CN202735442U - 一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，包括抽水蓄能发电单元、检测单元和控制单元；抽水蓄能发电单元包括水泵、水箱和水轮机；水泵的进水口通过第一输水管道与水箱的出水口相连接；水轮机放在水箱上，水泵的出水口通过第二输水管道与水轮机的进水口相连接，水轮机的出水口连接水箱的进水口；检测单元包括压力表、流量计、电压互感器、电压表和三相负载，压力表和流量计安装在水泵与水轮机相连的第二输水管道上，三相负载与水轮机的电压输出端相连；控制单元包括上位机、PLC和变频器。本实用新型采用水泵与水轮机直连的方式来达到减少装置体积的目的，以便水流循环使用。

Description

一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置

技术领域

本实用新型涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置。

背景技术

随着人类社会的高速发展，世界性的能源日益短缺以及人类对化石能源的大量使用，由此造成的能源危机和环境污染使得人类的生存环境面临严峻的挑战。为此，世界各国大力发展太阳能、风能和水能等新能源，来解决能源危机以及环境污染等问题。

虽然太阳能与风能的优点很多，但其受自然因素的变化影响很大。太阳能的能量密度较低，大规模使用时，需要占用很大面积；而且在晚上或阴雨天时，太阳能发电量会严重不足。风能是目前正得到大规模发展的新能源，但自然风存在随机性等特点，大比重的风电接入电网会对电网的安全稳定运行造成潜在危害。随着越来越多风电场的并网，加重了电网的无功负担，更加重了电力系统的调峰、调频压力。

目前，水力资源的开发和利用技术不存在任何问题。水力发电主要利用水体中势能与动能的转换，进而推动原动机进行发电，不仅效率高而且启动、操作灵活方便，它可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行。由于水流按照一定的水文周期不断循环，平稳流动，因此水力资源作为电网调峰的优质能源，在电网中的重要作用越来越突出。对于电网的调峰，一般采取抽水蓄能的方法，在发电厂附近建立上、下两个蓄水池，在用电低谷时，下水池水泵机组将水抽到上水池，进而将多余电能用掉；在用电高峰时，上水池放水，为用户提供足够的电能。虽然现有技术中有大规模常规水电建设所积累的经验，然而抽水蓄能技术的发展才刚刚开始，对于建厂初期某些重要的技术参数，还无法直接从实际中获得；并且大多数抽水蓄能电站建立在其他发电厂的附近，对于常规水电站建设的经验也只能是部分借鉴。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，采用水泵与水轮机直接相连的方式来达到减少装置体积和水流循环使用的目的。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，包括抽水蓄能发电单元、检测单元和控制单元。

所述的抽水蓄能发电单元，包括水泵、水箱和水轮机；

所述的水泵与水箱的底面在同一平面上，水泵与水箱的距离不超过1m，否则会增加阻力系数，增大误差；

所述的水箱顶部设置有进水口，水箱侧面底部设置有出水口；

所述的水泵的进水口通过第一输水管道与水箱的出水口相连接；

所述的水轮机放在水箱上，水泵的出水口通过第二输水管道与水轮机的进水口相连接，水轮机的出水口连接水箱的进水口，保证水轮机出水口流出的水直接进入水箱内；

所述的检测单元用于检测第二输水管道内水流情况和水轮机发电情况，该单元包括压力表、流量计、电压互感器、电压表和三相负载，压力表和流量计安装在水泵与水轮机相连的第二输水管道上，压力表用于检测第二输水管道的水流压力，流量计用于检测第二输水管道的水流量；三相负载用作水轮机的负载，与水轮机的电压输出端相连，在三相负载与水轮机的连接线路上还设置有电压互感器，所述电压互感器的输出端连接电压表，电压表用于检测水轮机的输出电压；

所述控制单元包括上位机、PLC和变频器，上位机与PLC的输入端相连，PLC的输出端与变频器的输入端相连，变频器的输出端与水泵的电源端相连，PLC通过控制变频器，来实现控制水泵电机的工作。

采用上述模拟抽水蓄能发电系统的试验装置进行试验的过程如下：

根据水轮机的额定转数和设定要模拟的抽水蓄能发电系统上水池的高度，通过上位机设定水泵电机的转数，并将设定的水泵电机的转数作为参数送至PLC；通过设定不同的水泵电机转数，来调节水泵出水口的压力，从而模拟出不同高度的上水池中水的重力势能。

