[发明专利]具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法

说明书

本发明公开一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法，系统包括高压储气腔、冲击式水轮机、同步发电机以及至少两个工作单元，工作单元相互并联，工作单元顶端连通高压储气腔和冲击式水轮机尾水管道，其底端通过管道连通冲击式水轮机进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机中采用开度可调的喷嘴；能够长时间的定功率输出，通过多个独立工作单元的移相叠加，达到整体输出功率平稳的目的，喷嘴开度调节时间短，节流损失小。

技术领域

本发明涉及物理储能领域，具体为一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法。

背景技术

近年来风电和光电规模发展迅速，但是风力资源和光资源在短时间的波动较大，再加上配合电网调频调负荷的需求，新能源的并网使得电网面临的变负荷和一次调频要求更高，由此催生出对储能的需求。目前成熟的大规模储能技术有压缩空气储能，抽水蓄能和电化学储能。抽水蓄能对地质条件有较高的要求；电化学储能全生命周期内污染较为严重，无功功率需要额外的设施提供，并且不能增加系统的转动惯量；压缩空气储能对地理条件的限制小同时污染也较为可控，且利用同步发电机的特性可以单独调节有功功率和无功功率，通过设计可以提高其响应速度，具备一次调频能力可以提高电网的稳定性和系统转动惯量，是目前适宜推广的大规模储能之一。

目前，世界上的已经成功投入商业运营的压缩空气储能电站只有两个：11978年，在德国的亨托夫Huntorf诞生第一台商业运行的压缩空气储能机组。21991年5月第二座电站在美国阿拉巴马州麦金托夫市Mcintosh投入运行。但是现有的商业运行的压缩空气储能电站采用补燃的形式，热量利用存在不合理之处，导致整个系统效率低而且补燃会带来系统运行成本的升高以及对环境的污染。

在传统压缩空气储能电站的基础上，后人提出了无补燃的压缩空气储能的技术。现有的初步的双罐压缩空气储能系统利用双罐循环，来达到压缩储能和膨胀释能的连续过程，但是在压缩最后阶段和膨胀的初始阶段，由于压比变化迅速，带来的温升较为明显，通过热量的耗散带来了额外的能量损失。

一次调频，是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。一次调频要求的反应时间短，能够快速对频率变化做出响应。随着新能源电站规模的扩大，新能源发电量在电网中的占比逐渐升高，但现阶段风力发电机组多采用双馈异步发电机组，能量利用率高但是系统转动惯量小，一次调频能力弱；太阳能电站采用交流逆变器的形式将直流电转变为交流电并入电网，系统几乎无转动惯量，不能参与一次调频。但是各新能源电站在并网时要具备一定比例的一次调频能力，目前较为常用的一次调频手段为飞轮储能，但系统维护复杂，储能密度低，成本高。为此，本发明提出了一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，能减少储能和释能过程带来的能量损失，提高储能系统效率，提出一种带有喷淋功能的等温压缩空气储能系统。能够实时为新能源电站提供无功功率，由于持续接入电网，省去调整并网阶段，能够快速提供有功功率，配合新能源发电站提供一次调频能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，包括高压储气腔、冲击式水轮机、同步发电机、变压器以及N个工作单元，N≥2，工作单元相互并联，工作单元顶端的气路连通高压储气腔，工作单元顶端的水路连通冲击式水轮机尾水管道，工作单元的底端通过管道连通冲击式水轮机进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，其中，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机中采用开度可调的喷嘴；冲击式水轮机出口的尾水槽高度高于第一压缩罐的最高点；冲击式水轮机通过变速箱与同步发电机相连接，发电机的输出端通过变压器接入电网。