一种水力恒压储释能系统与智能调控方法
技术领域
本发明涉及储能领域，尤其涉及一种水力恒压储释能系统与智能调控方法。
背景技术
近年来，我国可再生能源快速崛起。2015年风力发电量与太阳能发电量分别为168.06TWh、38.3TWh，二者在总发电量中占比3.67％；2018年风力发电量和太阳能发电量分别增至325.32TWh、89.45TWh，在总发电量中占比提高两个百分点。期间，风力发电量和太阳能发电量年均增长率为24.63％、32.67％，风/光总发电量年均增长率为26.20％。但由于可再生能源存在间歇性、能量密度低等问题，大规模并网会对电网稳定造成冲击，此外由于输电通道建设的滞后限制了可再生能源的消纳，为了解决该问题，国家明确提出推动储能系统与可再生能源协调运行。
相较于传统的抽水储能，压缩空气储能是利用富余电力带动压气机压缩空气，将高压气体存储于储气室，并在用电高峰期将其释出推动空气透平膨胀作功，输出电能。压缩空气储能具有高密度、高效率、布置灵活等优势，是目前储能领域的研究热点之一。大规模压缩空气储能常选用废弃矿洞、岩洞等储存高压气体，在储释气过程中储气室压力不断变化，导致压气机和透平的工作点偏离设计工况，降低了系统效率；此外在释气的过程中随着储气室与环境压差的减小，最终储气室内会残留部分气体，造成能量浪费并减小了透平出力。水下压缩空气储能可以利用水的静压特性实现恒压储气与恒压释气，弥补传统定容变压储气系统的缺陷，提高系统运行效率，所以很有必要提出一种水力恒压储释能系统与智能调控方法。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种水力恒压储释能系统与智能调控方法，维持储气与释气过程中恒压储存罐内气体压力恒定，为促进新能源灵活高效消纳提供有效技术手段。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种水力恒压储释能系统，包括：
恒压储存罐，位于液面下且沿竖直方向上下移动，恒压储存罐具有进出气口和进出水口，所述进出气口通过管路和三通阀连通压气机和空气透平；
第一电机，所述第一电机通过第一负载缆绳与恒压储存罐的上端连接；
第二电机，所述第二电机通过第二负载缆绳与恒压储存罐的下端连接。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，还包括设置在恒压储存罐上方的混凝土浮动基础平台，所述混凝土浮动基础平台的下端面安装有至少两根垂直导轨，所述恒压储存罐通过滑轮沿着垂直导轨在竖直方向移动。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述第一电机和第二电机固定在混凝土浮动基础平台的上端面，所述第二负载缆绳通过敷设于水底的静滑轮与恒压储存罐的下端连接。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述第一电机安装有用于检测第一负载缆绳角度的第一角度传感器，所述静滑轮安装有用于检测第二负载缆绳角度的第二角度传感器。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述恒压储存罐的上端面设有用于监测恒压储存罐内液面到水平面距离的雷达液位计。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述恒压储存罐的上端面和下端面分别设置两个提拉环，位于同一端面的两个提拉环对称设在其所在端面的两端。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述压气机和空气透平与同一动力装置连接，所述动力装置通过第一离合器与压气机连接，所述动力装置通过第二离合器与空气透平连接。
根据本发明第一方面实施例所述的水力恒压储释能系统，所述动力装置为电动机和发电机一体机。
根据本发明的第二方面实施例，提供一种水力恒压储释能智能调控方法，包括以下步骤：
1)在储能过程，压气机出口的高压气体经三通阀和进出气口进入恒压储存罐内并排出相应气体体积的水，当浮力超过恒压储存罐重力时恒压储存罐便会产生上浮趋势；
