一种风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统和方法

摘要

本发明公开一种风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统，其包括风力发电系统、抽水蓄能发电系统、水力供应系统和协调控制处理器；风力发电系统的电能输出端与抽水蓄能水泵以及水塔水泵的电源输入端之间分别设有供电电路；协调控制处理器计算风力发电系统的发电量剩余，并根据发电量剩余控制各供电电路的通断，以及抽水蓄能水泵和水箱水泵的运行，使得风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵或抽水蓄能水泵提供工作电源，且水箱水泵对剩余发电量的利用优先权大于抽水蓄能水泵。本发明可提高风电利用率，减少弃风，同时通过抽水蓄能调峰填谷；可解决用水高峰时段高层住户水压不足的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是一种风力发电与抽水蓄能发电及城市水力供应协同工作的一体化系统和方法。

背景技术

风电是可再生能源之一，使用清洁，成本较低，取用不尽，风力发电越来越受到世界各国的重视。与此同时，风电也具有弃风量大、不稳定性和逆调峰特性等缺点。如今随着风力发电技术的发展，解决大量弃风等问题迫在眉睫。

在现有的研究中，大多采用就地消纳或是规划建设抽水蓄能、燃气发电等调峰、调频电源等方案解决弃风问题。风电与其他电厂联合运作的模式已日渐纯熟，然而现有技术中尚未有风电和城市供水以及抽水蓄能联合运作的一体化系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统和方法，通过调节风力发电与抽水蓄能发电和水力供应的协同工作，确保用电高峰时的电力供应，同时保障用水高峰时的供水水压。

本发明采取的技术方案为：一种风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统，包括风力发电系统、抽水蓄能发电系统、水力供应系统和协调控制处理器；

风力发电系统包括用于向公共电网输出电能的电能输出端；抽水蓄能发电系统包括抽水蓄能水泵；水力供应系统包括水塔水箱以及用于将水泵至水塔水箱的水箱水泵；

风力发电系统的电能输出端与抽水蓄能水泵以及水塔水泵的电源输入端之间分别设有供电电路；

协调控制处理器获取外部风电需求信息以及风力发电系统的发电量信息，根据获取到的信息计算风力发电系统的发电量剩余，并根据发电量剩余控制各供电电路的通断，以及抽水蓄能水泵和水箱水泵的运行，使得风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵或抽水蓄能水泵提供工作电源，且水箱水泵对剩余发电量的利用优先权大于抽水蓄能水泵。

优选的，抽水蓄能发电系统的电源输出端与水塔水泵的电源输入端之间设有供电电路；该供电电路由协调控制处理器控制通断。抽水蓄能发电系统所发电能可在用电和用水高峰时，为水塔水箱的供水提供电能，保障高层用户的供水。

优选的，抽水蓄能发电系统的电源输出端还包括用于向公共电网输出电能的电能输出电路；协调控制处理器根据发电量剩余控制电能输出电路的通断。即，当外部风电需求大于风力发电系统可提供的发电量时，通过抽水蓄能发电系统的所发电量弥补外部风电需求。

优选的，水塔水箱内设有水位传感器，水位传感器检测水塔水箱内的水位信号传输至协调控制处理器；协调控制处理器根据接收到的水位信号，通过控制相应供电电路的通断，控制风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵提供工作电源，或者为抽水蓄能水泵提供工作电源。当水塔水箱内的水位交底，且风力发电系统的发电量有剩余时，优先利用风电剩余电量向水利供应系统输送电能，为水塔水箱注水。

优选的，水力供应系统还包括连通水塔水箱与高层用户的水力供应管路，水力供应管路上设有水压传感器，水压传感器的信号输出端连接协调控制处理器。

优选的，水力供应系统中，水箱水泵还包括外部电源供电电路，协调控制处理器根据水压传感器检测的水压数据控制外部电源供电电路的导通和水箱水泵的运行，以通过外部电源为水箱水泵提供工作电源。外部电源可为接入公共电网的电源或者储能模块或者抽水蓄能发电系统所发电量。

优选的，水力供应系统还包括蓄水池和连通外部供水管的抽水管，水箱水泵设置于抽水管上；水箱水泵两侧的抽水管上分别安装有压力控制器和压力表；压力控制器的控制端以及压力表的信号输出端分别连接协调控制处理器。压力控制器可采用压力控制阀，其与压力表的联合设置可用于控制和反馈抽水管路中的水压，保证水压的同时保障抽水过程的安全性。

