Description

一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法

技术领域

本发明属于新型电力系统构建中的大容量长时程储能与电网频率主动支撑领域，具体涉及一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法。

背景技术

光伏、风电等可再生能源具有的间歇性和波动性，会导致在全天不同时段可再生能源利用会出现过剩或短缺，进而影响电力系统安全稳定运行。一方面，风电机组、光伏电站一般运行在最大功率跟踪模式即MPPT模式，同时外部电力系统负荷功率是时变的，这导致电力系统供需严重不平衡。另一方面，尽管业界对水电站水电机组开展了变速恒频改造，对火电机组进行深度变负荷的灵活性改造等措施，但火电、水电和核电站的同步发电机以及大型负载电动机，通常运行在80％～90％发电/负载功率时，机械能-电能相互转换效率最高。因此，在电力系统夜间的用电低谷期，风电场弃风功率较大，而每天的日间和前夜，是电力系统用电的高峰期，此时高比例新能源电力系统则供能不足。

为提高光伏、风电等可再生能源的消纳水平以及增强电网稳定性，电力系统储能是其不可或缺的关键环节。除了水位落差抽水蓄能、压缩空气储能，氢能也具有绿色可再生储能的诸多优点，是未来大容量长时程储能的主要方式之一，但其也存在不可忽视的缺点，例如电解水制氢-氢能发电整体过程效率低、存储和运输氢气需要大量的空间。另外，氢气在不同压力下水中的溶解度非常低，这意味着可通过水压缩氢气，即向诸如储氢罐等容器中抽水对氢气压缩，进而获得空间用于储存水等流体介质，反之通过氢气压力驱动水流推动水轮机向电网发电，同时在压缩和膨胀过程中氢气被水密封在储氢罐中，不易泄露。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明结合抽水蓄能和压缩空气储能技术，提出一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其为基于弃风和弃光电量消纳的水压缩氢储能系统的设计方法。该系统在用电低谷期，将弃风和弃光功率通过驱动水泵抽水以压缩模块化储罐中的氢气，即将弃风和弃光功率的电能转化为水泵/水轮机转子机械势能以及压缩氢气势能。反之，在外部电力系统用电高峰期间将存储的压缩氢气势能变为电能。在夜间低谷期，弃风发电电价较低，水压缩氢储能系统的交流电机作为电动机驱动水泵，买电抽水压缩氢气储能，而在白天用电高峰期，电价较高，水轮机驱动发电机作为水力发电机运行发电，从而从电价差中获得收益。水压缩氢气储能系统的工作工质只有水与氢气，氢气在正常环境下的性质稳定，正常温度下水溶解氢气的能力非常小，即使在较高压力下氢的水溶解度也非常低。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，首先描述水压缩氢储能系统构成，开展水压储氢罐阵列的储氢压力、容量配置以及氢在水中的溶解度分析，并设计水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统，在此基础上设计基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能，最后开展基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及价值链的扩展。

进一步地，所述水压缩氢气储能系统包括水泵/水轮机、绕线转子异步发电机/电动机、变速恒频交流励磁调节系统、下水库、模块化的水压储氢罐阵列、余热/氢气回收装置、加氢系统、电网频率主动支撑调控系统；建在大型风电场或者光伏电站附近，通过购买低电价的弃风和弃光电量进行储能，并在外部电网用电高峰期间通过高电价即电价差获得收益。

进一步地，所述水压缩氢储能系统采用基于高压储氢气瓶的储氢容器，采用全金属储氢容器，其工作压力为17.5-20MPa，所述全金属为I型纯钢；利用冲击式水轮机发电，出力范围为50kW到300MW，适用于2.5～20Mpa储氢压力场合。

进一步地，所述设计水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统包括：将与所述水泵/水轮机连接的电动机/发电机设置为绕线转子异步电机，微调电机5％-15％的转速，即大幅度调控电动机/发电机作为电动机抽水蓄能运行时从电网吸取的储能功率；同时在一定储氢压力下，转速改变不到10％即改变发电机功率P达50％。

