CN116846086A - 一种混合储能系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种混合储能系统，包括抽水蓄能子系统，压缩空气储能子系统、重力储能子系统和综合电站，地下储气库和下水库相连通，压缩机的出气口与地下储气库相连通，地下储气库与透平膨胀发电机的进气口通过设有阀门的管路相连通，第一电动机的动力输出端与压缩机的控制端相连接；第二电动机的动力输出端与重力滑车的驱动端相连接，重力滑车通过势能转换机构与发电机相连接；综合电站接收电网的电力指令，根据电力指令控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的一个或几个储能或释能，能够大幅提升系统的总储能量、总释能量，扩大所能提供的功率范围，提高系统的变工况性能，为电网提供所需电能。
Description
技术领域
本申请实施例涉及能源技术领域，尤其涉及一种混合储能系统。
背景技术
抽水蓄能系统是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，适用于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，是电力系统的重要储能系统。然而，单一的抽水蓄能系统总储能量有限，动态调节性能不高。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提出一种混合储能系统，通过协调抽水蓄能系统、重力储能系统和压缩空气储能系统，提高总储能量，提高功率调节范围。
基于上述目的，本申请实施例提供了混合储能系统，包括抽水蓄能子系统，还包括：
压缩空气储能子系统，包括地下储气库、压缩机、透平膨胀发电机、第一电动机；其中，所述地下储气库和抽水蓄能子系统的下水库相连通，所述压缩机的出气口与所述地下储气库相连通，所述地下储气库与所述透平膨胀发电机的进气口通过设有阀门的管路相连通，所述第一电动机的动力输出端与所述压缩机的控制端相连接；
重力储能子系统，包括可在上厂房和下厂房之间上升或下降的重力滑车，第二电动机、势能转换机构、发电机；所述第二电动机的动力输出端与所述重力滑车的驱动端相连接，所述重力滑车通过所述势能转换机构与所述发电机相连接；
综合电站，用于接收电网的电力指令，根据所述电力指令控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。
可选的，来自电网的电能驱动所述第一电动机动作，所述第一电动机驱动所述压缩机动作，经所述压缩机压缩后的空气进入所述地下储气库，实现储能；所述阀门打开，所述地下储气库中的压缩空气进入所述透平膨胀发电机，由所述透平膨胀发电机发电，实现释能。
可选的，来自电网的电能驱动所述第二电动机动作，所述第二电动机驱动所述重力滑车由所述下厂房上升至所述上厂房，实现储能；所述重力滑车从所述上厂房下降至所述下厂房，所述重力滑车产生的势能经所述势能转换机构转换后，由所述发电机发电，实现释能。
可选的，所述电力指令包括储能模式或释能模式；
所述综合电站根据所述储能模式或释能模式，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。
可选的，所述储能模式包括所述抽水蓄能子系统储能，和/或所述重力储能子系统储能，和/或所述压缩空气储能子系统储能；所述释能模式包括所述抽水蓄能子系统释能，和/或所述重力储能子系统释能，和/或所述压缩空气储能子系统释能。
可选的，所述电力指令包括电力调度的功率范围；
所述综合电站根据所述功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个释能。
可选的，所述功率范围包括第一功率范围、第二功率范围和第三功率范围，所述第一功率范围小于第二功率范围，所述第二功率范围小于第三功率范围；
所述综合电站根据所述第一功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个释能；
所述综合电站根据所述第二功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的两个释能；
所述综合电站根据所述第三功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统和所述重力储能子系统释能。
可选的，所述势能转换机构包括转轴和转轮，所述重力滑车通过转轮、转轴与所述发电机连接。
可选的，所述上厂房部署于靠近所述抽水蓄能子系统的上水库一侧，所述下厂房部署于靠近所述抽水蓄能子系统的下水库一侧，所述重力滑车设置于所述上厂房与下厂房之间的滑坡上。
