一种梯级水库储能系统的制作方法

1.本实用新型涉及水电技术领域，尤其是一种梯级水库储能系统。


背景技术：

2.随着国家“碳达峰、碳中和”的战略目标实施，风力和太阳能等新能源发电在电力系统占比例逐年提高，大量间歇性、波动性、随机性等难以调控的新能源发电并入电力系统，导致电网面临着更为严峻的调频、调峰、调相的压力，如缺乏应有调节系统，将严重影响电网安全稳定运行。
3.能源储存是解决新能源稳定并网的有效技术手段。在后半夜等电网负荷低谷时段，利用火电、核电等过剩发电能力进行能量储存；在上半夜等电网负荷高峰时段，将储存的能量转化为电能输出，用于电网削峰填谷，减轻电网波动，有效地提高电网对新能源的消纳能力，有利于电网调频、调峰、调相和事故应急备用。
4.储能技术按照储存介质分类，主要有机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。
5.目前技术成熟、实际应用较多的储能方式有：机械类的抽水蓄能电站储能，电化学类的蓄电池储能等。
6.抽水蓄能电站利用电网低谷时段过剩电能，将水从低高程的下水库抽到高程高的上水库；在电网负荷高峰时段，上水库放水发电，起到电网调频、调峰、调相和削峰填谷作用。抽水蓄能水站基本上是“抽水4度电，发出3度电”，效率约为75%。为了更好实现电网调频、调峰和削峰填谷，国家制定的高峰和低谷的电价差都大于2倍以上，用电高峰季节电价差可达3至4倍，保障了抽水蓄能电站巨大投资的稳定经济效益。水库可储蓄水的能量大，储水发电削峰填谷效果显著，有效保障电网安全稳定运行，安全和社会效益突出。
7.但抽水蓄能电站必须依赖数百米高差（水头）地形条件，局限性大、地理环境制约多、选址困难，建设条件好、制约因素少的站址资源少。立项后建设周期长，工程系统复杂，投资大，回报较慢，开发建设积极性不高，供需矛盾突出。
8.蓄电池储能是近年来在配电网中应用的化学储能方式，具有结构简单，技术成熟，效率较高，并网时间短等优点，但由于蓄电池所储蓄能量有限，使用寿命短，成本高，多数应用在配电网、微电网及终端用户事故应急备用领域。
9.大容量的蓄电池储能体积大，过充电可能导致发热、意外自燃等安全隐患，采用过充电保护等技术措施增加工程投入，目前不具备大规模参与电网削峰填谷调节条件。


