专利名称：基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站及储能发电方法
技术领域：
本发明涉及大容量电力储能技术，特别涉及一种压缩气体的势能与电能相互转换的虚拟抽水蓄能电站及储能发电方法。
背景技术：
电力系统中发电出力和负荷需求必须时时匹配。当没有储能设备时，常规火电厂必须当作备用，压火运行，降低了运行效率。风电场也必须通过弃风实现出力调整，浪费了能源。储能技术在电网运行过程“发-输-配-用”四大环节中起到重要作用。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。另外，风电现今已成为公认能够大规模开发的清洁能源，要降低电网碳排量，必须大力发展风电。但风力发电的特点是间歇性和不稳定性，为保证风能资源的有效利用，风场中应当设置有大容量储能装置。现在已经存在多种储能技术，比如抽水蓄能技术、压缩空气储能技术、超级电容储能技术、电池储能技术等，但成本低廉、具有大规模应用条件的大容量的储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能，而且它们都有各自的局限性。抽水蓄能电站的建设对地理地形条件有严格的限制，即必须有两个大容量的水池以及足够高的落差才能具有可行性，并对周边生态环境有很大影响；传统压缩空气储能的主要缺点是需要消耗大量燃气，产生碳排放，而且效率不高，导致其应用推广受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对电力系统调峰的需求和原有储能技术的缺陷，提出一种基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站及储能发电方法，以满足电力系统安全运行的需要。当负荷需求大于发电出力时，储能系统工作在发电状态；负荷需求小于发电出力时，储能系统工作在储能状态，使电力系统能够安全稳定地运行。使常规电厂一直工作在最优输出状态，并可减少资源浪费；同时，本发明大幅度降低储能造价，提高了储能装置能量转化效率，实现了绿色环保的电力储能系统。本发明所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站采用的技术方案为:高压储气单元作为储能元件与气水能量交换单元相连，同时,气水能量交换单元还与低压气体管道相连；气水能量交换单元分别与具有稳定压强差的高压水池和低压水池连接，抽蓄发电单元也分别与高压水池和低压水池相连；抽蓄发电单元的输出端与电网连接。所述高压水池和低压水池采用具有一定落差的高低位水池的方式，或采用具有稳定压强差的储水容器的方式，或采用上述两种方式的组合，使得高压水池和低压水池对外接口处的水具有稳定的相对压强差。储水容器可以是密闭的金属球罐、钢管等高压容器或地下工程。采用储水容器方案时，高压储水容器通过内部充入预置压缩空气形成预置压力；低压储水容器通过连接至大气的管道保持低压。所述抽蓄发电单元采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水泵组合，或者采用液压马达。气水能量交换单元有两种主要的实现方案。所述气水能量交换单元的第一种实现方案是采用两个或多个活塞串联成气水传动活塞组的方式实现压缩空气势能与水势能之间的转换；每个活塞缸内设置一个活塞，活塞之间通过连杆连接；一部分活塞缸内的活塞两侧的活塞腔，每侧活塞腔分别通过阀门及管路与高压储气单元和低压空气管道连接；一部分活塞缸内的活塞两侧的活塞腔，每侧活塞腔分别通过阀门管路与高压水池和低压水池连接。所述气水能量交换单元的第二种实现方案是采用液体活塞和液压传动机构组合方式实现压缩空气势能与水势能之间的转换；液体活塞包括两个液体缸，液体缸具有上部端口及下部端口 ；每个液体缸的上部端口分别通过阀门和管道与高压储气单元以及低压气体管道相连，液体缸的下部端口通过阀门和管道连接液压传动机构；液压传动机构采用两个或多个活塞缸串联成的活塞组的方式构成，每个活塞缸内设置一个活塞，各活塞之间通过连杆连接；一部分活塞缸内活塞两侧活塞腔分别通过阀门和管道与高压水池和低压水池连接，另一部分活塞缸内的活塞两侧活塞腔分别通过阀门和管道连接到液体活塞组的两个液体缸的下部端口。