隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵配比方法
2023-06-10 22:52:06
專利名稱：隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵配比方法
技術領域：
本發明涉及電氣技術領域中隨機波動能源-抽水蓄能系統，特別是涉及一種隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵配比方法。
背景技術：
風電和太陽能發電的隨機性和波動性給接入的電網的安全穩定運行帶來了挑戰。 為了保證電網按照要求穩定的運行，在將隨機波動的新能源接入到電網中時必須採用適當的控制方法。利用儲能裝置進行緩衝，減少可再生能源的波動性是最有效的解決方案。其中抽水蓄能由於其技術成熟，在有地理條件的地區成為了儲能的首選。抽水蓄能可以接於大電網作為系統調峰使用，也可接于波動電能入網口，水泵變速運行以直接平滑可再生能源的電能波動減小對系統的影響。還可以將抽水蓄能直接與波動的可再生能源連接，將波動電能轉化成常規的水電，接入電網或給區域供電，以這種方式進一步提高電力生產中可再生能源的利用比例。截至目前，國內外已經對風電-抽水儲能技術作了大量的研究，也發表了很多的論文，然而針對大容量風能(兆瓦級以上)與抽水蓄能組成獨立系統的研究幾乎沒有，也未見研究波動風能與抽水水泵的配比論文。現有研究的小容量風機-水泵都是單機對單泵的系統，很多都將重點放在了其中變換器的控制設計上，研究系統運行的可行性。以及如何提高變壓器、整流器、逆變器等功率變換的效率。另外，在抽水儲能領域的專利技術也很少，如審定公告日為2007年10月31日，公開號為CN200968261Y的中國專利「風力抽水儲能發電裝置」，採用的是氣壓水泵而非現在常用的電動水泵；如審定公告日為2010年2月24日，公開號為CN101656423A的中國專利「光風水互補式抽水蓄能發電調峰裝置」主要是從系統的角度提出了一種調峰方案；如審定公告日為2007年6月20日，公開號為CN1982703A的中國專利「組合風力發電和抽水蓄能水力發電系統的系統和方法」也是從系統的角度提出了一種風力發電和水泵抽水蓄能水力發電相結合的系統配置方案，對於如何使用水泵來覆蓋風能的變化並沒有說明，只是簡單的提到採用一臺變速泵抽水儲能。雖然抽水儲能技術現在已經比較成熟了，但是與接入電網的抽水蓄能系統不同， 風能的波動性和間歇性使水泵無法保持在額定的工作點運行，需要變速運行。受水泵調速運行效率和範圍的限制，大範圍的功率波動會帶來水泵運行的低效率並且當波動電能較小時難免會停止工作，造成能量丟棄。因此，泵的合理組合及與波動電能的配比對於提高整個系統的運行效率和系統效益有著至關重要的作用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，可以使水泵保持運行在最大效率點附近，提高系統的效率。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，包括以下步驟
(I)確定隨機波動能源的輸出功率變化範圍，確定最大輸出功率為Pmax ；(2)選擇水泵的額定功率為隨機波動能源的輸出功率中最大輸出功率的一半，即
iPmax,將選出的水泵作為第一泵組，得到能夠覆蓋的波雲力範圍為\p^p^ ;
2 x IIldA4(3)選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半，即
Ix丄P 將選出的水泵作為第二泵組，得到能夠覆蓋的波動範圍為；
24[16 4 _(4)重複選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半直到能夠所選擇的水泵能夠覆蓋最小的輸出功率Po。 所述第一泵組和第二泵組均為兩個相同的水泵共管並聯而成。所述的隨機波動能源為風能或太陽能。有益效果由於採用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果採用本發明的方法後，水泵的工作效率得到提高，可始終在最大效率點附近運行，而且水泵運行能夠覆蓋的電能波動範圍大大增加。同時在一定程度上也增強了整個系統的故障承受能力，即當某臺或者某組水泵因故障停止工作後可以切換到其它的功率相當的泵組繼續工作。
圖I是本發明實施例中泵與管路的特性曲線圖；圖2是本發明隨機波動能源-抽水蓄能系統的結構示意圖；圖3是本發明隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。本發明提出一種隨機波動能源(如風能)_抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，可以使水泵保持運行在最大效率點附近，提高系統的效率。根據實際的波動能源 (如風能、太陽能)情況運用該方法合理的配置水泵可以將波動能源的利用率提高到最高， 甚至可以將其全部覆蓋，從而增加波動能源的利用率。如圖I所示，為離心水泵和管路的特性曲線圖。從管路-流量特性曲線Hc^qv可以看出，對於一定的管路系統(尺寸和材料等都相同)來說，流量與揚程成正比，通過的流量越多，阻力越大，需要外界提供的能量也越多。對水泵而言，其主要特性曲線有三條揚程-流量特性曲線、效率-流量特性曲線、軸功率-流量特性曲線。從泵-流量特性曲線 H_qv可以看出，當轉速一定時泵的每一流量qv都對應一個揚程H，並且它們是成反比的；泵的效率對應一定流量有一段高效率區，且額定值附近效率最高；泵的軸功率與流量成正比