技术实现要素：

10.本实用新型提出一种梯级水库储能系统，依托常规水电站或梯级水电站（以下统称水电站）的梯级水库、水轮发电机组、输变电系统等现有资源，因地制宜新增少量水工建筑物及设备，结合电网峰谷电价差，进行分时段抽水储能和顶峰发电，有效克服了现有技术的不足。
11.本实用新型采用以下技术方案。
12.一种梯级水库储能系统，通过把水电站尾水向水电站所在水库回送以进行储能，所述储能系统包括由尾水水路和拦河坝形成的尾水库；所述尾水水路的输入口与水电站水轮机组的尾水输出端相通；所述尾水库包括可通过水泵向水电站所在水库回送尾水，以高程水能进行储能的抽水水路；所述抽水水路进水口低于尾水水路输出口，尾水库以抽水水路进水口与尾水水路输出口之间的高程差形成储能用尾水库容。
13.所述拦河坝的设计高程以尾水库的库容量满足日或多日调节的储能蓄水量为准。
14.所述拦河坝采用可进行自由溢流泄水的坝顶结构。
15.所述抽水水路包括水泵；所述水泵的进水口与抽水水路进水口相通；所述水泵的出水口与输水设备的进水口相通；所述输水设备的出水口与水电站所在水库相通；输水设备的出水口、进水口处均设有控制阀，当水泵抽水以向水电站所在水库回送尾水进行蓄能时，控制阀导通，当水泵停止抽水或是输水设备检修时，控制阀关闭。
16.所述水泵设于抽水泵房内，以抽水储能工作电源供电。
17.所述抽水储能工作电源为电网用电低谷时段的过剩电力，包括火电后半夜时段的过剩发电或核电后半夜时段的过剩发电。
18.所述储能系统还包括对水泵、工作电源、控制阀运行状态进行实时监测和控制的控制系统；所述控制系统根据电网运行状态和调控指令，对工作电源、控制阀开闭作业、水泵工况进行联动控制，有序地抽取尾水向水电站所在水库回送以进行储能。
19.所述控制阀为蝶阀；所述输水设备包括渠道、隧洞或管道，或是上述三种的组合结构；所述管道包括有压管道；所述输水设备的进水口处设有拦污栅。
20.所述储能用尾水库容满足梯级水库的日调节储蓄水量要求。
21.所述梯级水库包括水电站河道上游枢纽水库、下游尾水库或梯级水电站的区间水库，通过其储存的不同高程的水能来发电。
22.本实用新型针对现有储能技术不足，特别是抽水蓄能电站选址难度大、投资大、建设周期长等问题，依托常规水电站或梯级水电站（以下统称水电站）的梯级水库、水轮发电机组、输变电系统等现有资源，因地制宜新增少量水工建筑物及设备，结合电网峰谷电价差，进行分时段抽水储能和顶峰发电，有效克服了现有技术的不足。
23.本实用新型通过日复一日循环的抽水-发电-抽水-发电，消纳了火电、核电低谷时段过剩发电出力，有效满足电网调频、调峰、调相和削峰填谷需求；平抑风电、太阳能发电等新能源的间歇性、波动性、随机性并网后导致电网稳定性失衡，确保电网安全稳定运行，能发挥极其重要作用。
24.本实用新型利用梯级水库储能和峰谷电能差价，进行抽水储能、提升顶峰发电能力，经济效益显著。特别是综合利用现有梯级水库等水工建筑储能、水轮机组发电和升压站及输电线路等输变电系统，大幅降低了抽水储能工程投资，有效克服了新建抽水蓄能电站的选址难、工程复杂，建设周期长，投资大等不足；比蓄电池化学储能容量更大，更为环保、更加安全可靠，使用寿命周期更长，度电储蓄成本可降低50%以上。
25.本实用新型技术创造性依托现有梯级水库等优质资源，因地制宜进行技术改造，经济、社会和安全环保效益突出，适合国家“碳达峰、碳中和”战略目标，实用性强，安全可靠，投资省、见效快等优势突出，推广应用前景广阔。
附图说明
26.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
27.附图1是本实用新型的示意图；
28.附图2是本实用新型用于电网削峰填谷的示意图；
29.图中：1-抽水泵房；2-水泵；3-有压管道；4-控制阀；5-输水设备；6-水电站所在水库；7-尾水库；8-拦河坝；9-拦污栅。
具体实施方式
30.如图所示，一种梯级水库储能系统，通过把水电站尾水向水电站所在水库回送以进行储能，所述储能系统包括由尾水水路和拦河坝8形成的尾水库7；所述尾水水路的输入口与水电站水轮机组的尾水输出端相通；所述尾水库包括可通过水泵向水电站所在水库6回送尾水，以高程水能进行储能的抽水水路；所述抽水水路进水口低于尾水水路输出口，尾水库以抽水水路进水口与尾水水路输出口之间的高程差形成储能用尾水库容。
31.所述拦河坝的设计高程以尾水库的库容量满足日或多日调节的储能蓄水量为准。
32.所述拦河坝采用可进行自由溢流泄水的坝顶结构。
33.所述抽水水路包括水泵；所述水泵的进水口与抽水水路进水口相通；所述水泵的出水口与输水设备5的进水口相通；所述输水设备的出水口与水电站所在水库相通；输水设备的出水口、进水口处均设有控制阀4，当水泵抽水以向水电站所在水库回送尾水进行蓄能时，控制阀导通，当水泵停止抽水或是输水设备检修时，控制阀关闭。
34.所述水泵2设于抽水泵房1内，以抽水储能工作电源供电。
35.所述抽水储能工作电源为电网用电低谷时段的过剩电力，包括火电后半夜时段的过剩发电或核电后半夜时段的过剩发电。
36.所述储能系统还包括对水泵、工作电源、控制阀运行状态进行实时监测和控制的控制系统；所述控制系统根据电网运行状态和调控指令，对工作电源、控制阀开闭作业、水泵工况进行联动控制，有序地抽取尾水向水电站所在水库回送以进行储能。
37.所述控制阀为蝶阀；所述输水设备包括渠道、隧洞或管道，或是上述三种的组合结构；所述管道包括有压管道3；所述输水设备的进水口处设有拦污栅9。
38.所述储能用尾水库容满足梯级水库的日调节储蓄水量要求。
39.所述梯级水库包括水电站河道上游枢纽水库、下游尾水库或梯级水电站的区间水库，通过其储存的不同高程的水能来发电。
40.实施例：
41.本例中，水头是指水电站上游枢纽水库发电进水口水平面至水轮机入口的垂直高度。同时也是水泵抽水储能工况的杨程，代表了水的位能（势能）。
42.根据水头和水流量计算水电站发电平均出力公式为：
43.n=9.81qhη
44.其中n为平均出力（w），q是水流量(m3/s)，h是水头(m)，η是效率系统（ 约为0.93）。水头越高，位能越大，同等流量的水所发电能也就越多。因此，应选择水头较高的水电站进行储能技术改造，可以提高梯级水库储能发电效率。
45.在电网进入用电低谷时段（电价低），根据电网调控指令，控制系统联动蝶阀、水泵
等进入抽水储能工况，利用火电、核电后半夜等时段的过剩发电能力，将下游尾水库蓄水抽到上游枢纽水库，将电能转换为位能（势能）进行储能，当电网实时负荷与火电、核电出力接近时，水泵退出运行，停止抽水储能。
46.当电网进入用电高峰时段（电价高），电网负荷超过基本发电出力时，上游枢纽水库放水，通过水轮机组发电顶峰，满足电网负荷高峰时段的用电需求，发电消能后尾水流入下游河道尾水库，以备下一轮抽水储能循环。
47.当电网负荷接近基本发电出力后，水轮发电机组运行状态（关停或继续发电），根据电网调控部门指令进行。如持续发电，发电尾水超出尾水库库容时，通过坝顶自由溢流方式下泄至下游河道。
48.本例中，水泵向水电站所在水库回送尾水时，可利用退役的引水地下式厂房和引水隧洞等水工建筑，从尾水库中抽水。
49.本例中，水电站所在水库与尾水库呈梯级的上下位置关系，尾水库回送水电站所在水库的尾水，可提升水电站所在水库的水头高度，并能直接用于发电。
50.本实用新型所述方案还可用于新建常规水电站中同步实施建设的混合式抽水储能方案；根据实际不同地形和具体情况，选择多台水泵、多条管道、多种组合布置方式来回送尾水，优化尾水储能方案，上述方案改进，均属于本实用新型专利的保护范围。