从上面所述可以看出，本申请实施例提供的混合储能系统，充分利用抽水蓄能子系统的电气条件、地理条件等，将抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统三个子系统耦合，节省电力投资，便于根据电网的电力指令，协调控制三个子系统的储能、释能状态，三个子系统的协同工作能够大幅提升系统的总储能量、总释能量，扩大所能提供的功率范围，提高系统的变工况性能，为电网提供所需电能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本申请实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如背景技术部分所述，单一的抽水蓄能系统的总储能量有限，在稳态工况下工作时，功率调节范围有限，动态调节性能不高。压缩空气储能系统具有较宽的动态工况调节范围，相对较高的效率与较低的成本，非常适合与抽水蓄能系统耦合；重力储能系统利用地势的高差通过对重物的提升和下降实现储能和释能，非常适合依抽水蓄能电站的地势建设。
以下，通过具体的实施例进一步详细说明本申请的技术方案。
如图1所示，本申请实施例提供一种混合储能系统，包括：
抽水蓄能子系统，包括上水库11、下水库12、水轮发电机；
压缩空气储能子系统，包括地下储气库21、压缩机、透平膨胀发电机、第一电动机；其中，地下储气库21和抽水蓄能子系统的下水库12相连通，压缩机的出气口与地下储气库21相连通，地下储气库21与透平膨胀发电机的进气口通过设有阀门的管路相连通，第一电动机的动力输出端与压缩机的控制端相连接；
重力储能子系统，包括可在上厂房32和下厂房之间上升或下降的重力滑车31，第二电动机、势能转换机构、发电机；第二电动机的动力输出端与重力滑车31的驱动端相连接，重力滑车31通过势能转换机构与发电机相连接；
综合电站，用于接收电网的电力指令，根据电力指令控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。
本申请实施例提供的混合储能系统，在抽水蓄能子系统的基础上，增加部署压缩空气储能子系统和重力储能子系统，由单一的抽水蓄能子系统储能、释能扩充为抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统三个储能系统储能、释能，提高总储能量，提高电网的功率调节范围。
一些实施例中，抽水蓄能子系统包括上水库11、下水库12、部署于综合电站的水轮发电机，在用电低谷时，利用电网剩余电能将下水库12的水抽到上水库11，实现抽水蓄能子系统的储能；用电高峰时，再将上水库11的水释放至下水库12，水流经水轮发电机发电，实现抽水蓄能子系统的释能。
一些实施例中，压缩空气储能子系统包括地下储气库21、压缩空气储能地上设备22，地下储气库21与下水库12通过管路13连通，在下水库12的作用下，地下储气库21保持近恒压储气状态。压缩空气储能地上设备22包括压缩机、透平膨胀发电机、第一电动机等，压缩机的出气口与地下储气库21通过管路相连通，地下储气库21与透平膨胀发电机的进气口通过设有阀门的管路23相连通，第一电动机的动力输出端与压缩机的控制端相连接。
用电低谷时，可利用电网的电能驱动第一电动机动作，第一电动机驱动压缩机压缩空气，压缩后的空气经管路进入地下储气库21，实现压缩空气储能子系统的储能，为维持恒压状态，地下储气库21的水被排向下水库12，增加了下水库12的蓄水量，增大抽水蓄能电站的储能量，提高储能效率；用电高峰时，控制阀门打开，地下储气库21中的压缩空气进入透平膨胀发电机，利用透平膨胀发电机发电，实现压缩空气储能子系统的释能，为电网输送电能。
一些实施例中，重力储能子系统可依抽水蓄能电站的地形建设。重力储能子系统包括上厂房32、下厂房、可在上厂房32和下厂房之间上升或下降的重力滑车31，第二电动机、势能转换机构、发电机等；第二电动机的动力输出端与重力滑车31的驱动端相连接，重力滑车31通过势能转换机构与发电机相连接。可选的，势能转换机构包括转轴和转轮，重力滑车通过转轮、转轴与发电机连接，重力滑车下降过程中，转轴转动，发电机在转轴的带动下旋转发电。
一些方式中，上厂房32部署于靠近上水库11一侧，下厂房部署于靠近于下水库12一侧，在上厂房和下厂房之间铺设滑轨，重力滑车31设置于上厂房与下厂房之间的滑轨上。上厂房32设有滑轮，滑轮通过绳索33与重力滑车31相连接，第二电动机的动力输出端与滑轮相连接，通过驱动滑轮转动将重力滑车31拖拽至上厂房32。可选的，重力滑车31中可装载岩石、金属等固体介质，利用固体介质在下降过程中产生的重力势能发电。
