一种基于能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法

技术领域

本发明涉及的是储能领域，具体是一种能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法。

背景技术

随着能源安全战略的加快实施，2030年碳达峰和2060年碳中和的目标确立，使风电、光伏等新能源电能占比越来越高，以风电、光伏为主的新能源发电的随机性、波动性、间歇性与电网的实时平衡特性需求矛盾剧增，远距离、大功率高压输电大电网面临安全稳定运行风险。此外，随着我国国民经济的飞速发展，用电设备种类、数量的激增，使电网的峰谷差值不断增大。不仅加剧了电网调峰的困难，也给传统电网的稳定性带来了巨大挑战。储能系统可在电网能量过剩时储存能量，在电网需要时释放能量，先进储能系统具备的毫秒级功率动态补偿能力，能极大地改善由新能源发电随机性、波动性、间歇性给电网带来的不稳定问题。此外，在电力市场环境下，实施峰谷电价，储能装置可以将电源参与电网调度后多发的电力以低电价储存，并在调度需求或者高电价是并入电网，参与调峰，使可再生能源分布式发电效益达到最大化。

目前，储能按照能量转换方式和类型的不同，可分为物理储能、电磁储能、电化学储能、蓄冷蓄热储能等四种。其中，物理储能主要包括飞轮储能、压缩空气储能与抽水蓄能，这些储能方式存在着系统安全性能耗资巨大、能量密度低、地形要求限制高、影响生态环境等问题；电磁储能生产成本高，技术要求苛刻；电化学储能年度维修费用高，充放电次数常常受限制；蓄冷蓄热储能则大多用于特定环境，推广范围受限。山体重力储能是物理储能的一种，其依托山体斜坡面，利用山体高度差，通过轨道对标准重块的提升与释放，存储和释放能量，高效的山体重力储能效率理论上可达90％。山体重力储能可作为季节性储能解决方案，填补现有储能方式在储能规模和储能时间上的不足，成熟的轨道技术、土木工程相关技术与山体重力储能对环境较小的影响，也进一步提高了山体重力储能的可行性与推广性。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法，通过控制标准重块的上升与下滑，完成电能的储存与释放。储能时，山顶电机的工作模式为电动机，将山底的重块升至山顶，完成电能、动能、重力势能的转化。发电时，山顶电机的工作模式为发电机，山顶的重块以一定速度延轨道下滑，完成重力势能、动能、电能的转化。储能系统容量的大小，与电机容量、标准重块的重量、上升速度/下滑速度、轨道数量有关。通过对标准重块滑行速度的控制，完成系统储能与释放能量对电网需求的快速响应。

为达上述目的，本发明基于储能过程与发电过程的能量转换机理，考虑标准重块上行、下滑过程中的运行特性，提出基于能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法，有效的解决了上述背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法，所述重力储能系统包括能量转化装置，所述能量转化装置通过山底并网点及重力储能控制系统进行控制，山底并网点及重力储能控制系统的控制方法包括：

S1：储能阶段，用于将电能转化为势能进行储存；

S2：发电阶段，用于将势能转化为电能进行发电。

进一步地，所述S1储能阶段包括：

S11：根据电网储能配置需求，确定所需储存电能总量、响应时间；

S12：根据标准重块重量、山顶高度、山体斜坡角度、轨道摩擦系数、电机效率，计算得出所需提升重块数量、重块上行最大速度；

S13：根据S12计算结果，以一定的速度，将所需标准重块数量提升至山顶，完成能量的存储。

进一步地，所述S2储能阶段包括：

S21：根据电网电能需求，确定所需释发电能总量、响应时间；

S22：根据标准重块重量、山顶高度、山体斜坡角度、轨道摩擦系数、电机效率，计算得出所需提升重块数量、重块下行最大速度；

S23：根据S22计算结果，控制重块下行速度，将所需标准重块数量释放至山底，完成能量的释放。

进一步地，所述山底并网点及重力储能控制系统的控制方法还包括：

S3：减速阶段，用于发电过程完成后，轨道车继续在山底滑行，并通过重力储能系统的减速装置使轨道车复位。

进一步地，所述储能系统的减速装置包括底座和置于底座上的减速轨道。

优选地，所述减速轨道为圆弧形。

进一步地，所述能量转化装置包括发电机/电动机和通过缆绳和缆绳绞盘与发电机/电动机相连接的轨道车，山体斜面铺设有铁轨，所述轨道车置于铁轨上并在山体斜面上下滑动。

进一步地，所述重力储能系统还包括山底码垛装置和山顶码垛装置，所述山底码垛装置包括山底重块码垛吊车和山底重块堆垛平台，山底重块码垛吊车将标准重块堆放山底重块堆垛平台上，山顶码垛装置包括山顶重块码垛吊车和山顶重块堆垛平台，码垛吊车将标准重块堆放在堆垛平台上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的基于能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法，根据电网需求，完成重块的上行与下行，通过优化算法得出所需重块的数量以及运行速度，提高了能源利用效率。

