一种中小型抽水蓄能机组

技术领域

本发明涉及中小型抽水蓄能领域，更具体地，涉及两种新颖的中小型抽水蓄能机组。

背景技术

随着分布式能源的开发利用和智能电网的发展，分布式储能成为新的发展趋势，而分布式抽水蓄能将成为值得广泛推广的技术。中小型抽水蓄能既可以与大型抽水蓄能实现优势互补，也可以独立协调各种分布式电源， 解决分布式能源和微电网系统供电质量差、可靠性低等问题。具有工程位置灵活、投资少、见效快、对输电线路要求较低以及能够较好解决区域峰荷需要等优点。

然而，目前中小型抽水蓄能机组存在几个方面的问题。其一，可变速抽水蓄能机组的直流励磁或交流励磁系统，集电环安装在转轴上端，与机组同轴旋转。对应高励磁电压，各层集电环之间要保持足够的安全距离，防止出现短路、爬电等情况，同时便于通风散热；对应大励磁电流，需布置较多碳刷，增加接触面积，降低电流密度，同时还需考虑碳刷增多引起的摩擦损耗和电气损耗增多、滑环室发热和碳粉问题等，设计时，需设置风扇、过滤器、吸尘器及冷却器，以便散热并吸收碳粉。其二，导叶式水泵水轮机均带有空间导叶，且空间导叶轴向长度较长，再加上出水流道的轴向高度，使整个装置的轴向长度过大，常会带来下述缺点：在低扬程泵站中会使出水流道的型线转弯角度过大，增加流道的水力损失，降低装置效率。轴过长，降低了机组运行的稳定性。特别是立式轴承长期浸没于水下，运行环境差，对轴承的润滑和密封装置要求较高。另外，变速抽水蓄能机组中，调速器一般作为“粗调”，全功率变换器作为“细调”。因此，“调速器+接力器”原有功能下降，而其占地空间大、维护保养量多的缺点就凸显。其三，在发电工况下，甩负荷会造成直流电压泵升，容易造成功率器件损坏；一般抽水蓄能电站的引水管道较长，当机组运行中突然甩负荷关闭导叶时，由于水流的惯性作用，有很大的水锤效应，易损毁发电设备，如无调压井，水锤会击毁导水叶和其他过流部件。在水泵工况下，如果电网停电，也会产生“水锤”现象。其四，为了防止空化，水泵水轮机机组要安装在下水库水面以下的地方。抽水蓄能机组的淹没深度大于普通水轮机组，机组安装高程低，机房的工程造价高。其五，轴向力作为水泵水轮机的重要设计参数之一，与机组自身的安全性、稳定性、经济性密切相关。工程实践中，过小的预测轴向力将导致机组振动、噪声、温升等指标超标，甚至发生轴断裂、机组损坏等重大事故，影响水泵水轮机自身性能和使用寿命。反之，过大的评估轴向力会引发水泵水轮机自身体积和重量增加，造成浪费，降低设计的合理性及经济性。对于变速机组而言，其轴向力也是随功率、转速变化的。因此，准确计算水泵水轮机的轴向力意义重大，也是水泵水轮机的重要研究课题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种中小型抽水蓄能机组的两组技术方案。

本发明所述的第一种技术方案如下。

一种中小型抽水蓄能机组，包括双轴伸永磁同步电机（1）、全功率变换器（4）、超级电容（6）储能装置，对称的卧式水泵水轮机（Bump-turbine），气蚀系数小的活塞阀作流量控制。

所述的双轴伸永磁同步电机（1）与卧式水泵水轮机I（2A）、卧式水泵水轮机II（2B）分别通过联轴器Ⅰ（3A）、联轴器Ⅱ（3B）对称连接，构成一种轴向力自平衡的、双吸（双出）水泵水轮机。

