一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统及控制方法

本发明属于储能领域，具体涉及一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统及控制方法。

背景技术：

1、随着海上风电快速发展，除电力需求以外的依托海洋环境或利用海水特性的各种产业快速推进，海上能源岛、海下数据中心、海下换流站、海上油气平台、海洋污染治理等都有风电的需求，然而风力发电的不确定性和不稳定性问题，是制约着上述产业的快速发展，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，但有适配的地质和环境要求。

2、一种类似“抽水蓄能”的方法“水下沉箱排水储能”，通过新能源发电无法外送产生的余电将水下沉箱内的水排出，需要供电时利用水深压力驱动沉箱上的水轮发电机发电。是“抽水蓄能”的逆过程。不占陆地面积，无蒸发水体损失，容量大而且无需“抽水蓄能”的上水库等优点，而且对依托海洋环境或利用海水特性的各种产业，依据需求配置容量就近稳定供电，大大的降低线损，同时为海上风电并网提供稳定电源保证。同时带动相关行业的创新与发展，如水体治理（漂浮物清理等），海水淡化、大型冷却、海上平台、海下石油管道加热加压、水下数据中心、水下换流站等。

3、水下沉箱排水储能由于水轮机做功将水头势能转换成动能用于发电，然而水轮机转换效率一般在80%85%无法做到100%转换，由此考虑如何将水轮机没有被利用的能量再利用，其中当圆柱形沉箱在发电或储能过程中，桨叶受水体转动动能驱动做功发电，由于水位实时发生能变化，部分桨叶会露出水面，受到气体阻力，基于转动动能公式由此部分桨叶暴露在气体中，受到气体的阻力，造成水体转动动能的损失，尤其当圆柱形沉箱内气体被压缩时，由于与气体的密度有关，密度越大越大，气体密度增大，对桨叶水体转动动能损失更大，由此提出一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统，提高沉箱储能的效率，获得高效同风机发电和飞轮储能，通过水体旋转带动叶轮发电，在瞬间新能源发不足，有功无功快速支撑电网，由此有效的获取此动能则使沉箱储能功率密度增加。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统及控制方法，利用水泵/水轮机一体机水头发电时的进水和储能时排空沉箱内水体的过程，并充分将水泵/水轮机一体机储能发电没被利用的动能再利用，如果说水泵/水轮机一体机的转换效率80%则有20%的转换效率没被利用，由此通过对水泵/水轮机一体机进排水水流的约束，制造水体旋转产生角动能，圆柱形沉箱内的水体发生旋转，同时利用超疏水材料即实现防腐、克服水生物寄生的同时，又实现降低水体旋转水对圆柱形沉箱底和箱壁的粘滞力，提高沉箱的稳定性和沉箱储能输出功率密度。

2、其中原理：将圆柱形沉箱锚定海床上或嵌入海床内，利用水域水头势能通过水泵/水轮机一体机进水到圆柱形沉箱内驱动水轮机发电，以及利用余电启动水泵排空圆柱形沉箱内水体的过程储能。由于圆柱形沉箱内外水体相互隔开，在水泵/水轮机一体机的进、排水的导流管道对水流进行约束，同时基于圆柱形沉箱内壁光滑圆形结构，使水流发生高效的旋转产生角动能，如在圆柱形沉箱内部加入同心圆旋转叶轮，利用水体旋转产生的动能，同风机或飞轮一样水体旋转带动发电，由此将水轮机进水发电和水泵排水储能没有被利用的动能再利用，提高沉箱储能与发电系统效率。

3、当圆柱形沉箱在发电或储能过程中，桨叶受水体转动动能驱动做功发电，由于水位实时发生能变化，部分桨叶会露出水面，受到气体阻力，基于转动动能公式，为水体旋转的角速度，为质点与圆柱形沉箱体中心的垂直距离；由此部分桨叶暴露在气体中，受到气体的阻力，造成水体转动动能的损失，尤其当圆柱形沉箱内气体被压缩时，气体密度增大，由于气体质量与气体的密度有关，密度越大越大，对桨叶水体转动动能损失更大，由此亟需提出一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统，提高沉箱储能的效率。

