一种水下高密度稳定液力储释能系统及其控制方法

本发明涉及海上储释能，具体涉及一种水下高密度稳定液力储释能系统及其控制方法。

背景技术：

1、目前海上风光发电大力发展，风光配储可以改善其间歇性、波动性和随机性，并降低电网弃风、弃光率，海上风光一体化充电站通常采用化学电池，安装于海岸，配置较复杂的冷却、电池管理及能量管理系统，但仍存在过充导致发热、燃烧等安全性问题，且全生命周期成本可能较高。

2、海上就地商业储能电站可以采用基于液力的物理电池，既有海上抽水蓄能电站选择岛屿建立上库，与海面之间形成自然水头差，但建设条件苛刻。

3、目前在海上液力作用构成的储能技术方面，还存在一些缺陷与不足：

4、如专利公开号为cn108757288a的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统及方法，其依靠水-气共容舱中的高压空气推动水对水轮机做功，没有用到自然条件下的海水重力势能，而且压缩空气的过程热量排向海水，具有一定的热污染；

5、如专利公开号为cn111120208a的一种水力恒压储释能系统与智能调控方法，其主要利用压缩空气储能，没考虑压缩热排放；

6、如专利公开号为cn116378885a的一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法，其吸收海洋可再生能源电力，主要以气体压力势能存储于气液混合储能装置，释能时气体的压力势能转换为海水动能，也没有用到海水自身的重力势能，且存在气体的压缩热量排放；

7、如专利公开号为cn110778442a的一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法与系统，仅针对竖直管道充排水储能，储能密度和稳定性均较低。

8、由于海上风电及光电具有随机性、不稳定性等特点，同时海上风电具有反调峰特点，因此需要配置稳定、高密度储能系统，亟需一种在海水环境下的高密度稳定液力储释能技术。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种水下高密度稳定液力储释能系统及其控制方法，本发明利用在设定深度下的海水重力势能，采用抗波浪阻尼阀门抑制海面浪高对水下高压储液罐内液体压力的影响，利用电动阀门调节高压储液罐的充排水流量，实现叶轮的发电释能和水泵储能工况，因海水密度大，故可实现稳定且高能量密度的储释能系统，从而配合海上可再生能源利用，并可进一步提升可再生能源消纳能力从而减小弃风、弃光率，为促进新能源灵活高效消纳提供有效技术手段。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种水下高密度稳定液力储释能系统，包括：承物系统、高压储液罐、液位监测系统和双向负载能量转换系统；

4、所述承物系统与高压储液罐连接，所述液位监测系统设于高压储液罐内，用于监测高压储液罐的液面深度；

5、所述高压储液罐的上端面设有大气平衡管，所述大气平衡管一端与高压储液罐连通，所述大气平衡管另一端延伸至高于水平面的位置，作为空气进出口，所述大气平衡管内设有第一电动阀门，用于切换空气的进排状态；

6、所述高压储液罐的一侧设有充排水管，所述充排水管一端与高压储液罐连通，所述充排水管另一端延伸至低于水平面的位置，作为液体进出口；

7、所述双向负载能量转换系统包括双向负载发电机和水泵水轮机，所述充排水管内设有第二电动阀门和抗波浪阻尼阀门，所述第二电动阀门用于切换液体的进排状态，所述抗波浪阻尼阀门用于根据液面波高动态调整阀门的开度；

8、储能时，水泵水轮机与第一电动阀门、第二电动阀门、抗波浪阻尼阀门配合将高压储液罐的水排出，释能时，水经第二电动阀门、抗波浪阻尼阀门进入高压储液罐内，推动水泵水轮机，带动双向负载发电机发电。

9、作为优选的技术方案，所述承物系统包括承物台和基桩，所述承物台与基桩连接，所述基桩固定在海床底部，所述承物台与高压储液罐连接，所述高压储液罐设于水平面以下。

10、作为优选的技术方案，所述液位监测系统包括浮球传感器、浮球和浮球底座，所述浮球传感器还连接有液位检测仪，所述浮球传感器用于采集浮球位置变动信息并反馈至液位检测仪，所述浮球底座与浮球连接，所述浮球底座与高压储液罐固定连接。