所述气水能量交换单元中的气水传动活塞组采用单组或多组，通过阀门控制独立运行，或采用多组气水传动活塞组串联、并联或串并联的工作方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换速度。所述气水能量交换单元中的液体活塞采用单组或多组，通过阀门控制独立运行，或多组液体活塞串联、并联或串并联的工作方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换速度。所述气水能量交换单元中液压传动机构的活塞组部分采用单组或多组独立运行，或多组活塞组串联、并联或串并联的工作方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换速度。所述气水能量交换单元可以采用多个气水能量交换单元通过阀门控制独立运行，或多组气水能量交换单元串联或并联或串并联的方式组成一个大型气水能量交换单元工作。本发明还提供了一种基于所述虚拟抽水蓄能电站的储能发电方法，具体为:所述高压储气单元中的压缩空气作为能量存储的介质，在具有稳定压强差的高压水池和低压水池内循环的水作为发电循环介质，采用抽蓄发电单元作为主要运行设备，通过阀门控制实现储能发电过程；所述电站具有储能和发电两种运行方式:所述储能运行方式为:储能时利用抽蓄发电单元消耗电能将水自低压水池传送至高压水池处，在气水能量交换单元中利用高压水池和低压水池的水压差做功，将低压气体管道内的低压气体压缩后通过高压气体通道送入高压储气单元，将电能转换成水的势能，再转换为压缩空气的势能；
所述发电运行方式为:气水能量交换单元通过阀门控制从高压气体通道接入高压气体，利用高压气体膨胀做功将低压水送入高压水池，做功后形成的低压气体在下次循环中会被送入低压空气通道排出。同时高压水池的水经抽蓄发电单元做功发电后流入低压水池，压缩空气势能装换为水的势能，再利用水池之间的压强差驱使抽蓄发电单元发电。所述储能或发电运行过程中，通过对抽蓄发电单元或气水能量交换单元的调节，使高压水池和低压水池的各自的水量变化在气水能量交换单元的一个运行周期内接近为
O,从而使高压水池和低压水池的出口处水相对压强差和各自总水量保持稳定。而在高压水池和低压水池出水压强差和水量允许变化的范围内，高压水池和低压水池在一个短时期内通过抽蓄发电单元或气水能量交换单元的各自进出水的总量可以不为零，以匹配其运行策略。本发明的有益效果为:(I)本发明将电能以压缩空气势能的形式进行存储，针对负荷需求和发电处理出现差异的问题，可以起到削峰填谷、平滑负荷的作用，降低了常规电厂由于大幅调整出力带来的经济和效率损失，从而也大幅度地提高了本发明的经济效益。而且本发明可以作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。(2)本发明可以作为风电场的配套建设，避免了风电场出力不稳定导致的弃风问题，提高风场的经济效益。(3)国内外成熟的大容量的电力储能技术只有抽水蓄能技术和压缩空气储能技术，前者必须依附特殊地形，后者需要消耗大量燃气，效率低，其他储能技术容量太小，成本太高，虽然可以少量地配合风电使用，但大规模地使用还不现实。而本发明提出的基于压缩空气的虚拟高差抽水蓄能装置将压缩空气储能与抽水蓄能技术结合在一起，取消了对地势的要求，降低了建设难度，减少建设成本。抛弃了对天然气燃烧的需求，降低了运行条件。(4)本发明利用气水能量交换单元将变压强压缩空气势能变为稳定压强水势能，来驱动水轮发电机发电，作用在水轮发电机上的等值水头始终恒定，对水轮发电机没有特殊的要求。(5)本发明成本低、效率高、寿命长、绿色环保、对生态无影响，可以帮助解决风电并网问题，降低电网碳排放。
图1为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站总体结构图；图2为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站的储能运行原理图；虚线箭头为气体流向，实线箭头为水流向；图3为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站的发电运行原理图；图4为高低压水池的第一种实现方案⑶I ;图5为高低压水池的第二种实现方案⑶2 ；图6为高低压水池的第三种实现方案⑶3 ；图7为高低压水池的第四种实现方案⑶4 ；图8为高低压水池的第五种实现方案⑶5 ；图9为高低压水池的第六种实现方案⑶6 ；