4、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

5、一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统，包括圆柱形沉箱单元、结构支撑单元、变桨单元、储能发电单元；结构支撑单元、变桨单元、储能发电单元置于圆柱形沉箱单元内部；结构支撑单元位于圆柱形沉箱单元中心位置，贯穿沉箱穹顶并与沉箱穹顶连接，对沉箱穹顶起到支撑作用；变桨单元安装在以圆柱形沉箱单元为同心、结构支撑单元与圆柱形沉箱单元的圆柱形沉箱体内壁之间的区域，并通过固定在结构支撑单元的靠近沉箱穹顶的外嵌的上轴承和靠近储能发电单元上部的外嵌的下轴承连接。

6、本发明还提供一种随水位变化的变桨叶沉箱储能发电系统的控制方法，包括如下步骤：

7、步骤1、发电状态时进行如下步骤：

8、步骤1.1、依据发电控制策略控制打开储能发电进排水口密封门，控制水流流速沿着排水管道在水头压力作用下水泵/水轮机一体机中的水轮机开始发电，水流经水轮机导流管道口约束水体在圆柱形沉箱体内发生旋转；

9、步骤1.2、随着圆柱形沉箱内水位逐步增加，水的质量增加，水体旋转动能增大，变桨单元中的桨翼同步升高，基于转动动能公式由于变桨单元中的桨翼没有暴露在气体中，即，避免气体的阻力，水体转动动能没有损失，变桨单元获得更大的动能；当水体旋转动能大于变桨单元的最小旋转力时，变桨单元旋转，带动电动机/发电机一体机的发电机参与发电，或依据电网治理控制策略控制电动机/发电机一体机有功无功输出；

10、步骤1.3、当电网输出电量满足负荷需求时，依据发电控制策略控制切换水泵/水轮机一体机处于待机状态，或切换到水泵进入排水储能状态，或切换到水轮机进入发电状态；

11、步骤1.4、当水轮机发电时，圆柱形沉箱体注水趋于沉箱水体上限时，依据历史数据分析、圆柱形沉箱体内水体优化容量分配和制策略降低注水速度，控制水泵/水轮机一体机水轮发电机减少发电输出，目的维持圆柱形沉箱内水体基础旋转速度。

12、步骤2储能状态时进行如下步骤：

13、步骤2.1、当有余电时，启动水泵/水轮机一体机中的水泵，将圆柱形沉箱体6内水体，经水泵导流管道口抽出，水流并在水泵导流管道口约束下，启动或水体持续在圆柱形沉箱体内旋转；当水体旋转动能或水体持续旋转动能大于变桨单元最小旋转力时，变桨单元旋转，经发电机发电；

14、步骤2.2、当电网需要治理时，依据电网治理控制策略控制电动机/发电机一体机对电网快速支撑；

15、步骤2. 3、当余电不足时，依据发电控制策略控制切换水泵/水轮机一体机中的水轮机进入发电状态；

16、步骤2.4、当水泵将圆柱形沉箱体内水体排出趋于沉箱水体下限时，依据历史数据分析、圆柱形沉箱体内水体优化容量分配和制策略控制降低排水速度，电动机/发电机一体机退出工作状态减小负荷，维持圆柱形沉箱内水体基础旋转速度。

17、有益效果：

18、1）相比抽水蓄能电站解决地质要求高问题；

19、2）不占陆地面积；

20、3）海上风电、光伏就地储能和电网快速支撑；

21、4）变桨单元避开气体的阻力，提升沉箱储能发电系统发电功率密度；

22、5）沉箱内水体旋转动能同陀螺仪，提高沉箱结构的稳定性；

23、6）变桨单元发电响应更快，可对电网快速稳定支撑；

24、7）疏水材料既降低水与沉箱壁的粘滞力，又提高沉箱防腐性能。