一种基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统的制作方法

1.本发明涉及能源利用技术领域，涉及一种基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统。


背景技术：

2.推进规模化可再生能源发展是实现“双碳”目标的必要手段之一。鉴于我国“三北”地区的丰富可再生能源资源禀赋，风能、太阳能等可再生能源发电方式获得了快速发展，且具备集中式、规模化的特点。然而，由于可再生能源电力较强的随机性与间歇性特征，使得其规模化并网会对电力系统安全稳定运行带来严重冲击，产生了严重的弃风、弃光与限电问题。特别是在冬季供暖季，“三北地区”电力系统中占主体地位的燃煤热电联供机组因供热任务而无法提供深度调峰能力，使得该现象尤为突出，加之占可再生能源主体的风电具备反调峰的特点，造成了数量可观的清洁可再生能源浪费。
3.在高风电渗透率区域，针对该波动性可再生能源并网难问题，现阶段主要有两种技术途径去改善，一种是在电力系统中配置规模化储能装置与风电耦合，以实现风电功率的时空管理，平抑其功率波动；另一种是通过削弱燃煤热电联供机组的强热电耦合关系，提升其运行灵活性与深度调峰能力。
4.对于在风电系统中配置储能装置的方式是目前最为认可的风电波动平抑方法，针对高风电渗透率区域的集群化风电场，能够为其提供有效功率时空管理的储能方式主要为可规模化的抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能技术受限于地形条件与水资源制约，不适宜在广泛地区内推广；而压缩空气储能技术虽在国内没有实现商业运行，但因其良好的性能，属于未来规模化储能的热点应用技术，国内已有多处示范电站正在建设。然而，按照能量梯级利用原理，不管何种形式的压缩空气储能技术，其内部均存在相当数量的低品位热能尚未完全利用，如压缩过程热或透平排气热等，限制了该系统的综合能源利用效率。
5.热电联供机组的“以热定电”运行模式导致了其强的热电耦合关系，限制了机组的运行灵活性，也降低了机组的深度调峰能力。现阶段，主要是通过储热供热、电锅炉、低压缸零出力供热、高中压缸旁路供热和电驱热泵等多种方式来削弱燃煤热电联供机组的强热电耦合关系，实现热电解耦，以期为风电消纳提供上网空间。然而，这些热电联供机组的运行方式改进仍存在问题：首先，上述改进措施只是在一定程度上的热电解耦，仅削弱了热电联供机组的热电耦合关系，尚没有完全实现热、电自由调控，腾挪给规模化风电的上网空间有限；其次，采用调整燃煤火电机组的出力来实现风电消纳，需要火电机组的频繁调节，不利于机组在高效率点运行，且会对机组运行寿命带来不利影响；最后，传统的采用燃煤热电联供机组实现冬季供热不属于清洁供暖方式，会造成一定程度的污染物排放。
6.综上可见，现阶段所采用的在高风电渗透率区域波动性可再生能源并网难问题的两种改善途径均存在弊端。同时，压缩空气储能和燃煤热电联供机组热电解耦这两种方式仅是单独的协助可再生风电并网，尚没有实现深度耦合，没有将两类系统中的热、电等不同品味能量进行综合利用。并且，高风电渗透率区域的风电具备清洁供暖的潜质，可减少相关
污染物的排放，亦可避免热电联供机组的频繁调节。


技术实现要素：

7.本发明的目的：本发明提出一种基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统，该系统以高风电渗透率区域的风电消纳与清洁供暖为目标，将系统中原有的热电联供机组运行于纯凝工况，采用热电共蓄式压缩空气储能系统作为储电装置，采用风电驱动热泵系统作为清洁供暖系统，也作为储热装置。在风电充裕时，利用热电共蓄式压缩空气储能系统进行储能，同时利用热泵系统储热和供热；当风电不足时，可利用热电共蓄式压缩空气储能系统进行释能，弥补电能缺口，同时利用热电共蓄式压缩空气储能系统的透平排气和热泵系统的蓄热进行供暖。
8.本发明的技术方案：
9.基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统，包括电源与智能调度模块、热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块和供暖模块，电源与智能调度模块分别与热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块连接，给热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块提供电能，热电共蓄式压缩空气储能模块将电能以空气压力能、导热介质热能的形式进行存储与释放；热泵模块与供暖模块连接，将电源与智能调度模块分配给其的电能转换为热能进行存储或直接向用户供暖，供暖模块与热电共蓄式压缩空气储能模块连接，供暖模块与热电共蓄式压缩空气储能模块向用户供暖。