图10为高低压水池的第七种实现方案⑶7 ；图11为高压水池增加高压气仓的实现方案；图12为气水能量交换单元的第一种实现方案BI ；图13为气水能量交换单元的第二种实现方案B2 ；图14为水活塞的替代方案；图15为活塞组串联方式的结构图；图16为活塞组并联方式的结构图；图17为活塞组串并联方式的结构图；图18为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站整体实现方案I ;图19为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站整体实现方案2 ；图20为基于压缩空气的虚拟抽水蓄能电站整体实现方案3 ；图中标号:A-高压储气单元，B-气水能量交换单元，C-高压水池，D-低压水池，E-抽蓄发电单元，F-低压空气通道，1-高压气体管道，2-低压空气管道，3-第一高压水管道，4-第一低压水管道，5-第二高压水管道，6-第二低压水管道，7-电端口；8、9_水管道，10-水活塞，11-液压传动装置，12-高压气仓，14、15、35、36_活塞缸，16、37_活塞连杆，25、26_液体活塞的液体缸，46-上游水池，47-下游水池，48-压力水管，53-地下高压水罐，54-地下低压水罐，55-连通空气管道，56-地上高压水罐，57-水塔，58-高楼，59-高压气仓，60-高压水仓。13,17-24,27-30,31-34,38-45,49-52-阀门。
具体实施例方式本发明提供了一种基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站及储能发电方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。该虚拟抽水蓄能电站总体结构如图1所示:高压储气单元A通过高压气体管道I与气水能量交换单元B连接，气水能量交换单元B通过第一低压水管道4与低压水池D连接，低压水池D通过第二低压水管道6与抽蓄发电单元E连接；低压空气管道2与气水能量交换单元B连接，气水能量交换单元B通过第一高压水管道3与高压水池C连接，高压水池C通过第二高压水管道5与抽蓄发电单元E连接；抽蓄发电单元E通过电端口 7与电网连接。高压储气装置A中的压缩空气作为能量存储的介质，在具有稳定压强差的高压水池C和低压水池D内循环的水作为发电循环介质，采用抽蓄发电单元E作为主要运行设备，通过阀门控制和水轮发电机组控制实现储能发电过程。所述虚拟抽水蓄能电站具有储能和发电两种运行方式:储能运行方式如图2所示:储能时利用抽蓄发电单元E将低压水自低压水池D传送至高压水池C处，在气水能量交换单元B中利用高压水和低压水的水压差做功来压缩空气，将电能转换成水的势能，再转换为压缩空气的势能，存储到高压储气单元A中；在此过程中，电能首先转换为水的势能，最后转换为压缩空气的势能。发电运行方式如图3所示:将高压储气单元A中的压缩空气通入到气水能量交换单元B中，高压气体在气水能量交换单元B中膨胀做功，将低压水池D中的水输送到高压水池C中，同时高压水池C中的水驱动抽蓄发电单元E中的水轮发电机发电后流入到低压水池D中，压缩空气势能装换为水的势能，再利用水池之间的压强差使抽蓄发电单元E发电。在运行过程中，本虚拟抽水蓄能电站中高压水池C和低压水池D的各自水量基本不变，高压水池C和低压水池D中水的相对压强差基本不变。运行过程中，通过运行控制使高压水池C和低压水池D的进出水的水流均速且保持近似相等，两个水池各自水量变化在一个大的时间尺度上基本为零。本虚拟抽水蓄能电站中的高低压水池可以使用传统抽水蓄能电站中的上下游水池实现，上下游水池之间要有一定的高度差。由于本虚拟抽水蓄能电站的储能容量由高压储气仓决定，与高低压水池的库容无关，因此此方案对上下游水池的库容要求较低。