用电低谷时，可利用电网的电能驱动第二电动机动作，第二电动机驱动重力滑车31从由下厂房上升至上厂房32，实现重力储能子系统的储能；用电高峰时，释放重力滑车31，重力滑车31从上厂房32下降至下厂房，重力滑车31产生的势能经势能转换机构转换后，由发电机发电，实现重力储能子系统的释能，为电网输送电能。
一些实施例中，综合电站40接收电网的电力指令，电力指令包括储能模式或释能模式；综合电站40根据储能模式或释能模式，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。其中，储能模式包括抽水蓄能子系统储能，和/或重力储能子系统储能，和/或压缩空气储能子系统储能；释能模式包括抽水蓄能子系统释能，和/或重力储能子系统释能，和/或压缩空气储能子系统释能。
即，可根据电网调度的电力指令，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的任意一个系统储能或释能，或是其中的任意两个系统储能或释能，或是三个系统储能或释能，调度灵活。通过调度不同系统的储能，能够得到的储能最小值为三个系统中储能最少的一个系统的储能量，能够得到的储能量最大值为三个系统共同储能的总储能量；通过调度不同系统的释能，能够得到的释能最小值为三个系统中释能量最少的一个系统的释能量，能够得到的释能量最大值为三个系统共同释能的总释能量。相较于单一系统的储能、释能量，混合储能系统大幅提升了系统的储能范围、释能范围和总储能量、总释能量。
一些实施例中，综合电站40接收电网的电力指令，电力指令包括电力调度的功率范围；综合电站40根据电力调度的功率范围，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的一个或几个储能或者释能，完成电力的消耗或者发电至电网。即，系统可根据电网的电力需求灵活控制三个系统中的一个或两个或三个同时储能或释能，以便消耗电网多余电能或者为电网提供所需电能。
一些方式中，电力调节的功率范围包括第一功率范围、第二功率范围和第三功率范围，且第一功率范围小于第二功率范围，第二功率范围小于第三功率范围；
当电力指令所需电力在第一功率范围时，综合电站40根据第一功率范围，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的一个释能。即，当电网所需电能功率不高时，只需由其中一个子系统向电网输出电能，所选取的一个子系统可输出的电能在第一功率范围内，能够满足电网用电需求即可。
当电力指令所需电力在第二功率范围时，综合电站40根据第二功率范围，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统、重力储能子系统中的两个释能。即，当电网所需电能功率较高时，仅由一个子系统提供电能不能满足电网用电需求，此时，控制其中两个子系统向电网输出电能，所选取的两个子系统可输出的电能在第二功率范围内即可，例如，由抽水蓄能子系统和压缩空气储能子系统释能，或者由抽水蓄能子系统和重力储能子系统释能，或者由压缩空气储能子系统和重力储能子系统释能。
一些方式中，抽水蓄能子系统的功率最大，单个抽水蓄能电站的功能范围为300MW-3000MW；压缩空气储能子系统的功率范围为1-1500MW，可调节功率范围为10％-110％；重力储能子系统的功率范围为1-1000MW。
当电力指令所需电力在第三功率范围时，综合电站40根据第三功率范围，控制抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统释能。即，当电网所需电能功率很高时，需要三个子系统同时向电网输出电能，保证用电高峰期的正常供电。
一些方式中，抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统三个子系统分别具有一定的变工况范围，使得混合储能系统具有较高的变工况性能。例如，对于压缩空气储能子系统，通过调节压缩机、透平膨胀发电机的工况，可使压缩机、透平膨胀发电机在一定的功率范围内进行变工况工作。通过调节三个子系统的工况，可大幅提升系统整体的变工况范围。
一些实施例中，抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统三个子系统的电气接入线路相互独立，各自通过一回110kV或者500kV高压引出线接入电网。电气主接线的设计应满足以下设计原则和要求：1)供电可靠；2)运行灵活、开停机操作简单；3)接线简单清晰、布置紧凑；4)继电保护和控制简单可靠；5)技术先进、经济合理；6)便于分期过渡及扩建。电气接线可靠性高，运行灵活，操作方便，继电保护简单。