10.优选的，电源与智能调度模块包括火电机组、风电机组和智能调度控制系统，火电机组和风电机组均连接至智能调度控制系统，智能调度控制系统根据不同的电负荷工况，将火电机组和风电机组的电能分配到电负荷或热电共蓄式压缩空气储能模块以及热泵模块。
11.优选的，热电共蓄式压缩空气储能模块包括电蓄热模块和压缩空气储能模块；
12.电蓄热模块包括低温介质储罐、电加热器、高温介质储罐、中冷器和再热器，电加热器输出端连通高温介质储罐，高温介质储罐连通再热器，再热器连通低温介质储罐，低温介质储罐连通中冷器，中冷器连通电加热器输入端，电加热器还与智能调度控制系统连接；
13.压缩空气储能模块包括发电机/电动机、第一离合器、第二离合器、低压压气机、高压压气机、高压透平、低压透平、供热换热器、固体填充床蓄热器和储气容积，第一离合器、高压压气机、低压压气机依次连接在发电机/电动机输出轴端，高压压气机、低压压气机之间通过中冷器连通，第二离合器、高压透平、低压透平依次连接在发电机/电动机输入轴端，高压透平、低压透平通过再热器连通，固体填充床蓄热器分别与高压压气机、高压透平、储气容积连通，低压透平与供热换热器连通，发电机/电动机还与智能调度控制系统连接。
14.优选的，固体填充床蓄热器与储气容积通过输入管道和输出管道连通。
15.优选的，输入管道上设置第一阀门，控制将流经固体填充床蓄热器的高压压气机排气存入储气容积中。
16.优选的，输出管道上设置第二阀门，控制储气容积中的高压空气进入固体填充床蓄热器中。
17.优选的，热泵模块包括蒸发器、压缩机、冷凝器、电动机，电动机输入端连接智能调度控制系统，输出端连接蒸发器，蒸发器、压缩机、冷凝器依次连通。
18.优选的，还包括膨胀阀，膨胀阀设置在蒸发器与冷凝器连接的管路上。
19.优选的，供暖模块包括蓄热罐、换热站、第一三通阀、第二三通阀，第一三通阀分别连接冷凝器、蓄热罐、第二三通阀，第二三通阀分别连接蓄热罐和换热站，换热站与蓄热罐连通，蓄热罐与冷凝器连通。
20.优选的，换热站上设置供热给水管道和供热回水管道，热给水管道和供热回水管道均与供热换热器通过连接管道连通，供热给水管道与连接管道的连接处设置第三三通阀，供热回水管道与连接管道的连接处设置第四三通阀。
21.本发明的有益效果：
22.本发明提出的基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统适用于高风电渗透区域实现风电消纳与清洁供暖，通过将配置储能装置和热电联供机组热电解耦两种方式进行耦合，在有效提高风电并网容量的同时可实现风电清洁供暖，同时热电联供机组仅运行于纯凝工况有利于功率调节，对于减少污染排放、保护生态环境、促进经济发展、助力“双碳”目标实现等方面具有重要的科学意义和价值。
附图说明
23.图1是本发明的系统结构示意图；
24.其中：
25.1低压压气机a1第一离合器c3冷凝器2中冷器a2发电机/电动机c4膨胀阀3高压压气机a3第二离合器c5电动机4固体填充床蓄热器a4火电机组c6蓄热罐5第一阀门a5风力机组c7换热站6储气容积a6智能调度控制系统c8第一三通阀7第二阀门b1低温介质储罐c9第二三通阀8高压透平b2电加热器c10第三三通阀9再热器b3高温介质储罐c11第四三通阀10低压透平c1蒸发器 11供热换热器c2压缩机
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。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.我国“三北”地区风能资源丰富，建设有多个规模化风电基地，但因风电具有的随机性、间歇性与反调峰特性，使得其并网困难，弃风现象频发。特别是在供暖季，因占据电网主体的燃煤热电联供机组的“以热定电”运行模式，降低了机组的运行灵活性和深度调峰能力，使得弃风现象更为严重。现有技术通过配置储能装置和热电联供机组热电解耦等方式
来协助风电并网，提高其并网容量等级。然而，在风电系统中配置的压缩空气储能装置没有充分利用系统中低品位热能，限制了系统的能源利用效率；热电联供机组热电解耦仅在一定程度上缓解了热电强耦合关系，且使用热电联供机组协助风电消纳将使得机组调节频繁，效率不高且不利于机组寿命，同时使用燃煤机组供暖不属于清洁供暖范畴，造成污染物排放。