本虚拟抽水蓄能电站中的高低压水池可以使用传统抽水蓄能电站中的上下游水池实现，上下游水池之间有一定的高度差，如图4所示的CDl方案，上游水池46以及相连的压力水管48共同构成高压水池，其高压水池的水出口处为压力水管48的末端。由于本虚拟抽水蓄能电站的储能容量由高压储气单元A决定，与高低压水池的库容无关，因此此方案对上下游水池的库容要求较低。第一高压水管道3和第一低压水管道4与气水能量交换单元B相连。发电时高压水通过第二高压水管道5驱动抽蓄发电单元E中的水轮发电机发电，然后通过第二低压水管道6流入低压水池D (即下游水池47)中；同时下游水池47中的水通过第一低压水管道4被抽出，在气水能量交换单元B中被传送入第一高压水管道3，进而进入高压水池C的出水口(压力水管48的末端)处。储能时抽蓄发电单元E中的水泵将下游水池47中的水抽到第二高压管道5中，进入高压水池，将电能转换为水的势能；同时高压水池中的水通过第一高压水管道3流入气水能量交换单元B做功后，再通过第一低压水管道4流回下游水池47中。当两种流向的水的流量相同时，高低压水池中的水量会保持不变。本虚拟抽水蓄能电站中的高低压水池也可以通过两个置于地表或地下的气水混合高压容器实现。其中一个容器中的气体压强较高，作为高压水池C使用；另一个容器中的气体压强较低，做为低压水池D使用。高压容器可以用使用钢架、混凝土构筑的地下储气工程实现，也可以用高压金属球罐实现，还可以用储气钢管实现。低压水池也可以利用地表的蓄水池实现。图5所示为高低压水池采用气水混合高压容器，都深埋于地下的方案，高压水池C(即地下高压水罐53)密封，内部气压为P1 (如3Mpa，等效为方案⑶I中的300m高度的上游水池46)，低压水池D (即地下低压水罐54)，气压为P2 (连通外界大气时，P2=0.1Mpa，等效为方案CDl中处于地表的下游水池47)。发电时地下高压水罐53中的高压水会通过第二高压水管道5驱动抽蓄发电单元E中的水轮发电机发电，然后通过第二低压水管道6流入地下低压水罐54中；同时地下低压水罐54中的水会通过第一低压水管道4被抽出，在气水能量交换单元B中转换并通过第一高压水管道3流入地下高压水罐53。储能时抽蓄发电单元E中的水泵将地下低压水罐54中的水抽到地下高压水罐53中，将电能转换为水的势能；同时地下高压水罐53中的高压水会通过第一高压水管道3流入气水能量交换单元B中做功后，再通过第一低压水管道4流回地下低压水罐54中。当两种流向的水的流量相同时，高低压水池中的水量会保持不变，气压也保持不变，即高压水池中的受压水势能保持不变，相当于方案CDl中恒定高度的上游水池，可以实现稳定的发电。
图6所示的方案⑶3中，高压水池C采用置于地下的地下高压水罐53，低压水池D用地表的低压水池47实现；图7所示的方案⑶4中，高压水池C采用置于地表的地上高压水罐56实现；发电与储能的实现方式与方案CD2相同，优点是抽蓄发电单元E可以置于地表，方便了安装和维护。高压水池也可以采用将实现方案⑶I和⑶4相结合的方案。将用高压金属球罐或储气钢管实现的高压水池C (地上高压水罐56)置于有一定地势差的高处，可以叠加两者的水势能，如图8所示。这种方案可以降低对地势高度的要求，同时可以降低高压气罐的耐压值。另外，高压水池C也可以通过水塔57来实现，如图9所示。高压水池C也可以通过高楼58来实现，如图10所示。高压水池C也可以在使用高压水仓60的基础上增加一个高压气仓59部分作为辅助，如图11所示。高压气仓59通过管道与高压水仓60的上部连接。辅助的高压气仓可以置于任意位置，增加了配置的灵活性。图11显示了辅助高压气仓配置在地下的方案。气水能量交换单元B在发电状态时的作用是利用压缩气体的势能将水从低压水池D中抽出，并将这些水传送到高压水池C中，将压缩气体的势能转换为水的势能；在储能状态时的作用是利用高低压水池中水的压强差做功来压缩空气，将水的势能转换为高压气体的势能。气水能量交换单元B可以直接通过活塞组实现，也可以通过液体活塞与液压传动装置的联合作用实现。图12所示为气水能量交换单元的实现方案BI，直接通过活塞组实现压缩空气势能与水势能之间的转换。高压气体管道I与高压储气单元A相连，低压气体管道2保持相对低压，第一高压水管道3和第一低压水管道4分别接至高压水池C和低压水池D。