一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法，所述控制方法：包括步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，具体包括：步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率；步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；步骤1.5、压缩气体排气应急发电；步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。压缩空气蓄能。压缩空气蓄能。

【技术实现步骤摘要】
一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及机电领域，尤其是一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法。

技术介绍

[0002]众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动，由此带来的是大面积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％之间，抽水蓄能电站是电力系统重要的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电站的设计建设力度。目前抽水蓄能电站集中在南方水源充沛地区地形地貌满足上下储水条件建造，然而海洋、湖泊等不具备上储水条件地区，再有海上风电、水上漂浮光伏都不具备上下储水势能发电条件，无法实现抽水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，包括：功能性蓄水罐、控制器、平衡系统、进排储气系统、沉箱；其中，功能性蓄水罐位于水体周边；沉箱浸没于水体中；水流发电机组安装在沉箱两端；抽排水发电一体机通过管道与沉箱连接，置于陆地；所述平衡系统安装在沉箱侧面上部的4个对角线位置；进排储气系统通过管道与沉箱连接，浸没与水体中；控制器与所有被控设备通过无线或有线通讯连接，置于陆地上。2.根据权利要求1所述的一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的沉箱包括密封沉箱和压缩气体无底沉箱，压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，一体化建造连接；其中压缩气体无底沉箱无底，地面为空；其中，沉箱的结构外形为长方体，密封沉箱内部采用蜂窝状结构支撑，在密封沉箱两侧面各嵌入安装一套水流发电机组；密封沉箱上通过管道分别与抽排水发电一体机和压进排储气系统连接；沉箱依据密封沉箱进或排水产生的浮力和重力，在水体下上下移动，并通过平衡系统保证沉箱水平稳定、匀速的运动，同时带动压缩气体无底沉箱吸进或压缩气体；密封沉箱上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道和可伸缩进排气管道，可伸缩抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，可伸缩抽排水管道下端置于密封沉箱近底部，与密封沉箱内部连通，可伸缩抽排水管道上端与抽排水发电一体机一端连接；抽排水发电一体机另一端与三通阀门连接，抽排水发电一体机通过三通阀门的切换，分别与水体排水管道连通或与功能用水管道连通；可伸缩进排气管道一端分别与密封沉箱进排气口阀门和双向逆止阀连接；密封沉箱进排气口阀门与密封沉箱上一侧连接，形成密封沉箱内部气体对外的流通通道；可伸缩进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、进排气管道与压缩气体无底沉箱连接；可伸缩进排气管道另一端通过进排气阀门与大气连通。3.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，水流发电机组包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与阀门同心圆轴向连接，以及和水流发电机与阀门同心圆轴向连接，水流发电机阀门、水流发电机阀门，分别安装在密封沉箱两侧的外侧，水流发电机、水流发电机安装在密封沉箱两侧面内侧；水流发电机阀门和水流发电机阀门，在控制器CPU的控制下线性开合，控制水流通过水流发电机和水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。4.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的进排储气系统包括可伸缩进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门；其中，由于压缩气体无底沉箱与密封沉箱外底部一体化连接，在密封沉箱进排水过程中，沉箱在重力和浮力的作用下，对压缩气体无底沉箱内的气体吸进或压缩；进排气管道一端与压缩气体无底沉箱一侧上端连接；进排气管道另一端通过空压发电一体机、双向逆止阀与可伸缩进排气管道连接；可伸缩进排气管道上端安装有进排气阀门，控制气体进入和排出，可伸缩进排气管道下端安装密封沉箱进排气口阀门，控制密封沉箱气体进入和排出；其中，双向逆止阀内含有
A、B两个不同方向的逆止阀，A逆止阀气流方向定义为双向逆止阀的进出气口端；A逆止阀气流方向是由可伸缩进排气管道，通过空压发电一体机经进排气管道到压缩气体无底沉箱吸进气体；B逆止阀气流方向由压缩气体无底沉箱经进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩进排气管道，压缩气体无底沉箱排出气体发电。5.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的平衡系统包括：第一～第四平衡发电一体机，分别安装在沉箱上端四个角的位置，每个平衡发电一体机独立控制，能够改变角度、发电输出功率、螺旋桨驱动；目的当沉箱上下移动时，通过控制改变发电输出功率，保障沉箱水平稳定及匀速运动，在出现沉箱波动情况下启动平衡发电一体机螺旋桨驱动模式，保障沉箱水平稳定；其中，发电输出功率通过控制变换转速比，改变螺旋桨扭力，增加或减少发电量同时改变水流流过的流量，实现沉箱水平稳定及匀速运动。6.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的控制器CPU安装在控制室或柜内，控制器CPU通过有线或无线与所有的阀门、水流发电机和发电机、抽排水发电一体机、空压发电一体机、第一～第四平衡发电一体机进行控制；所有的设备都具有相关的数据传感器和自适应控制系统，通过有线或无线接收和发送数据，接受控制器远程调度功能。7.一种用于权利要求1