28.本发明涉及的基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统正是为在高风电渗透区域实现风电消纳与清洁供暖而发明的，通过将上述两种方式进行耦合，在有效提高风电并网容量的同时可实现风电清洁供暖，同时热电联供机组仅运行于纯凝工况有利于功率调节，对于减少污染排放、保护生态环境、促进经济发展、助力“双碳”目标实现等方面具有重要的科学意义和价值。
29.因此，本发明在高风电渗透率区域，将风力机组、火电机组、热电共蓄式压缩空气储能系统、热泵系统、供暖系统等进行有机集成，构建以可再生能风电和燃煤火电为输入，电能、热能为输出的多能输入-多能输出的综合能源供给系统，实现风电消纳与清洁供暖功能。
30.图1是本发明提出的一种基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统示意图，本系统包括电源与智能调度模块、热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块和供暖模块，电源与智能调度模块分别与热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块连接，给热电共蓄式压缩空气储能模块、热泵模块提供电能，热电共蓄式压缩空气储能模块将电能以空气压力能、导热介质热能的形式进行存储与释放；热泵模块与供暖模块连接，将电源与智能调度模块分配给其的电能转换为热能进行存储或直接向用户供暖，供暖模块与热电共蓄式压缩空气储能模块连接，供暖模块与热电共蓄式压缩空气储能模块向用户供暖
31.热电共蓄式压缩空气储能装置是系统储电的核心，可将多余电能以空气压力能、导热介质热能的形式进行存储与释放，同时其在释能阶段的透平排气也可作为供暖热源。热泵模块是系统储热供暖的核心，将分配给其的波动性风电转换为热能按需进行存储或直接供暖。极限情况下，热电共蓄式压缩空气储能装置中的高温热能亦可用于应急供暖作用。同时，该系统中原有的热电联供机组直接运行于纯凝模式，不参与供暖，根据风电出力水平进行功率调整，故均作为常规火电机组看待。
32.(1)电源与智能调度模块包括火电机组、风电机组和智能调度控制系统，火电机组和风电机组均连接至智能调度控制系统，智能调度控制系统根据不同的电负荷工况，将火电机组和风电机组的电能分配到电负荷或热电共蓄式压缩空气储能模块以及热泵模块.
33.(2)热电共蓄式压缩空气储能模块包括电蓄热模块和压缩空气储能模块；
34.电蓄热模块包括低温介质储罐b1、电加热器b2、高温介质储罐b3、中冷器2和再热器9，电加热器b2输出端连通高温介质储罐b3，高温介质储罐b3连通再热器9，再热器9连通低温介质储罐b1，低温介质储罐b1连通中冷器2，中冷器2连通电加热器b2输入端，电加热器b2还与智能调度控制系统连接；
35.压缩空气储能模块包括发电机/电动机a2、第一离合器a1、第二离合器a3、低压压气机1、高压压气机3、高压透平8、低压透平10、供热换热器11、固体填充床蓄热器4和储气容积6，第一离合器a1、高压压气机3、低压压气机1依次连接在发电机/电动机a2输出轴端，高压压气机3、低压压气机1之间通过中冷器2连通，第二离合器a3、高压透平8、低压透平10依
次连接在发电机/电动机a2输入轴端，高压透平8、低压透平10通过再热器9连通，固体填充床蓄热器4分别与高压压气机3、高压透平8、储气容积6连通，其中，固体填充床蓄热器4与储气容积6通过输入管道和输出管道连通，输入管道上设置第一阀门5，控制将流经固体填充床蓄热器4的高压压气机3排气存入储气容积6，输出管道上设置第二阀门7，控制储气容积6中的高压空气进入固体填充床蓄热器4中，低压透平10与供热换热器11连通，发电机/电动机a2还与智能调度控制系统连接
36.(3)热泵模块包括蒸发器c1、压缩机c2、冷凝器c3、括膨胀阀c4、电动机c5，电动机c5输入端连接智能调度控制系统，输出端连接蒸发器c1，蒸发器c1、压缩机c2、冷凝器c3依次连通，膨胀阀c4设置在蒸发器c1与冷凝器c3连接的管路上。
37.(4)供暖模块包括蓄热罐c6、换热站c7、第一三通阀c8、第二三通阀c9，第一三通阀c8分别连接冷凝器c3、蓄热罐c6、第二三通阀c9，第二三通阀c9分别连接蓄热罐c6和换热站c7，换热站c7与蓄热罐c6连通，蓄热罐c6与冷凝器c3连通；换热站c7上设置供热给水管道和供热回水管道，热给水管道和供热回水管道均与供热换热器11通过连接管道连通，供热给水管道与连接管道的连接处设置第三三通阀c10，供热回水管道与连接管道的连接处设置第四三通阀c11。
38.本发明的系统工作原理描述如下：