本发明中，协调控制处理器对各供电电路、电能输出电路的通断控制皆通过继电器实现，为现有技术。

本发明还公开一种基于上述风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统的协同运作方法，包括：

S1，获取外部风电需求信息；

S2，获取风力发电系统的发电量信息；

S3，检测水塔水箱内的水位信息以及水力供应管路上的水压信息；

S4，计算风力发电系统的发电量剩余，发电量剩余=发电量-外部风电需求量；

S5，根据发电量剩余控制风力发电系统的电源输出方向：

若发电量剩余小于或等于0，则控制风力发电系统所发电能仅传输至公共电网；

若发电量剩余大于0，则转至S6；

S6，根据水塔水箱的水位信息判断水塔水箱是否已满：若是则控制风力发电系统的剩余发电量为抽水蓄能水泵提供工作电源，并在设定的时间间隔后转至S5；若水箱未满则控制风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵提供工作电源，然后转至S7；

S7，根据水力供应管路上的水压信息控制水箱水泵的运行：若水压满足设定的水压则转至S6，否则接入其它外部电源为水箱水泵提供工作电源以协助泵水，并重复S7直至水压满足设定水压转至S6。

利用本发明的方法，风力发电系统所发电能可首先用于保障用户用电，其次用于保障用户供水，在用电和用水压力皆较小时，则风力发电系统所发电能可用于抽水蓄能发电系统的抽水蓄能，从而在用电或用水压力较大时，利用抽水蓄能发电系统所发电能对电力空缺进行弥补。

进一步的，S5中，若风力发电系统的发电量剩余小于0，则控制抽水蓄能发电系统所发电能传输至公共电网。即保障用户供电的优先级高于保障用户供水的优先级。

有益效果

本发明能够在夜晚或者其它情况用电需求较低时，将风机发出的电能一部分用于满足用户用电需求，其余部分供给水力供应系统的水箱水泵，使自来水被抽至顶端水箱，直至水箱被蓄满。之后再剩余电能供给抽水蓄能发电站，使下水库的水被抽至上水库备用。在白天用电压力较大或风电供应不足时，风力发电系统所发电能首先用于满足用户用电需求，同时可启用抽水蓄能发电站弥补供电需求空缺。水力供应系统则可利用已蓄满的水塔水箱与外部电源同时实现为用户提供用户。

综上，本发明的系统和方法可提高风电利用率，减少弃风，同时通过抽水蓄能调峰填谷；可解决用水高峰时段高层住户水压不足的问题。

附图说明

图1所示为本发明方法流程示意图；

图2所示为本发明系统架构示意图；

其中，1、风力发电机，2、协调控制处理器，3、上水库，4、出水管，5、抽水蓄能水泵控制线，6、进水管，7、抽水蓄能水泵，8、下水库，9、水箱水泵控制线 ，10、压力控制器，11、供水管，12、水箱水泵，13、水压表，14、蓄水池，15、水箱进水管，16、水塔水箱，17、高层用户水力供应管路，18、水压表，19、高层用水用户。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

参考图2所示，风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统，包括风力发电系统、抽水蓄能发电系统、水力供应系统和协调控制处理器2；

风力发电系统包括用于向公共电网输出电能的电能输出端；抽水蓄能发电系统包括抽水蓄能水泵7；水力供应系统包括水塔水箱16以及用于将水泵至水塔水箱的水箱水泵12；

风力发电系统的电能输出端与抽水蓄能水泵以及水塔水泵的电源输入端之间分别设有供电电路；

协调控制处理器获取外部风电需求信息以及风力发电系统的发电量信息，根据获取到的信息计算风力发电系统的发电量剩余，并根据发电量剩余控制各供电电路的通断，以及抽水蓄能水泵和水箱水泵的运行，使得风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵或抽水蓄能水泵提供工作电源，且水箱水泵对剩余发电量的利用优先权大于抽水蓄能水泵。

风电系统发电量信息的计算和获取，以及发电量剩余的计算皆采用现有技术。协调控制处理器对各供电电路、电能输出电路的通断控制皆通过继电器实现，为现有技术。协调控制处理器可采用工控机。

抽水蓄能发电系统的电源输出端与水塔水泵的电源输入端之间设有供电电路；该供电电路由协调控制处理器控制通断。抽水蓄能发电系统所发电能可在用电和用水高峰时，为水塔水箱的供水提供电能，保障高层用户的供水。

抽水蓄能发电系统的电源输出端还包括用于向公共电网输出电能的电能输出电路；协调控制处理器根据发电量剩余控制电能输出电路的通断。即，当外部风电需求大于风力发电系统可提供的发电量时，通过抽水蓄能发电系统的所发电量弥补外部风电需求。

水塔水箱内设有水位传感器，水位传感器检测水塔水箱内的水位信号传输至协调控制处理器；协调控制处理器根据接收到的水位信号，通过控制相应供电电路的通断，控制风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵提供工作电源，或者为抽水蓄能水泵提供工作电源。当水塔水箱内的水位交底，且风力发电系统的发电量有剩余时，优先利用风电剩余电量向水利供应系统输送电能，为水塔水箱注水。