2)通过雷达液位计监测恒压储存罐内液面到水平面的距离h，为了实现恒压储能，在充气过程中得保证监测到的液面高度h与预期值h0相等，恒压储存罐内预期压力：P＝Pa+ρgh0，其中，P为恒压储存罐内预期的空气绝对压力，Pa为大气压力，ρ为水的密度，g为重力加速度；
3)第二电机通过第二负载缆绳对恒压储存罐施加向下的作用力，抵消因充气后浮力的增量使恒压储存罐处于动态平衡并控制恒压储存罐上浮速度等于恒压储存罐内液面下降的速度，保证充气过程中恒压储存罐内压力维持恒定；
4)在释能过程中，恒压储存罐内的高压气体进入空气透平膨胀作功，带动发电机工作输出电能；
5)当恒压储存罐所受浮力大于自身重力时，通过改变施加于第二负载缆绳的拉力大小来调节恒压储存罐内液面高度；当恒压储存罐所受浮力小于自身重力时则通过改变施加于第一负载缆绳的拉力大小来维持恒压储存罐内液面高度。
根据本发明第二方面实施例所述的水力恒压储释能智能调控方法，储能和释能过程中，所述恒压储存罐内的气体压力维持恒定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的水力恒压储释能装置利用水的静压特性，可以做到变容积储气与释气，为恒压储气与恒压释气的实现提供有效的技术保障，理论上可以达到最大化利用恒压储存罐内高压气体能量，减少能量浪费，并使压气机和空气透平在设计工况附近运行，极大提高了系统运行效率。
2、对于海上风电而言，水下压缩空气储能可以就地利用海水环境，无需传统抽水储能建造上下水库的严苛地理条件要求，本发明的水力恒压储释能系统可以为促进新能源灵活高效消纳提供有效技术手段。
3、本发明中可以实时读取雷达液位计和角度传感器的数据，实现水陆信息传递与共享，可以在多个远程终端设备进行数据监控，同时根据实时信息流对恒压储存罐进行平衡受力分析，负载缆绳力施加恒压储存罐作用力以保证恒压储存罐内液位维持恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中恒压储存罐；
图3是本发明实施例中智能调控平台的架构示意图；
图4是本发明实施例中储能过程的恒压储气的过程图；
图5是本发明实施例中释能过程的恒压释气的过程图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1～图2，一种水力恒压储释能系统，包括电动机、发电机和能源回收装置，其中，能源回收装置为波浪能回收装置1、风力发电机2和太阳能电池板3等。
恒压储存罐22，位于液面下且沿竖直方向上下移动，恒压储存罐22具有进出气口27和进出水口25，进出气口27安装有第一电动闸阀31，进出水口25安装有第二电动闸阀23和滤网24，所述进出气口27通过管路和三通阀13连通压气机8和空气透平9，电动机和压气机8连接，空气透平9和发电机连接，所述恒压储存罐22的上端面设有用于监测恒压储存罐22内液面到水平面距离的雷达液位计26；恒压储存罐22内部均匀涂有密封材料。
第一电机16，所述第一电机16通过第一负载缆绳19与恒压储存罐22的上端连接，其中，第一电机16可以设置在液面以上，第一负载缆绳19直接与恒压储存罐22的上端连接，第一电机16可以设置在液面以下，第一负载缆绳19通过转向轮后与恒压储存罐22的上端连接。
第二电机15，所述第二电机15通过第二负载缆绳20与恒压储存罐22的下端连接，其中，第二电机15可以设置在液面以上，第二负载缆绳20通过转向轮后与恒压储存罐22的下端连接，第二电机15可以设置在液面以下，第二负载缆绳20直接与恒压储存罐22的下端连接。
在用电低谷期，能源回收装置产生的直流电一部分供给直流负载4、蓄电池5等直流型末端用户，剩余部分直流电通过逆变器6转换为交流电，供给交流负载7以及驱动电动机带动压气机8工作，压气机8的排气口通过三通阀13、输气管道18、第一电动闸阀31连接至恒压储存罐22的进出气口27；在用电高峰期，储存于蓄电池5的直流电通过逆变器6转换为交流电后供交流负载7使用，此外，存储于恒压储存罐22中的高压气体通过进出气口27、第一电动闸阀31、输气管道18、三通阀13和空气干燥器进入空气透平9膨胀作功并带动发电机输出电能。输气管道18和进出气口27采用密封连接。