4關係。當轉速改變時，三條曲線都會發生變化。一般近似認為流量qv與轉速η成正比； 揚程H與轉速的平方η2成正比；泵的輸入功率Psh與轉速的立方η3成正比。由於泵的實際運行工作點是由泵的特性曲線和管路的特性曲線的交點所確定的，因此，當轉速η變化時， H-Qv曲線就會和Hc^qv曲線有一個新的交點，即新的運行點，此時流量和揚程也會改變。根據相關原理，如果泵的轉速在額定值附近降速變化範圍很小，即小於其額定轉速的20%，那麼泵的效率下降也非常小；因而水泵在這個範圍內的調速運行可以保證使其工作在高效率區。此外，泵並聯後的總流量等於並聯各泵流量之和，且並聯後的揚程與並聯運行的各泵的揚程相等，因而在揚程一定的條件下，泵並聯運行可以增加系統的抽水量。如圖2所示，為本發明隨機波動能源-抽水蓄能系統的結構示意圖。所述的隨機波動能源-抽水蓄能系統主要包括隨機波動能源(如風能、太陽能)、輸電裝置、數字切換開關、泵組、管道、下水庫和上水庫等。其中輸電裝置包括升壓變壓器、降壓變壓器、變換器和輸電線等；泵組包括多組不同額定功率等級的並聯運行的水泵。該系統中隨機波動能源產生電能經輸電裝置和數字切換開關傳送到相應功率等級並聯運行的水泵，然後水泵將下水庫(地勢較低處)的水抽到上水庫(地勢較高處)，從而達到抽水儲能的目的。不同於傳統抽水蓄能系統之處是抽水系統由2-3組泵組組成，其中每組為兩個相同的泵共管並聯運行，不同組水泵的額定功率等級不同。根據上面介紹的泵和管路的特性以及實際的隨機波動能源情況，合理的配置泵組，運行中，根據輸入功率的大小，切換泵的啟停，可以使水泵保持運行在最大效率點附近，儘可能提高系統的總流量，同時泵的輸入功率可以覆蓋間歇性波動能源的全部波動範圍，從而提高波動能源的利用率。此外，在充分利用波動能源的同時，保證泵的規格數最少，便於運行管理。如圖3所示，為本發明隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法示意圖，在此以5臺2MW風機為例詳細說明波動電能與水泵的配比方法，該方法也適用於其它隨機波動能源(如太陽能或風光組合)。圖中橫坐標為風速，縱坐標為對應的風機的總輸出功率；以波動電源的一個上升波段為例，其中Po為風機的切入功率，即波動電源的最小輸出功率，此處最大輸出功率為10MW。1#、2#、3#、4#、5#為水泵的編號，1、2號泵為相同的兩個大功率泵，組成第一組；3、4號泵組成第二組；5號泵為第三組。水泵組數的確定不僅要保證水泵的數量和型號數最少，也要使系統最大範圍的覆蓋隨機波動能源。各組泵的規格選擇方法如下(I)確定風場的輸出功率變化範圍，最大功率Pmax和最小功率pmin。(2)可以選擇水泵的額定功率為，而由前面的分析可知80%的轉速對應的水
泵的功率大約為其額定功率的50%，所以額定功率為|只_的水泵能夠覆蓋的風電波動範
圍為。因此，對於5臺2麗的風機我們可以選擇2臺5麗的水泵(1#和2#)作
為第一組泵調速運行。在5至IOMW輸入功率時兩泵並聯調速運行，5至2. 5MW時一臺泵單獨調速運行(如圖示)。它們能夠保持高效率運行的功率範圍為2. 5MW到10MW。(3)選擇額定功率為Ixipmax，即^Aiax的2臺水泵作為第二組泵，它們能夠保持高效率運行的功率範圍為
權利要求
1.一種隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)確定隨機波動能源的輸出功率變化範圍，確定最大輸出功率為Pmax；(2)選擇水泵的額定功率為隨機波動能源的輸出功率中最大輸出功率的一半，即1ZVx，將選出的水泵作為第一泵組，得到能夠覆蓋的波雲力範圍為-Λρ^ρ^ ;2 x IIldA4(3)選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半，即^X\max，將選出的水泵作為第二泵組，得到能夠覆蓋的波動範圍為^Aiax^max ;2416 4(4)重複選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半直到能夠所選擇的水泵能夠覆蓋最小的輸出功率Po。
2.根據權利要求I所述的隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，其特徵在於，所述第一泵組和第二泵組均為兩個相同的水泵共管並聯而成。
3.根據權利要求I所述的隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，其特徵在於，所述的隨機波動能源為風能或太陽能。
全文摘要
本發明涉及一種隨機波動能源-抽水蓄能系統中波動電能與水泵的配比方法，包括以下步驟(1)確定隨機波動能源的輸出功率變化範圍，確定最大輸出功率為pmax；(2)選擇水泵的額定功率為隨機波動能源的輸出功率中最大輸出功率的一半，將選出的水泵作為第一泵組；(3)選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半，將選出的水泵作為第二泵組；(4)重複選擇水泵的額定功率為上一步驟中能夠覆蓋的波動範圍的下限的一半直到能夠所選擇的水泵能夠覆蓋最小的輸出功率p0。本發明可以使水泵保持運行在最大效率點附近，提高系統的效率。
文檔編號F03B13/06GK102588194SQ201210065498
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者李徵, 蔡旭, 錢坤 申請人:東華大學