进一步地，所述设计基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能包括：水压缩氢储能系统的变速恒频电动机和发电机，通过变频器的频率调节，迅速改变电动机和发电机的输入功率和输出功率，从而根据功率调节主动支撑电网频率。

进一步地，所述基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及价值链扩展设计具体包括：所述水压缩氢储能系统被设计为能源岛，即模块化储氢罐被建设在能源岛中央，抽水蓄能电站包括发电机/电动机、水泵/水轮机被建设在其周围，在能源岛周围建设环形蓄水水库；所述能源岛的布局将风险控制在局部范围内。

有益效果：

本发明提出的水压缩氢气储能系统具有一定的优势，例如相比电池储能方式更加绿色环保，且在储能能量转换过程中不会产生污染物，不会对环境造成二次污染，同时相比于水位落差抽水蓄能而言，空间布局更为灵活等；相比压缩空气储能，氢气压缩和释放期间的放热和吸热过程较慢，且相比基于水位落差的抽水蓄能和压缩空气储能系统，建设成本较低。

本发明提出水压缩氢气储能系统，可将弃风/弃光电量作为电网负荷低谷时的多余电能，并将其转变为电网高峰时期的高价值电能，同时该系统采用变速恒频抽水蓄能技术，能够参与电网调频以稳定电力系统的频率，也可作为事故备用，以提高系统中风电与光伏发电的消纳率。

附图说明

图1水压缩氢气储能系统结构示意图；

图2水压缩氢储能变速恒频下的电动机/发电机交流励磁系统结构示意图；

图3为在发电机/电动机转子不同转速下其功率与储氢压力的函数关系；

图4水压缩氢储能系统的水轮发电机参与电网调频原理图；

图5水压缩氢储能电站布局示意图；

图6水压缩氢储能电站与储水水库布局俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法具体包括如下步骤：

步骤1：水压缩氢气储能电站系统构成设计：

本发明提出一种基于弃风/弃光功率的水压缩氢储能系统。该水压缩氢储能系统在外部电网用电低谷期，将弃风/弃光电量通过驱动水泵抽水并通过水流压缩模块化储罐中的氢气，将弃风/弃光的电能转化为电动机/发电机转子机械势能以及压缩氢气势能；另一方面，在外部电网用电高峰期间通过存储的压缩氢气势能，驱动水轮机-发电机转子旋转发电，将势能变为电能。

水压缩氢储能系统主要建在大型风电场或者光伏电站附近，通过购买低电价的弃风/弃光电量进行储能，并在外部电网用电高峰期间通过高电价即电价差获得收益。如图1所示，水压缩氢气储能系统主要由水泵/水轮机、绕线转子异步发电机/电动机、变速恒频交流励磁调节系统、下水库、模块化水压储氢罐阵列、余热/氢气回收装置、加氢系统、电网主动支撑调控系统等部分组成。该水压缩氢储能系统各部分，均采用目前商业应用较为成熟的技术，其成本均在可接受范围内，甚至相比电化学储能、水位落差抽水蓄能、压缩空气储能的成本更低。

水压缩氢气储能系统的下水库可利用天然水库或开挖蓄水池，水泵/水轮机与电动机/发电机以及模块化储氢罐阵列可采用浅埋地下的方式，以节省占地面积，同时为方便维护，模块化储氢罐阵列可根据风电场/光伏电站的建设情况，采用周期建设以及周期替换模式(寿命为15年即替换一次)。

步骤2：水压储氢罐阵列的储氢压力分析与容量配置方法：

目前，高压气态储氢容器包括高压储氢气瓶、高压复合储氢罐和玻璃储氢容器等。其中，高压储氢气瓶或储氢罐是目前唯一商业使用的高压储氢容器，高压复合储氢罐适用于气-固态混合储氢，而玻璃储氢容器尚处于实验室研究阶段。由于本发明采用的水压储氢罐个数较多、总容积较大，考虑到水压储氢系统成本，因此本发明主要采用基于高压储氢气瓶的储氢容器。同时，高压储氢气瓶目前包括全金属气瓶和纤维复合材料缠绕气瓶，具有充放氢简单、氢气浓度高等优点，是压缩氢广泛使用的关键技术，广泛应用于加氢站。随着技术的进步，高压储氢气瓶或罐已经逐渐由全金属气瓶(Ⅰ型瓶)发展到非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型瓶)，然而Ⅰ型～Ⅳ型的成本呈现指数级增长，不同型号储氢罐的工作特性如表1所示。