为了避免海下复杂环境造成恒压储存罐22水平方向晃动，使罐内气体压力大幅度波动，在恒压储存罐22上焊接有滑轮并通过安装于混凝土浮动基础平台17下方的四根垂直导轨28实现竖直方向移动。在储能过程，压气机8出口的高压气体经三通阀13和进出气口27进入恒压储存罐22内并排出相应气体体积的水，在充气过程中，当恒压储存罐22所受浮力小于自身重力时，通过减小第一电机16施加于第一负载缆绳19的拉力来调节恒压储存罐22内液面高度，当恒压储存罐22所受浮力大于自身重力时，通过增大第二电机15施加于第二负载缆绳20的拉力来调节恒压储存罐22内液面高度；在释能过程中，恒压储存罐22内的高压气体进入空气透平9膨胀作功，带动发电机工作输出电能；当恒压储存罐22所受浮力大于自身重力时通过改变施加于第二负载缆绳20的拉力大小来调节恒压储存罐22内液面高度，当恒压储存罐22所受浮力小于自身重力时则通过改变施加于第一负载缆绳19的拉力大小来维持恒压储存罐22内液面高度。
在一些实施例中，在恒压储存罐22上方设置混凝土浮动基础平台17，所述混凝土浮动基础平台17的下端面安装有至少两根垂直导轨28，恒压储存罐22通过焊接于罐体的滑轮沿着垂直导轨28在竖直方向移动，以提高恒压储存罐22沿竖直方向移动的平稳性。如图1和图2所示，恒压储存罐22的两侧分别设置有两根垂直导轨28，进一步提高恒压储存罐22沿竖直方向移动的平稳性。
在一些实施例中，如图1所示，第一电机16和第二电机15的数量均为两台，第一电机16和第二电机15固定在混凝土浮动基础平台17的上端面，第二负载缆绳20通过敷设于水底的静滑轮21与恒压储存罐22的下端连接。两台第一电机16对称设置在恒压储存罐22两端，两台第一电机16分别通过第一负载缆绳19与恒压储存罐22上端面的两端连接，两台第二电机15对称设置在恒压储存罐22的两端，两台第二电机15分别通过第二负载缆绳20与恒压储存罐22下端面的两端连接，使得恒压储存罐22受力平衡。
在一些实施例中，恒压储存罐22的上端面和下端面分别设置两个提拉环29，位于同一端面的两个提拉环29对称设在其所在端面的两端。第一负载缆绳19固定在恒压储存罐22的上端面提拉环29，第二负载缆绳20固定在恒压储存罐22的下端面提拉环29，便于负载缆绳和恒压储存罐22的连接。
在一些实施例中，所述第一电机16安装有用于检测第一负载缆绳19角度的第一角度传感器，所述静滑轮21安装有用于检测第二负载缆绳20角度的第二角度传感器。以罐内压力达到预期值时为参考基准，此时罐内液面高度维持在设计值h0。若为储气过程，当继续往恒压储存罐22充气时，罐体所受浮力增大，产生上浮趋势，为实现动态储气平衡，遵循如下受力分析：
Δh1＝a(tanα1’-tanα1) (1)
2F1’sinα1’+mg＝ρg(Vair+Vshell) (2)
其中式(1)等号左边表示充气导致的液面下降程度，等号右边表示第二负载缆绳20在垂直方向上的长度增量，a为静滑轮21到垂直导轨28的水平距离，α1和α1’分别表示第二负载缆绳20动态平衡前后的角度值；式(2)等号左边表示第二负载缆绳20作用于罐体的垂直方向力与恒压储存罐22自身重力(忽略罐内空气质量)之和，等号右边表示恒压储存罐22所受的浮力，Vair表示恒压储存罐22内气体体积，即排开水的体积，Vshell表示罐壳自身的体积。
若为释气过程，当继续往空气透平9释气时，恒压储存罐22所受浮力减小，产生下降趋势，为实现动态释气平衡，此时遵循如下受力分析：
Δh2＝b(tanα2’-tanα2) (3)
2F2’sinα2’+ρg(Vair+Vshell)＝mg (4)
其中式(3)等号左边表示释气导致的液面上升程度，等号右边表示第一负载缆绳18在垂直方向上的长度增量，b为第一电机16到垂直导轨28的水平距离，α2和α2’分别表示第一负载缆绳19动态平衡前后的角度值；式(4)等号左边表示第一负载缆绳19作用于恒压储存罐22的垂直方向力与所受浮力之和，等号右边表示恒压储存罐22自身重力(忽略罐内空气质量)。