PLC根据设定的水泵电机转数，计算变频器的输出电压及频率，并将计算结果送至变频器。

变频器根据PLC的计算结果，输出相应频率的三相电压，使水泵按照设定的参数进行抽水作业，将水箱中的水抽到水轮机的进水口，水流冲击水轮机叶轮使水轮机正常发电。

现场人员通过压力表和流量计观察水流情况，通过电压表观察水轮机作用在三相负载上的电压。

本实用新型的模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，有以下有益效果：

1、水泵、水轮机和水箱通过输水管道一体化连接，装置运行时，水泵从水箱中抽出来的水通过输水管道和水轮机又流到水箱内部，这样实现了水流的循环流动，不会造成水资源的浪费；

2、采用水泵直接连到水轮机的方式，通过调节水泵出水口不同的压力，来模拟不同高度的上水池中的水压力对水轮机的作用，即实现模拟上水池的水流过水轮机而发电，而不必建立真正的上下两个蓄水池来模拟抽水蓄能发电，大大减少装置的体积，节省所占空间；

3、根据压力表和流量计实时监控系统运行状态，根据实际需求来改变运行参数，大大增加了系统的可观性；

4、通过控制器控制水泵电机的转数，进而调节水泵出水口的水压力，来模拟出不同高度的上水池中水的重力势能，不必为了模拟不同高度的上水池而更换水泵等设备，减少试验成本。

本实用新型适用于实验室使用，与风力发电机配套使用效果更好。

附图说明

图1 本实用新型具体实施方式模拟抽水蓄能发电系统的试验装置结构框图；

图2 本实用新型具体实施方式模拟抽水蓄能发电系统的试验装置整体结构示意图；

图3 本实用新型具体实施方式抽水蓄能发电单元的结构示意图；

图4 本实用新型具体实施方式抽水蓄能发电单元的俯视图；

图5 本实用新型具体实施方式抽水蓄能发电单元的主视图；

图6 本实用新型具体实施方式抽水蓄能发电单元的左视图；

图7 本实用新型具体实施方式抽水蓄能发电单元的部分检测单元；

图8 本实用新型具体实施方式剩余部分检测单元；

图9 本实用新型具体实施方式控制单元；

其中，1-抽水蓄能发电单元，2-检测单元，3-控制单元，4-水泵，5-水轮机，6-水箱，7-压力表，8-流量计，9-三相负载，10-电压互感器，11-电压表，12-上位机，13-PLC，14-变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施做详细说明。

如图1所示，本实施方式的模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，包括抽水蓄能发电单元1、检测单元2和控制单元3。

抽水蓄能发电单元1如图3所示，包括水泵4、水箱6和水轮机5；抽水蓄能发电单元1的俯视图如图4所示，主视图如图5所示，左视图如图6所示。

水泵4采用型号为Y160M-2的卧式水泵。

水箱6采用5mm厚钢板结构，尺寸为1500mm×700mm×1700mm，箱体内部至少有6根钢条加以固定，并且钢板和钢条涂有防锈树脂，以免水箱6内部生锈，产生杂质增大实验误差，水箱6顶部设置有进水口，水箱6侧面底部设置有出水口，水箱6的进水口与水轮机5出水口口径大小相同。

水轮机5采用型号为SLF-6的斜击式水轮机，该水轮机5的出水口位于底部，水轮机5进水口与水轮机5叶轮成60度角。

水泵4与水箱6的底面在同一平面上，水泵4与水箱6的距离不超过1m，否则会增加阻力系数，增大误差。

水泵4的进水口通过第一输水管道与水箱6的出水口相连接；

水轮机5放在水箱6上，水泵4的出水口与第二输水管道的一端通过法兰固定连接，第二输水管道的另一端与水轮机5的进水口通过法兰固定连接，水轮机5的出水口与水箱6的进水口连接，保证水轮机5出水口流出的水直接进入水箱6内；