该活塞组包括连接空气的活塞缸14和连接水的活塞缸15，每个活塞缸内设置一个活塞，两个活塞之间通过活塞连杆16连接；活塞缸14内的活塞两侧，每侧空间分别通过阀门17-20及管路与高压储气单元A和低压空气管道2连接；活塞缸15内的活塞两侧，每侧空间分别通过阀门21-24及管路与高压水池C和低压水池D连接。通过阀门状态的正确设置，在任何时刻，活塞缸14内的活塞的一侧密封有高压气体，另一侧连通低压管道；活塞缸15内的活塞的一侧为高压水，与高压水池C相连，另一侧为低压水，与低压水池D相连。当处于发电状态时，空气活塞缸14内的活塞两侧高低压气体的压强差会驱动活塞连杆16运动，活塞连杆16的运动会使活塞缸15中的高压水流出，流入到高压水池C中；同时使低压水从低压水池D中流入到活塞缸15中，从而实现了水从低压水池流向高压水池。当处于储能状态时，活塞缸15中两侧高低压水的压强差会驱动活塞连杆16运动，活塞连杆16的运动使空气活塞缸14压缩密闭空间内的气体，当压缩的空气达到一定压强值时，打开阀门，将高压气体输入到高压储气单元A中，从而实现了水的势能向压缩气体势能的转换。整个过程需要阀门开关状态的正确配合。气水能量交换单元B的另一种实现方案B2如图13所示，是利用液体活塞10和液压传动装置11实现的。液体活塞是液体在两侧气压差作用下往复运动的装置，可以实现气体势能与水势能之间的转换；并可以通过额外装置辅助实现气体的绝热变化过程或等温变化过程。液体可以是包括水、油等在内的任何一种液态物质。液体活塞输出的液体的势能变化很大。液体活塞中至少应有两个液体缸(25和26)，如图13所示；液体缸相当于高压容器，可以用使用钢架、混凝土构筑的地下储气工程实现，也可以用高压金属球罐实现，还可以用储气钢管实现；可以用单一容器实现，也可以用多级容器组合实现。低压气体管道2保持低压，高压气体管道I的另一端接高压储气单元A，低压气体管道2和高压气体管道I分别通过阀门27-30与两个液体缸连接。液压传动装置可以使压强变化的水流与压强稳定的水流之间相互驱动，由若干个活塞组成。液体管道8和9分别通过阀门38-41连接液体活塞中的两个液体缸以及活塞缸35，第一高压水管道3和第一低压水管道4分别通过阀门42-45连接高压水池C和低压水池D。通过阀门状态的正确设置，活塞缸35和活塞缸36可以实现不同的压强控制。假定初始状态时液体缸25中完全充满水，液体缸26中只有少量水。当本系统处于发电状态时，控制阀门状态，使液体缸25密闭，液体缸26接通低压空气管道保持低压。工作时首先从高压储气单元A中经高压气体管道I向液体缸25中输入一定体积的高压气体，液体缸25中的水会经水管道9流向活塞缸35的某一侧，高压强作用会驱动活塞缸35的活塞运动，使活塞缸35另一侧的水经水管道8流入液体缸26中；同时会驱动活塞连杆37和活塞缸36中的活塞运动。通过恰当设置活塞缸36中各阀门的开关状态，可以实现活塞缸36某一侧的水经过第一高压水管道3流出到高压水池C，低压水池的水经过第一低压水管道4从低压水池流入到活塞缸36另一侧中。通过阀门状态的切换，在液体缸25中气体膨胀过程中，活塞连杆37可以做若干次的左右移动，此过程中，低压水持续流入活塞缸36，并持续有水从活塞缸36中流出到高压水池C中。当液体缸25中气体压强达到较小的值，不足以驱动活塞的运动时，可以将剩余的低压气体送入低压空气管道，再利用其他发电装置(如直线电机)进行发电，以提高能源利用率。当液体缸25中气体膨胀做功完毕后，液体缸25中剩余水量很少，液体缸26中几乎充满水，原有的低压气体被送入低压气体管道。将液体缸26封装，并将液体缸25与低压空气管道连通，然后再从高压储气单元A中输入一定体积的高压气体到液体缸26中，高压气体膨胀做功，将水从低压水池送入活塞缸36中，同时驱动活塞运动，将活塞缸36中的水压入高压水池。高压气体膨胀后形成低压气体会被送入低压气体管道。活塞缸35成为在液体活塞的两个液体缸中流动水的中转。当本系统处于储能状态时，仍假定初始状态时液体缸25中充满水，液体缸26中只有少量水，充满了低压空气管道进入的低压气体。控制阀门状态，使液体缸26密闭，液体缸25接通低压空气管道。