11、作为优选的技术方案，所述空气进出口设有空气滤网。

12、作为优选的技术方案，还设有固定系统，所述固定系统包括网缆式结构和固定接头，所述空气滤网通过水下缆绳与固定接头连接，所述固定接头与网缆式结构连接。

13、作为优选的技术方案，所述液体进出口设有水下滤网。

14、作为优选的技术方案，所述抗波浪阻尼阀门内部设有弹簧装置，不同的弹簧形变量对应不同液面波高产生的静水压力。

15、作为优选的技术方案，还设有风力发电装置和太阳能板，用于存储用电低谷能量或供电至第一电动阀门、第二电动阀门、双向负载能量转换系统；

16、和/或还设有蓄电池，用于存储用电低谷能量或供电至第一电动阀门、第二电动阀门、双向负载能量转换系统。

17、本发明还提供一种水下高密度稳定液力储释能系统的控制方法，包括下述步骤：

18、储能时，水泵水轮机工作于水泵工况，双向负载发电机工作于电动机工况，第一电动阀门和第二电动阀门同步开启，高压储液罐处于排水阶段，当液位检测仪检测到高压储液罐内液面高度为0时，同步关闭第一电动阀门和第二电动阀门；

19、释能时，水泵水轮机工作于水轮机工况，双向负载发电机工作于发电机工况，第一电动阀门和第二电动阀门同步开启，高压储液罐处于充水阶段，当液位检测仪检测到高压储液罐内液面高度达到预设满载高度时，同步关闭第一电动阀门和第二电动阀门；

20、抗波浪阻尼阀门根据液面波高动态调整阀门的开度，保持水泵水轮机高压侧的压力为定值。

21、作为优选的技术方案，所述双向负载发电机工作于电动机工况，电动机输入电功率为：

22、；

23、其中，表示电动机输入电功率，表示水的密度，表示空气的密度，表示重力加速度，表示充排水管轴线距液面的高度，表示高压储液罐内的液位高度，表示抗波浪阻尼阀门的压差，表示水泵水轮机流量， d表示充排水管的内径，表示水泵工况效率，表示电动工况效率，经抗波浪阻尼阀门控制为定值；

24、和/或双向负载发电机工作于发电机工况，发电机输出电功率为：

25、；

26、其中，表示轮机工况效率，表示发电工况效率；

27、基于发电机输出电功率得到储能密度，表示为：

28、；

29、其中，表示储能密度，表示高压储液罐充水至液面高度达到预设满载高度的总时长，即持续释能时间， t表示高压储液罐充水过程的时间变量， v表示高压储液罐的体积。

30、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

31、（1）本发明利用海水液力，采用深海海水静压与大气压之间的势能差构建高密度稳定液力储释能系统，可以适应非稳定性风/光电源波动，在用电低谷期充分利用外界余电，可进一步促进新能源灵活高效消纳，减小弃风、弃光率。

32、（2）本发明利用抗波浪阻尼阀门进行前馈动态调节，抗波浪阻尼阀门内设有弹簧装置，不同液面波高产生的静水压力对应不同的弹簧形变量，达到动态调节阀门开度的效果，实现双向负载发电机组入口液体压力的抗波浪前馈动态调节，配合第二电动阀门实现对充排水流量的双层控制，解决了由于海底浪涌和海面波动导致储释能不稳定的技术问题，可进一步增强水下液力储释能过程的稳定性，即达到了稳态储释能的效果。

33、（3）传统的抽水蓄电站利用上下水库之间的高度差产生重力势能发电，对地理位置的要求较为严格，而本发明设计不同水深可实现能量密度相异的储释能系统，更加适合于海上就地风电和光电配储，可以根据海上可再生能源发电的分布特点配合实现海上可再生能源利用，缓解海上风、光等可再生能源的随机性、间歇性和波动性，适用性强。