所述的双轴伸永磁同步电机（1），通过全功率变换器（4）与电网连接。

所述的全功率变换器（4）由机侧变换器（4-1）、网侧变换器（4-2）组成。全功率变换器（4）的直流母线与超级电容（6）储能装置中的DC/DC变换器（5）并联。

所述的气蚀系数小的活塞阀Ⅰ（10A）、活塞阀Ⅱ（10B）、活塞阀III（11A）、活塞阀IV（11B）作流量控制，代替常规调速器与导叶体系。

优选地，所述的卧式水泵水轮机Ⅰ（2A）、卧式水泵水轮机Ⅱ（2B）均为带有诱导轮的叶轮体系，其如附图3所示，由轴承（2-1）、轴（2-2）、蜗壳（2-3）、叶轮（2-4）、诱导轮（2-5）、联轴器（3）组成。

本发明所述的第一种抽水蓄能机组的运行状况是：发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ（10A）与活塞阀Ⅱ（10B），驱动水泵水轮机I（2A）与水泵水轮机II（2B）和双轴伸永磁同步电机（1）发电，尾水经尾水管I与尾水管II流入下库。水泵工况时，水泵水轮机I与水泵水轮机II把下库的水，经尾水管I（12A）与尾水管II（12B）、活塞阀III（11A）与活塞阀IV（11B）和管网输送到上库。

所述的活塞阀Ⅰ（10A）、活塞阀Ⅱ（10B）、活塞阀III（11A）、活塞阀IV（11B）为气蚀系数小的活塞阀。

本发明所述的第二种技术方案如下。

一种中小型抽水蓄能机组，包括单轴伸永磁同步电机（21）、全功率变换器（4）、超级电容（6）储能装置，双吸泵与透平（Bump-turbine）（22），气蚀系数小的活塞阀作流量控制。

所述的单轴伸永磁同步电机（21）与双吸泵与透平（22）构成一种轴向力自平衡的、双吸/单出与单入/双出的水泵水轮机。

所述的单轴伸永磁同步电机（21），通过全功率变换器（4）与电网连接。

所述的全功率变换器（4）的直流母线与超级电容（6）储能装置中的DC/DC变换器（5）并联。

所述的气蚀系数小的活塞阀Ⅰ（10A）、活塞阀III（11A）作流量控制，代替常规调速器与导叶体系。

优选地，所述的双吸泵与透平（2）为带有诱导轮的叶轮体系。

本发明所述的第二种抽水蓄能机组的运行状况是：发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ（10A），驱动双吸泵与透平（22）及单轴伸永磁同步电机（11）发电，尾水经尾水管12流入下库。水泵工况时，单轴伸永磁同步电机（11）与双吸泵与透平（22）把下库的水，经尾水管（12）、活塞阀III（11B）和管网输送到上库。

本发明的有益效果在于：克服了目前中小型抽水蓄能机组存在的多个问题，在整体上提高了机组的运行效率和使用寿命，具有较高的安全性、稳定性、经济性。尤其适合无人值守的中小型抽蓄电站。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的一种中小型抽水蓄能机组示意图。其中，1为双轴伸永磁同步电机（PMSM）、2A为水泵水轮机I、3A为联轴器Ⅰ、2B为水泵水轮机II、3B为联轴器Ⅱ、4为全功率变换器、4-1为机侧变换器、4-2为网侧变换器、5为DC/DC变换器、6为超级电容、7为变压器。

图2为本发明的一种中小型抽水蓄能机组管路布置图。其中，1为双轴伸永磁同步电机（PMSM）、2A为水泵水轮机I、2B为水泵水轮机II、3A为联轴器Ⅰ、3B为联轴器Ⅱ、10A为活塞阀Ⅰ、10B为活塞阀Ⅱ、11A为活塞阀III、11B为活塞阀IV、12A为尾水管I、12B为尾水管II。