表1不同型号储氢罐特性对比

考虑一个大气压(atm)等于10.33米垂直水头压力，可推算抽水蓄能水位落差300米水头处水压为29个大气压，即2.9MPa；反之，考虑全金属储氢容器(如I型纯钢制金属瓶)，其工作压力一般为17.5-20MPa，即通过I型纯钢制金属瓶的储氢压力，推动水流驱动水轮机，相当于最高2066米高程水头驱动水轮发电机发电。在本发明中，利用冲击式水轮机发电，出力范围可从50kW到300MW，可以适用于2.5～20Mpa储氢压力场合(可换算为30米至2000米较大的水头范围)，也就是工作压力最高为20MPa的水压储氢系统，其电动机和发电机额定容量可设计为50kW到300MW。

本发明考虑两种体积的储氢罐，即体积分别为V_小型＝πr₁ ²h₁＝π·6²·10m³＝1131m³和V_大型＝πr₂ ²h₂＝π·9²·15m³＝3817m³，其中r₁，h₁为小型储氢罐的半径和高度，r₂，h₂为大型储氢罐的半径和高度。如表2所示，当分别修建50、100、200、400、1000万m3库容水库时，小型储氢罐分别需要443、885、1770、3573、8842个，而大型储氢罐需要131、262、524、1048、2620个。

表2不同水库库容下的储罐数量及预估装机容量

步骤3：水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统设计方法

如图2所示，本发明中水泵/水轮机连接的电动机/发电机采用绕线转子异步电机，其转子绕组是在空间位置上相差120度的三个(三相)绕组，外加频率f_r的三相交流电，而定子绕组则为恒频即f_s＝50Hz的交流电。通过换算，转子绕组频率为外加频率f_r的交流电等效转速为N_r＝60f_r/N_p，定子绕组中频率为恒频f_s的交流电等效转速为N_s＝60f_s/N_p，则电动机/发电机转子转速为：

N＝60(f_s-f_r)/N_p

式中，N_p为转子磁极对数。

水压缩氢储能系统的水泵/水轮机连接电机的转速是影响储能电站的充放电功率的主要因素，同时储氢罐里时变的氢气压力对充放电功率也有一定影响。本发明提出的电动机/发电机变速恒频系统，主要通过改变转子绕组交流电频率，以实现微调电动机/发电机的转速。图3给出了水压缩氢储能系统中的水泵-水轮机，作为水轮机-发电机运行在最高效率下，储氢压力与发电机功率P和转子转速N的关系。由图可知，在一定储氢压力下，转速改变不到10％即可改变发电机功率P达50％左右，转速N增高可显著增大发电功率P。

因此，在一定的储氢压力下，采用交流励磁变速恒频发电或用电，通过改变转子交流电流的频率f_r，可使得水泵/水轮机在不同的储氢压力下获得不同的发电机功率P，进而用于调整注入和吸收电网的功率，达到主动支撑电网频率的目的。

步骤4：基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑设计方法：

如步骤3所述，水压缩氢储能系统的变速恒频电动机和发电机，通过变频器的频率调节，迅速改变电动机和发电机的输入功率和输出功率。该技术使得水压缩氢储能系统在运行不同时段的压力变化，通过调节电动机/发电机的有功功率输入和输出，从而根据功率调节主动支撑电网频率。

本发明设计的基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能具体体现在频率支撑方面。通过实时调节水压缩氢储能系统水泵/水轮机连接电机的转速，满足电机注入或输出功率与电网负荷的平衡。当电网负荷变化时，恢复电网频率至额定值，以保证电网的安全稳定运行。其具体特性类似于下垂特性：