(2)本发明通过山底圆弧减速轨道减速复位至山底，节约因主动将轨道车减速至零而产生的能量浪费，提高了系统整体的能源转化效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明总体流程图；

图2为本发明S1储能阶段流程图；

图3为本发明S2发电阶段流程图；

图4为本发明所述的重力储能系统结构图；

图5为本发明所述的重力储能能量转换过程图；

图6为本发明所述的重力储能系统重块车运行方式原理图；

图7为本发明所述的储能阶段标准重块受力情况说明；

图8为本发明所述的发电阶段标准重块受力情况说明图；

图9为本发明所述的系统储能调度流程流程图。

具体实施方式

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。

一种基于能量转换的山体重力储能系统斜坡运行控制方法，其特征在于：所述重力储能系统包括能量转化装置，所述能量转化装置通过山底并网点及重力储能控制系统6进行控制，山底并网点及重力储能控制系统6的控制方法包括：

S1：根据电网储能配置需求，确定所需储存电能总量Ws、响应时间t；

S2：发电阶段，用于将势能转化为电能进行发电。

所述S1储能阶段包括：

S11：根据电网储能配置需求，确定所需储存电能总量、响应时间；

S12：根据标准重块7重量、山顶高度、山体斜坡角度、轨道摩擦系数、电机效率，计算得出所需提升重块数量、重块上行最大速度，重块上升分为三个阶段，第一阶段为加速阶段，时间为t

式中，标准重块7质量为m，所受重力为mg，重块数量为n，轨道数量为n

系统的储能效率为：

式中，P(t)为t时刻充电功率，单位为kW；W为系统总耗能，单位为J；η

S13：根据S12计算结果，以一定的速度，将所需标准重块7数量提升至山顶，完成能量的存储；以重块数量n，轨道数量n

本实施例中系统储能调度流程，如附图9所示。实施步骤为：

(1)系统初始化；

(2)给出系统所需储存总量Ws、响应时间t；

(3)根据式(1)、式(2)计算系统充电功率与充电效率；

(4)将充电功率与充电效率归一化；

(5)给出重块数量n，轨道数量n

(6)建立以重块数量n，轨道数量n

(7)利用遗传算法对优化函数中的储能功率与储能效率加权因子进行寻优；

(8)输出个参数的优化配置，包括重块数量，轨道数量，电动机拉力，响应时间，轨道车8运行最大速度。

储能阶段中，标准重块7受力情况如图7所示，其中，F

所述S2储能阶段包括：

S21：根据电网电能需求，确定所需发电总量Wg、响应时间T；

S22：为保障系统安全，应在系统发电时保持重块以一定速度匀速下降，因此，重块下降分为两个阶段，第一阶段为加速阶段，时间为T

理论发电效率为：

式中，η

S23：根据S22计算结果，控制重块下行速度，将所需标准重块7数量释放至山底，完成能量的释放。

发电阶段中，标准重块7受力情况如图8所示，F

所述山底并网点及重力储能控制系统6的控制方法还包括：

S3：减速阶段，用于发电过程完成后，轨道车8继续在山底滑行，并通过圆弧形减速轨道2减速，圆弧形减速轨道2的半径为R，角度为α，阻尼系数ξ。利用圆弧使轨道车8复位至山底堆垛平台处，节约因主动将轨道车8减速至零而产生的能量浪费，提高了系统整体的能源转化效率。

所述储能系统的减速装置包括底座1和置于底座1上的减速轨道2。

所述减速轨道2为圆弧形。

如图3所示，S

所述能量转化装置包括发电机/电动机12和通过缆绳10和缆绳绞盘11与发电机/电动机12相连接的轨道车8，山体5斜面铺设有铁轨9，所述轨道车8置于铁轨9上并在山体5斜面上下滑动。

所述重力储能系统还包括山底码垛装置和山顶码垛装置，所述山底码垛装置包括山底重块码垛吊车3和山底重块堆垛平台4，山底重块码垛吊车3将标准重块7堆放山底重块堆垛平台4上，山顶码垛装置包括山顶重块码垛吊车13和山顶重块堆垛平台14，码垛吊车13将标准重块7堆放在堆垛平台14上。

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。

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。