在一些实施例中，如图1所示，所述压气机8和空气透平9通过同一个动力装置10驱动，所述动力装置10通过第一离合器11与压气机8连接，所述动力装置10通过第二离合器12与空气透平9连接。所述动力装置10为电动机和发电机一体机。
本发明还包括智能调控平台，如图3所示，智能调控平台由能量收集模块、储释能模块、信息采集模块、数据传输共享模块以及数据处理模块等五大模块组成。其中，能量收集模块包括波浪能回收装置1、风力发电机2和太阳能电池板3等能源回收装置；储释能模块包括蓄电池5和恒压储存罐22；信息采集模块包括用于收集罐内液面高度信息流的雷达液位计26和用于收集负载缆绳角度信息流的角度传感器；数据传输共享模块包括传感器总线传输数据信息流和OPC技术集成；数据处理模块主要根据恒压储存罐22储释气过程中，罐体所受浮力与自身重力差值信号驱动动力装置10工作，带动第一负载缆绳19或第二负载缆绳20，使恒压储存罐22内的液面高度维持恒定值。
能量收集模块负责开发波浪能、风能、太阳能，为储能系统提供初始动力；储释能模块负责将用电低谷期的富余电能一部分存储于蓄电池5，另一部分驱动压气机8工作产生高压气体并储存于恒压储存罐22中，在用电高峰期时，则一部分通过释放蓄电池5的电能补足外界负荷需求，另一部分通过释放恒压储存罐22里的高压空气推动空气透平9膨胀作功以驱动发电机工作输出电能；信息采集模块负责采集雷达液位计26监测到的恒压储存罐22内液面高度信息流和缆绳角度传感器监测到的负载缆绳角度信息流；数据传输共享模块融合传感器总线数据采集系统与OPC功能，可以实时读取雷达液位计26、第一角度传感器和第二角度传感器的数据，实现水陆信息传递与共享，可以在多个远程终端设备进行数据监控；数据处理模块根据储释气过程恒压储存罐22内液面波动程度计算抵消液位变化的缆绳角度，最终对恒压储存罐22进行平衡受力分析计算恒压储存罐22上下端的负载缆绳作用力，通过改变电机的出力以保证恒压储存罐22内液位维持恒定进而实现恒压储释气。
一种水力恒压储释能智能调控方法，包括以下步骤：
如图4所示，当能源回收装置的发电量大于外界负荷需求时，产生的直流电一部分进入蓄电池5储存起来，另一部分直流电通过逆变器6转换成交流电后驱动电动机和发电机一体机中的电动机并带动压气机8工作，产生的高压空气通过三通阀13、输气管道18、第一电动闸阀31及进出气口27进入恒压储存罐22并排出恒压储存罐22内相应气体体积的水，此时，第一离合器11接通。在充气过程中，当恒压储存罐22所受浮力小于自身重力时，通过减小第一电机16施加于第一负载缆绳19的拉力来调节恒压储存罐22内液面高度，当恒压储存罐22所受浮力大于自身重力时，通过增大第二电机15施加于第二负载缆绳20的拉力来调节恒压储存罐22内液面高度；当恒压储存罐22内充满气体时，压气机8、三通阀13、第一电动闸阀31和第二电动闸阀23关闭，恒压储能过程结束。
图5所示，在恒压储存罐22释气的过程中，第二电动闸阀23打开，恒压储存罐22内高压气体通过进出气口27、第一电动闸阀31、输气管道18、三通阀13和空气干燥器14进入空气透平9膨胀作功，带动电动机7和发电机一体机中的发电机工作输出电能，此时离合器接通。空气干燥器14的作用是干燥恒压储存罐22内气体的水分避免腐蚀空气透平9的叶片以及造成机械损坏，进而降低空气透平9工作性能。在释气过程中，当罐体所受浮力大于自身重力时通过减小第二电机15施加于第二负载缆绳20的拉力大小来调节恒压储存罐22内液面高度，当恒压储存罐22所受浮力小于自身重力时则通过增大第一电机16施加于第一负载缆绳19的拉力大小来维持罐内液面高度；当恒压储存罐22充满水时，第一电动闸阀31、第二电动闸阀23和三通阀13关闭，恒压释能过程结束。
在储能充气和释能释气的过程中，通过雷达液位计26监测恒压储存罐22内液面到水平面的距离h，为了实现恒压储释能，在充气、释气过程中得保证监测到的液面高度h与预期值h0相等，恒压储存罐内预期压力：
P＝Pa+ρgh0，其中，P为恒压储存罐内预期的空气绝对压力，Pa为大气压力，ρ为水的密度，g为重力加速度。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