P_n+k_p(f_ref-f)＝P_t

其中P_n为该发明水轮发电机的额定功率，P_t为实际发电机出力功率，k_p为下垂系数，f_ref为系统额定频率，f为电网实际频率。

如图4所示，不同负荷水平L1\L2下的负荷有功-频率曲线，即斜率由负荷频率响应特性决定。不同水压缩氢储能系统出力水平G1\G2下的有功-频率曲线，即斜率由水压缩氢储能系统的调节特性决定。基于水压缩氢储能系统集成了具有天然构网功能的电磁感应电动机/发电机，并通过变速恒频设计以及储存压力势能，能够很好应对新型电网频率支撑方面的挑战。

步骤5：基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及价值链扩展设计

储氢容器是本发明水压缩氢储能系统的关键部分之一。目前，储氢压力可高达70Mpa(实验室内可达100Mpa)，容器重量可减轻80％～90％，但该储氢容器容积较小且成本较高。高压储氢的性能指标主要取决于压力容器的技术水平与生产工艺，其制造成本将逐年降低。本发明采用模块化架构，如图5所示，主要考虑当高压储氢容器成本降低到工程化水平，可适当替换或添加性能更好、成本更低的储氢容器。

如图5和图6所示，本发明的水压缩氢储能系统被设计为能源岛，即模块化储氢罐被建设在能源岛中央，抽水蓄能电站包括发电机/电动机、水泵/水轮机等设施被建设在其周围。在能源岛周围，如图5所示，建设环形蓄水水库。由于氢气可能会出现泄漏以及火灾爆炸等风险，所以本发明设计的能源岛布局能够将风险控制在局部范围内。

氢气常温常压下在水中的溶解度很低，但水压缩氢储能系统在运行过程中经过高温高压将产出副产品-富氢水，富氢水可广泛应用于植物生长、食品加工等领域。因此该发明提出的水压缩氢储能系统可将应用于干旱沙土地、戈壁滩、盐碱地、重金属严重污染等地区的植物生长试验与数据累计，以促进生态农业的发展。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：首先描述水压缩氢储能系统构成，开展水压储氢罐阵列的储氢压力、容量配置以及氢在水中的溶解度分析，并设计水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统，在此基础上设计基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能，最后开展基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及价值链的扩展。

2.如权利要求1所述的一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：所述水压缩氢气储能系统包括水泵/水轮机、绕线转子异步发电机/电动机、变速恒频交流励磁调节系统、下水库、模块化的水压储氢罐阵列、余热/氢气回收装置、加氢系统、电网频率主动支撑调控系统；建在大型风电场或者光伏电站附近，通过购买低电价的弃风和弃光电量进行储能，并在外部电网用电高峰期间通过高电价即电价差获得收益。

3.如权利要求1所述的一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：所述水压缩氢储能系统采用基于高压储氢气瓶的储氢容器，采用全金属储氢容器，其工作压力为17.5-20MPa，所述全金属为I型纯钢；利用冲击式水轮机发电，出力范围为50kW到300MW，适用于2.5～20Mpa储氢压力场合。

4.如权利要求1所述的一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：所述设计水压缩氢储能电站的电动机/发电机变速恒频系统包括：将与所述水泵/水轮机连接的电动机/发电机设置为绕线转子异步电机，微调电机5％-15％的转速，即大幅度调控电动机/发电机作为电动机抽水蓄能运行时从电网吸取的储能功率；同时在一定储氢压力下，转速改变不到10％即改变发电机功率P达50％。

5.如权利要求1所述的一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：所述设计基于水压缩氢储能系统的电网频率主动支撑功能包括：水压缩氢储能系统的变速恒频电动机和发电机，通过变频器的频率调节，迅速改变电动机和发电机的输入功率和输出功率，从而根据功率调节主动支撑电网频率。

6.如权利要求1所述的一种陆上水压缩氢储能系统及其变速恒频与电网频率支撑功能设计方法，其特征在于：所述基于能源岛的水压缩氢储能系统布局、功能及价值链扩展设计具体包括：所述水压缩氢储能系统被设计为能源岛，即模块化储氢罐被建设在能源岛中央，抽水蓄能电站包括发电机/电动机、水泵/水轮机被建设在其周围，在能源岛周围建设环形蓄水水库；所述能源岛的布局将风险控制在局部范围内。