39.在高风电渗透率区域，大容量风电场与常规火电机组是系统电能的来源，该区域内的热电联供机组此时均可运行于纯凝工况，供热由弃风电量提供。火电机组a4和风力机组a5的输出电能汇入智能调度控制系统a6进行统一调度分配，根据不同的负荷需求和风电功率输出，该系统运行具有不同模式。
40.在供暖季，若火电机组a4和风力机组a5的输出总电能高于电负荷(包含外送电负荷)需求时，存在大量弃风电量，智能调度控制系统a6根据预设算法将电能除分配到电负荷外，还分配至热电共蓄式压缩空气储能模块和热泵模块分别进行电能与热能存储。此时，热电共蓄式压缩空气储能运行于储能模式，分配至热电共蓄式压缩空气储能模块的一部分电能又根据预设算法分别分配至电加热器b2和电动机/发电机a2同时进行存储。在压缩空气储能子模块中，第一离合器a1啮合，第二离合器a3断开，电动机/发电机a2运行于电动机模式，第一阀门5打开，第二阀门7关闭，电动机/发电机a2驱动同轴的低压压气机1和高压压气机3旋转，将空气从环境压力压缩至储气洞穴压力进行存储。环境空气经低压压气机1压缩升温后进入中冷器2进行冷却，降温后的空气接着进入高压压气机3中继续压缩，其排气流入固体填充床蓄热器4将压缩过程热传递至固体蓄热介质后存入储气容积6中，获取了高压压缩空气。同时，在电蓄热子模块中，低温介质储罐b1中的冷态介质流中冷器2吸收压缩过程热升温后，继续在电加热器b2中利用电能加热至更高温度后存入高温介质储罐b3中。在供热端，热泵模块运行，液态循环工质吸收低温热源能量后在蒸发器c1中蒸发，气化的循环工质在压缩机c2中利用分配至热泵模块的电能驱动电动机c5进行压缩，随后在冷凝器c3中换热冷凝，将热量传递给蓄热罐c6中的冷态蓄热介质，最后冷凝后的循环工质进入膨胀阀c4中节流降压，完成循环。冷态蓄热介质在冷凝器c3中加热后获取的热态蓄热介质经第一三通阀c8进行分流，一部分存入蓄热罐c6中，另一部分流经第二三通阀c9后在换热站c7中进行换热，加热经第四三通阀c11流入的供热回水来获取供热给水，并经第三三通阀c10流出，为用户提供供热服务。同时，在换热站c7中放热后的蓄热介质再次存入蓄热罐c6中。
41.若火电机组a4和风力机组a5的输出总电能低于电负荷(包含外送电负荷)需求时，则存在电能缺额，通过智能调度控制系统a6进行统筹调度，火电机组a4和风力机组a5的输出总电能全部供应给电负荷，不足部分由热电共蓄式压缩空气储能系统来提供。此时，热电共蓄式压缩空气储能模块运行于释能模式，在压缩空气储能子模块中，第一离合器a1断开，第二离合器a3啮合，电动机/发电机a2运行于发电机模式，第一阀门5关闭，第二阀门7打开。储气容积6中的高压空气经第二阀门7后进入固体填充床蓄热器4中吸收其蓄热进行预热，随后进入高压透平8膨胀做功，高压透平8的排气进入再热器9中吸热升温后进入低压透平10中继续膨胀做功，高压透平8和低压透平10可驱动同轴的电动机/发电机a2进行发电，弥补电能缺额。同时，在电蓄热子模块中，高温介质储罐b3中的高温蓄热介质流入再热器9中交换热量给空气后变成低温蓄热介质，随即存入低温介质储罐b1中。在供热端，热泵模块停止运行，供热功能由蓄热罐c6和压缩空气储能子模块的供热换热器11来实现。因蓄热罐c6和供热换热器11的供热属于并联运行，优先使用供热换热器11的热能，不足部分由蓄热罐c6来补充。具体为，低压透平10的排气流入供热换热器11，将热量传递给从第四三通阀c11流过来的供热回水，产生供热给水后经第三三通阀c10流出，供给热用户。若供热量不足，此时启动蓄热罐c6进行补偿，蓄热罐c6中的顶部高温蓄热介质流出后经第二三通阀c9进入换热站c7，加热经第四三通阀c11流入的供热回水来获取供热给水，并经第三三通阀c10流出，为用户提供供热。同时，在换热站c7中放热后的蓄热介质再次存入蓄热罐c6中。
42.综上，本发明针对高风电渗透率区域弃风现象频发问题，特别是在供暖季因燃煤热电联供机组的“以热定电”运行模式更加降低了机组的运行灵活性和深度调峰能力，使得该问题更为严重，本发明公开了一种基于储能的高风电渗透率区域风电消纳与清洁供暖系统。通过将热电共蓄式压缩空气储能装置和热电联供机组热电解耦功能进行耦合，利用热电共蓄式压缩空气储能装置进行储电实现风电消纳，设置常规燃煤热电联供机组进运行于纯凝模式，不参与供暖服务，而是利用波动性风电驱动热泵装置进行储热及清洁供暖。可有效提高风电并网容量的同时实现风电清洁供暖，对于减少污染排放、保护生态环境、促进经济发展、助力“双碳”目标实现等方面具有重要的科学意义和价值。
43.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
44.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。