‑
6之一所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，具体包括：步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率P
水
；步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；步骤1.5、压缩气体排气应急发电；步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。8.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，初始状态下：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度h
外水
的水体中，压力为：P
外水
＝ρ
水
gh
外水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)密封沉箱内水深h
内水
＝0无水体积V
t1内
气体压力P
t1内
＝P0压缩气体无底沉箱内的体积V
t1压缩
，气体压力：P
t1压缩
＝P
外水
+ρ
水
gΔh
气沉
＝ρ
水
g(h
外水
+Δh
气沉
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)所述步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率P
水
，具体如下：由于初始状态时，密封沉箱外部压力P
外水
大于密封沉箱内部压力P
t内
，即P
外水
＞P
t1内
时，由于水流发电机发电做功功率P
水
与密封沉箱内外压力差ΔP和水流流量Q
水
有关，依据压强公式：
P＝ρgh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)通过密封沉箱内部水的深度h
内水
、外水的深度h
外水
和密封沉箱内部压力P
t内
，得到密封沉箱内外压力差ΔP的表达式为：ΔP＝ρ
水
gh
外水
+P0‑
ρ
水
gh
内水
‑
P
t内
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)由于密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP
min
，即ΔP＞ΔP
min
，依据做功功率公式：P＝F
·
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)做功水的推力：F＝ΔP
·
S
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)流量公式：Q
水
＝v
水
·
S
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)由此水流发电机发电做功功率P
水
P
水
＝F
·
v
水
＝ΔP
·
S
k
·
v
水
＝ΔP
·
Q
水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)由式(8)看出，当密封沉箱深度h
外水
一定时，水流发电机发电做功与水流发电机阀门的开度S
k
和水流流量Q
水
有关，当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP
min
，即ΔP＞ΔP
min
时，控制器通过控制水流发电机阀门开度面积S
k
，调整输出水流发电机发电功率；其中，h
外水
为密封沉箱所处水体的深度；h
内水
为密封沉箱内水的深度；V
t1内
为密封沉箱内初始体积；P
t1内
为密封沉箱内初始气体压力；P0为当地环境大气压力；P
外水
为密封沉箱外部压力；P
t内
为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P
水
为水流发电机发电做功功率；S
k
为水流发电机阀门的开度；v
水
为通过水流发电机水流的流速；Q
水
为通过水流发电机水流的流量；ΔP为密封沉箱内外的压力差；Δh
气沉
为压缩气体无底沉箱内气体高度；h
气沉
为压缩气体无底沉箱的高度；ΔP
min
为水流发电机最小发电工作压力差。9.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；水体在密封沉箱内外压力差ΔP作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，密封沉箱内气体体积V
t2内
减小，沉箱的浮力减小，沉箱的重力同步增加，沉箱处于下沉状态；而且随着注水量的增多，势必造成密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体空间快速的减小，沉箱下降速度加快；为保证沉箱匀速稳定的下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，调控平衡发电一体机增加沉箱下降的阻力，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电；同时沉箱重力对压缩气体无底沉箱内的气体做功，内部水面上升压缩气体使体积V
t2压缩
减小；由于压缩气体无底沉箱置...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨子龙，王哲，赵勇，曹国恩，陈伟伟，秦凡，王一波，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：