第一输水管道和第二输水管道均采用5mm厚白钢材料，白钢材质不易生锈，不必做防锈处理。

检测单元2用于检测第二输水管道内水流情况和水轮机发电情况，如图1所示，该单元包括压力表7、流量计8、电压互感器10、电压表11和三相负载9，压力表7型号为DWP-800M3，流量计8型号为LWGY-10，压力表7和流量计8安装在水泵4与水轮机5相连的第二输水管道上，压力表7用于检测第二输水管道的水流压力，流量计8用于检测第二输水管道的水流量；电压互感器10为简单的线圈缠绕式互感器，电压表11型号为DH3-AV200，如图8所示，三相负载9采用3000W电阻3根，采用星型连接方式，三相负载9与水轮机5的电压输出端相连接，电压互感器10接在三相负载9与水轮机5的电压输出端的线路上，且电压互感器10的输出端连接电压表11，电压表11用于检测水轮机5输出的电压；

控制单元3如图9所示，包括上位机12、PLC 13和变频器14，PLC 13型号为PLC200，变频器14型号为EM303A-9R0G/011P-3BB，上位机12与PLC 13的输入端相连，PLC 13的输出端与变频器14的输入端相连，变频器14的输出端与水泵4的电源端相连，PLC 13通过控制变频器14，来实现控制水泵4电机的工作。

上述模拟抽水蓄能发电系统的试验装置整体结构如图2所示。

采用上述模拟抽水蓄能发电系统的试验装置进行试验过程为：

根据水轮机的额定转数和设定要模拟的抽水蓄能发电系统上水池的高度，通过上位机设定水泵电机的转数，并将设定的水泵电机的转数作为参数送至PLC；

本实施方式中，水轮机的额定转数为1000r/min，要模拟的抽水蓄能发电系统上水池的高度为8m；通过设定不同的水泵电机转数，可以调节水泵出水口的压力，从而模拟出不同高度的上水池中水的重力势能；

PLC根据设定的水泵电机转数，计算变频器的输出电压及频率，并将计算结果送至变频器；

经计算，当水泵电机转速为1400r/min时，变频器输出的电压为380V，频率为25Hz；当水泵电机转速为500r/min时，变频器输出的电压为380V，频率为10Hz；由于变频器频率在0-10Hz时，水泵电机处于静止状态，而频率接近10Hz时水泵电机处于不确定的低转速状态，因此水泵电机能够稳定运行的最低转速为500r/min变频器输出的最低稳定频率为10Hz。

变频器的输出电压及频率送至水泵电机，使水泵电机按照设定的电机转数进行抽水作业，将水箱中的水抽到水轮机的进水口，水流冲击水轮机叶轮使水轮机正常发电；

现场人员通过压力表和流量计观察水流情况，通过电压表观察水轮机的输出电压。

Claims (2)

1.一种模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，其特征在于：包括抽水蓄能发电单元（1）、检测单元（2）和控制单元（3）；

所述的抽水蓄能发电单元（1），包括水泵（4）、水箱（6）和水轮机（5）；

所述的水泵（4）与水箱（6）的底面在同一平面上；

所述的水箱（6）顶部设置有进水口，水箱（6）侧面底部设置有出水口；

所述的水泵（4）的进水口通过第一输水管道与水箱（6）的出水口相连接；

所述的水轮机（5）放在水箱（6）上，水泵（4）的出水口通过第二输水管道与水轮机（5）的进水口相连接，水轮机（5）的出水口连接水箱（6）的进水口；

所述的检测单元（2）包括压力表（7）、流量计（8）、电压互感器（10）、电压表（11）和三相负载（9），压力表（7）和流量计（8）安装在水泵（4）与水轮机（5）相连的第二输水管道上，三相负载（9）与水轮机（5）的电压输出端相连，在三相负载（9）与水轮机（5）的连接线路上还设置有电压互感器（10），所述电压互感器（10）的输出端连接电压表（11）；

所述控制单元（3）包括上位机（12）、PLC（13）和变频器（14），上位机（12）与PLC（13）的输入端相连，PLC（13）的输出端与变频器（14）的输入端相连，变频器（14）的输出端与水泵（4）的电源端相连。

2.根据权利要求1所述的模拟抽水蓄能发电系统的试验装置，其特征在于：所述水泵（4）与水箱（6）的距离不超过1m。

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