工作时活塞缸36内活塞两侧水的水压差驱动活塞连杆37和活塞缸35内的活塞运动，配合阀门的开关状态，可以使液体缸25中的水经水管道9流向活塞缸35的某一侧，活塞缸35另一侧的水经水管道8流向液体缸26，压缩液体缸26中的密闭空气。通过阀门状态的切换，活塞连杆37左右运动都可以使液体缸25中的水流向活塞缸35，同时活塞缸35中的水流向液体缸26。当液体缸26中的气体被压缩到一定压强值时，打开阀门30将其与高压气体管道连通，继续工作直到所有液体缸26的气体送入高压气体管道，最终存储到高压储气单元A中。此时液体缸25中只有少量水，充满了低压气体管道的低压气体；液体缸26中几乎充满水，切换阀门状态，使液体缸25密闭，液体缸26接通低压气体管道。第一高压水管道3和第一低压水管道4中的水的压强差驱动活塞运动，从而驱动水活塞中水的流动，压缩密闭空间中的空气，形成高压气体存储起来。在气水能量交换单元实现方案B2中，水活塞的实现可以有如图14所示的替代方案。图14所示的水活塞方案相比于图13，增加了 4个阀门31-34，利用这4个阀门可以使管道8与管道9的输出恒定为高压水或低压水，这样可以简化液压传动装置11中的阀门切换。在气水能量交换单元实现方案BI和B2中的液压传动装置中，都使用了活塞。上述只描述了活塞单体的工作原理，在实际实现中，可以使用多个具有相同或不同面积的活塞通过串联、并联或串并联的方式实现，分别如图15-17所示。可以通过控制阀门的开关状态，实现活塞与不同机构的连接，从而可以控制整组活塞的运动速度。也可以使用多组不同实现方法的活塞组，根据实际情况选用其中一组和几组工作。组合各个模块单元的不同的实现方案，可以得到多种整体实现方案。图18所示的整体实现方案I中，利用了气水能量转换单元实现方案B2、高低压水池实现方案CD2，图19所示的整体实现方案2中，利用了气水能量转换单元实现方案B2、高低压水池实现方案CD3，图20所示的整体实现方案3中，利用了气水能量转换单元实现方案B1、高低压水池实现方案CD4。
权利要求
1.基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，高压储气单元(A)作为储能元件与气水能量交换单元(B)相连，同时,气水能量交换单元(B)还与低压气体管道相连；气水能量交换单元(B)分别与具有稳定压强差的高压水池(C)和低压水池(D)连接，抽蓄发电单元(E)也分别与高压水池(C)和低压水池(D)相连；抽蓄发电单元(E)也与电网连接。
2.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述高压水池(C)和低压水池(D)采用具有一定落差的高低位水池的方式，或采用具有稳定压强差的储水容器的方式，或采用上述两种方式的组合，使得高压水池(C)和低压水池(D)对外接口处的液体具有稳定的相对压强差。
3.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述抽蓄发电单元(E)采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水泵，或者采用液压马达。
4.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)采用两个或多个活塞串联成气水传动活塞组的方式实现压缩空气势能与液体势能之间的转换；每个活塞缸内设置一个活塞，活塞之间通过连杆连接；一部分活塞缸内的活塞两侧的活塞腔，每侧活塞腔分别通过阀门及管路与高压储气单元(A)和低压空气管道连接；另一部分活塞缸内的活塞两侧活塞腔，每侧活塞腔分别通过阀门及管路与高压水池(C)和低压水池(D)连接。
5.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)采用液体活塞和液压传动机构组合方式实现压缩空气势能与水势能之间的转换；液体活塞包括两个液体缸，液体缸具有上部端口及下部端口 ；每个液体缸的上部端口分别通过阀门和管道与高压储气单元(A)以及低压气体管道相连；液体缸的下部端口通过阀门和管道连接液压传动机构。液压传动机构采用两个或多个活塞串联成的活塞组的方式构成，每个活塞缸内设置一个活塞，各活塞之间通过连杆连接；一部分活塞缸内活塞两侧活塞腔分别通过阀门和管道与高压水池(C)和低压水池(D)连接，另一部分活塞缸内的活塞两侧活塞腔分别通过阀门和管道连接到液体活塞的两个液体缸的下部端口。