图3为本发明的带诱导轮的水泵水轮机结构示意图。其中，2-1为轴承、2-2为轴、2-3为蜗壳、2-4为叶轮、2-5为诱导轮、3为联轴器。

图4为本发明的另一种中小型抽水蓄能机组示意图。其中，21为单轴伸永磁同步电机、22为双吸泵与透平、3为联轴器、4为全功率变换器、4-1为机侧变换器、4-2为网侧变换器、5为DC/DC变换器、6为超级电容、7为变压器。

图5为本发明的另一种中小型抽水蓄能机组管路布置图。其中，21为单轴伸永磁同步电机、22为双吸泵与透平、3为联轴器、10A为活塞阀Ⅰ、11A为活塞阀III、12为尾水管。

图6为本发明双吸泵与透平的一种诱导轮水力模型图。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，以下实施例用于说明本发明，但并非用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的中小型抽水蓄能机组，包括双轴伸永磁同步电机1、全功率变换器4、超级电容6储能装置，对称的卧式水泵水轮机，气蚀系数小的活塞阀作流量控制。

所述的双轴伸永磁同步电机1与卧式水泵水轮机I2A、卧式水泵水轮机II2B分别通过联轴器Ⅰ3A、联轴器Ⅱ3B对称连接，构成一种轴向力自平衡的、双吸（双出）水泵水轮机。

所述的双轴伸永磁同步电机1，通过全功率变换器4与电网连接。

所述的全功率变换器4由机侧变换器4-1、网侧变换器4-2组成。全功率变换器4的直流母线与超级电容6储能装置中的DC/DC变换器5并联。

所述的气蚀系数小的活塞阀Ⅰ10A、活塞阀Ⅱ10B、活塞阀III11A、活塞阀IV11B作流量控制，代替常规调速器与导叶体系。

本实施例抽水蓄能机组的运行状况是：发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ10A与活塞阀Ⅱ10B，驱动水泵水轮机I2A与水泵水轮机II2B和双轴伸永磁同步电机1发电，尾水经尾水管I与尾水管II流入下库。水泵工况时，水泵水轮机I与水泵水轮机II把下库的水，经尾水管I12A与尾水管II12B、活塞阀III11A与活塞阀IV11B和管网输送到上库。

所述的活塞阀Ⅰ10A、活塞阀Ⅱ10B、活塞阀III11A、活塞阀IV11B为气蚀系数小的活塞阀。

实施例2

本实施例除所述的卧式水泵水轮机Ⅰ2A、卧式水泵水轮机Ⅱ2B均为带有诱导轮的叶轮体系外。其它组件与结构与实施例1相同。所述的带有诱导轮的叶轮结构如附图3所示，由轴承2-1、轴2-2、蜗壳2-3、叶轮2-4、诱导轮2-5、联轴器3组成。

实施例3

如图4所示，本实施例所述的一种中小型抽水蓄能机组，包括单轴伸永磁同步电机21、全功率变换器4、超级电容6储能装置，双吸泵与透平22，气蚀系数小的活塞阀作流量控制。

所述的单轴伸永磁同步电机21与双吸泵与透平22构成一种轴向力自平衡的、双吸/单出与单入/双出的水泵水轮机。

所述的单轴伸永磁同步电机21，通过全功率变换器4与电网连接。

所述的全功率变换器4的直流母线与超级电容6储能装置中的DC/DC变换器5并联。

所述的气蚀系数小的活塞阀Ⅰ10A、活塞阀III11A作流量控制，代替常规调速器与导叶体系。

本实施例所述的抽水蓄能机组的运行状况是：发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ10A，驱动双吸泵与透平22及单轴伸永磁同步电机21发电，尾水经尾水管12流入下库。水泵工况时，单轴伸永磁同步电机11与双吸泵与透平22把下库的水，经尾水管12、活塞阀III11A和管网输送到上库。