本申请实施例提供的混合储能系统，充分利用抽水蓄能子系统的电气条件、地理条件，将抽水蓄能子系统、压缩空气储能子系统和重力储能子系统三个子系统耦合，节省电力投资，便于根据电网的电力指令，协调控制三个子系统的储能、释能状态，三个子系统的协同工作能够大幅提升系统的总储能量、总释能量，扩大所能提供的功率范围，提高系统的变工况性能，为电网提供所需电能。
需要说明的是，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种混合储能系统，包括抽水蓄能子系统，其特征在于，还包括：
压缩空气储能子系统，包括地下储气库、压缩机、透平膨胀发电机、第一电动机；其中，所述地下储气库和抽水蓄能子系统的下水库相连通，所述压缩机的出气口与所述地下储气库相连通，所述地下储气库与所述透平膨胀发电机的进气口通过设有阀门的管路相连通，所述第一电动机的动力输出端与所述压缩机的控制端相连接；
重力储能子系统，包括可在上厂房和下厂房之间上升或下降的重力滑车，第二电动机、势能转换机构、发电机；所述第二电动机的动力输出端与所述重力滑车的驱动端相连接，所述重力滑车通过所述势能转换机构与所述发电机相连接；
综合电站，用于接收电网的电力指令，根据所述电力指令控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，来自电网的电能驱动所述第一电动机动作，所述第一电动机驱动所述压缩机动作，经所述压缩机压缩后的空气进入所述地下储气库，实现储能；所述阀门打开，所述地下储气库中的压缩空气进入所述透平膨胀发电机，由所述透平膨胀发电机发电，实现释能。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，来自电网的电能驱动所述第二电动机动作，所述第二电动机驱动所述重力滑车由所述下厂房上升至所述上厂房，实现储能；所述重力滑车从所述上厂房下降至所述下厂房，所述重力滑车产生的势能经所述势能转换机构转换后，由所述发电机发电，实现释能。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述电力指令包括储能模式或释能模式；
所述综合电站根据所述储能模式或释能模式，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个储能或释能。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述储能模式包括所述抽水蓄能子系统储能，和/或所述重力储能子系统储能，和/或所述压缩空气储能子系统储能；所述释能模式包括所述抽水蓄能子系统释能，和/或所述重力储能子系统释能，和/或所述压缩空气储能子系统释能。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力指令包括电力调度的功率范围；
所述综合电站根据所述功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个或几个释能。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述功率范围包括第一功率范围、第二功率范围和第三功率范围，所述第一功率范围小于第二功率范围，所述第二功率范围小于第三功率范围；
所述综合电站根据所述第一功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的一个释能；
所述综合电站根据所述第二功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统、所述重力储能子系统中的两个释能；
所述综合电站根据所述第三功率范围，控制所述抽水蓄能子系统、所述压缩空气储能子系统和所述重力储能子系统释能。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述势能转换机构包括转轴和转轮，所述重力滑车通过转轮、转轴与所述发电机连接。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上厂房部署于靠近所述抽水蓄能子系统的上水库一侧，所述下厂房部署于靠近所述抽水蓄能子系统的下水库一侧，所述重力滑车设置于所述上厂房与下厂房之间的滑坡上。
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