水力供应系统还包括连通水塔水箱与高层用户的水力供应管路，水力供应管路上设有水压传感器，水压传感器的信号输出端连接协调控制处理器。

水力供应系统中，水箱水泵还包括外部电源供电电路，协调控制处理器根据水压传感器检测的水压数据控制外部电源供电电路的导通和水箱水泵的运行，以通过外部电源为水箱水泵提供工作电源。外部电源可为接入公共电网的电源或者储能模块或者抽水蓄能发电系统所发电量。

水力供应系统还包括蓄水池和连通外部供水管的抽水管，水箱水泵设置于抽水管上；水箱水泵两侧的抽水管上分别安装有压力控制器和压力表；压力控制器的控制端以及压力表的信号输出端分别连接协调控制处理器。压力控制器可采用压力控制阀，其与压力表的联合设置可用于控制和反馈抽水管路中的水压，保证水压的同时保障抽水过程的安全性。

实施例2

参考图1所示，基于实施例1所述风力发电与抽水蓄能发电及水力供应的协同运作系统的协同运作方法，包括：

S1，获取外部风电需求信息；

S2，获取风力发电系统的发电量信息；

S3，检测水塔水箱内的水位信息以及水力供应管路上的水压信息；

S4，计算风力发电系统的发电量剩余，发电量剩余=发电量-外部风电需求量；

S5，根据发电量剩余控制风力发电系统的电源输出方向：

若发电量剩余小于或等于0，则控制风力发电系统所发电能仅传输至公共电网；

若发电量剩余大于0，则转至S6；

S6，根据水塔水箱的水位信息判断水塔水箱是否已满：若是则控制风力发电系统的剩余发电量为抽水蓄能水泵提供工作电源，并在设定的时间间隔后转至S5；若水箱未满则控制风力发电系统的剩余发电量为水箱水泵提供工作电源，然后转至S7；

S7，根据水力供应管路上的水压信息控制水箱水泵的运行：若水压满足设定的水压则转至S6，否则接入其它外部电源为水箱水泵提供工作电源以协助泵水，并重复S7直至水压满足设定水压转至S6。

进一步的，S5中，若风力发电系统的发电量剩余小于0，则控制抽水蓄能发电系统所发电能传输至公共电网。即保障用户供电的优先级高于保障用户供水的优先级。

利用本发明的方法，风力发电系统所发电能可首先用于保障用户用电，其次用于保障用户供水，在用电和用水压力皆较小时，则风力发电系统所发电能可用于抽水蓄能发电系统的抽水蓄能，从而在用电或用水压力较大时，利用抽水蓄能发电系统所发电能对电力空缺进行弥补。

实施例3

本发明的系统和方法在应用时，当夜晚时间用户用电用水需求较低时，协调控制处理器2计算得到风电系统的发电量有所剩余，则检测水塔水箱16中水是否蓄满，若没有蓄满则开始蓄水，协调控制处理器通过水箱水泵控制线9发出抽水信息，水箱水泵12从供水管11抽水，经过蓄水池14和水箱进水管15送到水塔顶端水箱16，其中压力控制器10用来控制水流的压力，水压表13用来检测水压，压力控制器10和水压表13配合使用可以避免损坏水管，水塔水箱16中的水再经过高层用户水利供应管路17和水压表18供应给高层用水用户19，水压表18用于检测高层用户19的水压是否满足用水要求；若水塔水箱已蓄满则进行抽水蓄能操作：协调控制处理器2通过抽水蓄能水泵控制线5给抽水蓄能水泵7发送抽水信息，下水库8里的水经过进水管6和出水管4被抽到上水库3，进行蓄能。当白天时间，用户用电用水都是高峰时间段，风力发电机1优先为用户供电，如果高层用户的水压表18检测到水压不充足，则利用风电、抽水蓄能发电或其他外部电源协助水塔水泵泵水。

本发明中，供电电源的来源优先级为：风机供电>抽水蓄能系统供电>外部电源供电；风电电源的供应优先级为：并入公网供电>抽水至水塔水箱>抽水蓄能。

本发明系统可由数台风力发电机、建筑供水水塔、一座小型的抽水蓄能发电站和一个工控机共同构成。

在白天用电高峰时间段，风力发电优先满足用户的电力需求；夜晚用电低谷时间段，风电资源反而较白天增多，风电在满足用户用电需求的基础上还有剩余。为了避免大量弃风，提高风电的利用率，可使剩余的风电供电给水塔的抽水水泵，使水泵提前蓄水，以免用水高峰期高层建筑用户的水压不足。当水塔蓄水池蓄满后，风机继续为抽水蓄能电站工作，抽水至水库，电力不足时，抽水蓄能电站参与电力供应。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。