实施例4

本实施例除所述的双吸泵与透平2为带有诱导轮的叶轮体系外。其它组件与结构与实施例3相同。图6为本实施例所述的双吸泵与透平的诱导轮水力模型图。

图1所示的中小型抽水蓄能机组为永磁同步电机1+全功率变流器4模式。受风速影响，风力发电机运行转速较慢，导致风力发电机设计体积较大。而抽水蓄能电站水流速要远大于风场风速，故相比之下水力永磁同步电机的体积与成本得以减少，没有了故障率和维护率高的集电环和电刷，电机谐波和损耗还也能进一步降低。

图1中全功率变换器4的容量与机组容量一致，故系统能在全功率与速度范围内实现无级调速。 而对于全功率变换器4，由于系统中电机与电网解耦，电机能在广阔的功率运行区间内实现任意调速且具有高动态响应能力，机组能够便捷地实现无功补偿调节，具有较好的低电压穿越能力，有利于电力系统电能质量与稳定性的提高。所以，这种模式的技术条件业已成熟，完全满足中小型抽水蓄能电站机组容量大小。

此外，这种模式的机组，其优化调度技术也使得变速机组能够通过合理配置众多变量（如开机数量、时间及顺序、阀开度、机组转速等），从而实现电站效能的多目标优化（节约耗水、提高效率、调峰填谷等）。

图1中所述超级电容器储能装置，一方面，虚拟惯量和一次频率的调节都可以由超级电容器控制来实现，机组不需增加机组额外附加控制。超级电容器经过双向DC/DC变换器5与全功率变换器4的直流侧母线电容相连接，超级电容储能装置的充放电功率通过网侧变流器4-2直接流向负荷侧。这种控制使得发电机组无论在负荷增加或减小的情况下，始终运行在最大功率点跟踪状态，大大提高发电效益。若负荷减小，控制超级电容器6充电，吸收发电机所输出的多余的能量；若负荷增大，控制超级电容器放电来满足一次调频时所需的备用容量供给，从而使得频率调节能力得到了明显的提高。另一方面，超级电容器储能装置解决了水泵工况下，突然停电也不会发生“水锤”现象，超级电容储能装置的放电功率通过机侧变流4-1器直接流向电机侧，让机组实现软停车。

图2中对称的水泵水轮机I 2A与水泵水轮机II 2B，解决了轴向力平衡的问题。发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ 10A与活塞阀Ⅱ10B，驱动水泵水轮机I 2A与水泵水轮机II 2B和双轴伸永磁同步电机1发电，尾水经尾水管I12A与尾水管II12B流入下库。水泵工况时，水泵水轮机I10A与水泵水轮机II2B把下库的水，经尾水管I12A与尾水管II12B、活塞阀III11A与活塞阀IV11B和管网输送到上库。

图2中的水泵水轮机I2A与水泵水轮机II2B为卧式蜗壳混流结构，由于是径向扩散，轴向尺寸短；同时轴向尺寸的降低增加了机组的运行稳定性和可靠性；由于没有固定后导叶，水泵水轮机可以采用抽芯结构，安装检修方便；站房高度降低，节省土建投资。

图3水泵水轮机的空化主要取决于水泵工况，空化条件如果满足了水泵工况，则也能满足水轮机工况。在泵叶轮前加装诱导轮，可以提高叶轮入口处液体的压力，从而可以有效地防止汽蚀。采用这种方法，可以使泵的汽蚀比转数达到3000~4000。实践证明在叶轮前加置诱导轮是提高泵抗气蚀性能的最有效、最可靠的方法。

图5中的水泵水轮机采用双吸泵与透平结构，解决了轴向力平衡的问题。发电工况时，从上库来水经输水管网进入活塞阀Ⅰ10A，驱动双吸泵与透平22及单轴伸永磁同步电机21发电，尾水经尾水管12流入下库。水泵工况时，单轴伸永磁同步电机21与双吸泵与透平22把下库的水，经尾水管12、活塞阀III11A和管网输送到上库。

图6中是双吸泵与透平的一种诱导轮水力模型图，加装诱导轮则能达到较好的抗汽蚀性能。