6.根据权利要求4所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)中的气水传动活塞组采用单组或多组，通过阀门控制独立运行，或采用多组气水传动活塞组串联、并联或串并联的工作方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换效率。
7.根据权利要求5所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)中的液体活塞采用单组或多组，通过阀门控制独立运行，或多组液体活塞串联、并联或串并联的工作方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换效率。
8.根据权利要求5所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)中液压传动机构的活塞组部分采用单组或多组独立运行，或多组活塞组串联、并联或串并联的工作 方式，以增强压缩空气势能与水势能之间的转换量和转换效率。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站，其特征在于，所述气水能量交换单元(B)采用多个气水能量交换单元通过阀门控制独立运行，或多组气水能量交换单元串联或并联或串并联的方式组成一个大型气水能量交换单元工作。
10.一种基于权利要求1所述基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站的储能发电方法，其特征在于，所述高压储气单元(A)中的压缩气体作为能量存储的介质，在具有稳定压强差的高压水池(C)和低压水池(D)内循环的水作为发电循环介质，采用抽蓄发电单元(E)作为主要运行设备，通过阀门控制实现储能发电过程； 所述电站具有储能和发电两种运行方式: 所述储能运行方式为:储能时利用抽蓄发电单元(E)消耗电能将水自低压水池(D)传送至高压水池(C)处，在气水能量交换单元(B)中利用高压水池和低压水池的水压差做功，将低压气体管道内的低压气体压缩后通过高压气体通道送入高压储气单元，将电能转换成水的势能，再转换为高压气体的势能； 所述发电运行方式为:气水能量交换单元(B)通过阀门控制从高压气体通道接入高压气体，利用高压气体膨胀做功将低压水送入高压水池(C)，做功后形成的低压气体在下次循环中会被送入低压空气通道排出。同时高压水池的水经抽蓄发电单元(E)做功发电后流入低压水池(D)，压缩空气势能装换为水的势能，再利用水池之间的压强差使抽蓄发电单元(E)发电。
11.根据权利要求10所述的储能发电方法，其特征在于，所述储能或发电运行过程中，通过对抽蓄发电单元(E)或气水能量交换单元(B)的调节，使高压水池(C)和低压水池(D)的各自的水量变化在气水能量交换单元(B)的一个运行周期内接近为0，从而使高压水池(C)和低压水池(D)的出口处水相对压强差和各自总水量保持稳定。
全文摘要
本发明涉及大容量电力储能技术，特别涉及一种基于压缩空气储能的虚拟抽水蓄能电站及储能发电方法。高压储气单元作为储能元件与气水能量交换单元相连；气水能量交换单元分别与具有稳定压强差的高压水池和低压水池连接，抽蓄发电单元也分别与高压水池和低压水池相连；抽蓄发电单元与电网连接。发电时气水能量交换单元利用高压气体膨胀做功将水从低压水池送入高压水池，再利用两个水池的水压强差驱动抽蓄发电单元发电；储能时抽蓄发电单元利用电网电力将水从低压水池送入高压水池，气水能量交换单元再利用两个水池的水压差做功来压缩空气，形成高压气体后送入高压储气单元。本发明采用成熟的抽水蓄能技术实现了压缩空气储能和发电控制。
文档编号E02B9/06GK103114564SQ20131004243
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者姜彤, 毕经天, 陈伟丽, 马娴, 王静然 申请人:华北电力大学