本发明属于大规模海上发电能量储存技术领域，涉及一种结合压缩空气储能和抽水蓄能的海上风力发电系统。
背景技术：
风能是一种可再生能源，具有分布广、无污染等优点，近几年我国风力发电尤其是海上风电发展迅速。由于风能具有随机性和间歇性，使得风力发电的输出功率并不稳定，经常会出现用电需求增强时，出现风力较弱；而用电需求较低时，风力则增强的情况，这都会给风电并网带来难题。
抽水蓄能具有对环境无污染，发电成本低，响应时间快，效率高，容量大，储能周期长等优点，是目前发展较成熟的储能技术，但由于地理条件的限制，选址具有局限性。
压缩空气储能是一种实现大容量和长时间电能存储的电力储能系，具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点，但目前传统压缩空气储能系统还存在需要燃烧化石能源和特定的地理条件建造储气室等缺点。与可再生能源耦合，采用高压容器存储压缩气体的分布式储能系统将是压缩空气储能技术未来发展方向之一。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结合压缩空气储能和抽水蓄能的海上风力发电系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种结合压缩空气储能和抽水蓄能的海上风力发电系统，包括单柱式平台、空气导管、储能罐、水力发电单元和空气膨胀发电单元；所述单柱式平台包括风力机发电机组、塔筒和浮筒，塔筒上端连接风力机发电机组，下端连接浮筒，浮筒上端在海平面上方；空气膨胀发电单元设置在浮筒内部，空气导管上端连接空气膨胀发电单元下端连接储能罐，储能罐设置在海床上，水力发电单元设置在储能罐的内部。
本发明进一步的改进在于：
所述空气膨胀发电单元包括膨胀机、气体发电机和进气阀门；膨胀机上端连接排气管，进气阀门设置在空气导管上，气体发电机与膨胀机同轴连接。
所述水力发电单元包括水力发电机和可逆式水轮机；可逆式水轮机的动力输出轴与水力发电机相连。
所述水力发电单元外侧设置有进水阀门，进水阀门与可逆式水轮机的进水口相连。
所述储能罐上端设置有水位监测仪和气体阀门；气体阀门连接空气导管。
所述浮筒内部配有重块，使单柱式平台垂直漂浮在海面上。
所述浮筒外部设置有锚链，锚链另一端连接海床保持单柱式平台的稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将单柱式平台、水力发电单元和空气膨胀发电单元联合在一起，通过空气压缩能和抽水蓄能技术，有效调节了风力机发电输出负荷，保证风力机组发电输出平稳，减少对电网的冲击，具备调峰调频能力，并提高了风能利用效率。
进一步的，基于深海海水高压的特点，本发明将储能罐设置在海平面之下，利用海水压缩空气；不需要额外消耗电驱动压缩机压缩空气，同时利用海水释放由于压缩空气所产生的热量，无需额外设备对储能罐降温，减少了能量消耗和设备数量，降低系统复杂性，造价降低。
进一步的，本发明的水力发电单元中采用可逆式水轮机，正转作水轮机工况运行，逆转作水泵工况运行，减少了设备数量，提高系统稳定性。
进一步的，在浮筒内部设置重块，使单柱式平台垂直漂浮在海面上；在浮筒外部设置锚链，锚链另一端连接海床，加强了单柱式平台的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的空气膨胀发电单元的结构示意图。
其中：1-风力机发电机组；2-塔筒；3-排气管；4-浮筒；5-空气膨胀发电单元；6-空气导管；7-锚链；8-气体阀门；9-水位监测仪；10-储能罐；11-水力发电单元；12-水力发电机；13-可逆式水轮机；14-进水阀门；15-膨胀机；16-气体发电机；17-进气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，本发明包括单柱式平台、空气导管6、储能罐10、水力发电单元11和空气膨胀发电单元5；其中单柱式平台包括风力机发电机组1、塔筒2和浮筒4，塔筒2一端连接风力机发电机组1，另一端连接浮筒4；空气膨胀发电单元5设置在浮筒4内部，空气导管6一端连接空气膨胀发电单元5另一端连接储能罐10，水力发电单元11设置在储能罐10的内部；空气膨胀发电单元5包括膨胀机15、气体发电机16和进气阀门17；膨胀机15一端连接排气管3，另一端通过空气导管6连接进气阀门17，气体发电机16与膨胀机15同轴连接；水力发电单元11包括水力发电机12和可逆式水轮机13；可逆式水轮机13的动力输出轴与水力发电机12相连；水力发电单元11外侧设置有进水阀门14，进水阀门14与可逆式水轮机13的进水口相连；储能罐10上设置有水位监测仪9和气体阀门8；气体阀门8连接空气导管6；浮筒4内部配有重块；浮筒4外部设置有锚链7，锚链7另一端连接海床。
本发明的具体工作过程：
当风力机发电机组1发电无法满足电网需求时，进水阀门14和进气阀门17打开，气体阀门8关闭，高压海水流入储能罐10中，带动可逆式水轮机13发电，同时压缩储能罐10中的空气，当空气压缩到与海水压力相当时，打开气体阀门8，压缩空气通过空气导管6流经膨胀机15，由排气管3排至大气，膨胀机15带动气体发电机16发电，同时海水继续流入储能罐10，带动可逆式水轮机13发电，当液面上升至水位监测仪高度处，进水停止，进水阀门14关闭。
当风力机发电机组1发电富余时，进水阀门14、进气阀门17和气体阀门8均打开，膨胀机15不运行，富余电力带动可逆式水轮机13逆转，作水泵工况运行，储能罐10中的海水向外排出，同时空气从大气流入储能罐10中，储能罐10中空气压力与大气压相同。
本发明在停机未运行的状态时，风轮1静止，气体阀门8开启、进水阀门14关闭，可逆式水轮机13，膨胀机15，气体发电机16和水利发电机12均不运行，储能罐10内部空气压力与大气压相同。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。