基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法及能量调控方法

专利名称：基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法及能量调控方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110880998.9

专利申请（专利权）人：北京能高自动化技术股份有限公司
权利人地址：北京市海淀区上园村3号知行大厦六层

专利发明（设计）人：陈冲,赵天宇,贾利民,张涛,金成日,梁立中

专利摘要：本发明涉及基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法及能量调控方法，微网的智能管控系统实时采集微网负荷电‑热‑冷用能需求，以及采集微网中储氢罐内的氢气实时压强值，依托并、离网判别模块来识别出微网与电网的关系；在微网并入电网或微网离开电网独立运行状态下，微网能量的调控是以储氢罐内氢气实时压强值来表征储能容量，基于氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，并结合微网中的风、光电是否出力，以及微网负荷冷热供应共同作为约束条件，进而启动相对应的能量管控策略。本发明基于风光预测结果和典型日负荷曲线，根据日内各单元的出力实时调整平抑风光随机和负荷波动引起的指令偏差，保障系统能量和功率的实时平衡。

主权利要求：
1.基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法，其特征在于：内容包括：综合自洽能源微网包括分散式风电站、分布式光伏电站、电解水装置、储氢罐、燃料电池、燃气机、换热机组以及吸收式制冷设备；电解水装置以风光电制取氢气并存储在储氢罐内，储存的氢气经燃气机以及燃料电池转化为电能，燃气机产生的高温高压蒸汽经换热机组产生热能，经吸收式制冷设备产生冷能；上述综合自洽能源微网的容量配置方法如下：首先根据所设计微网需求侧所需电能、热能和冷能的用能需求，并考虑能量的损失，计算出微网所需总能量；
基于燃气机效率和微网所需总能量计算出燃气机释放总能量；
基于微网需求侧所需电能和电能传输效率计算出燃料电池释放总能量，计算燃料电池释放总能量时，需考虑对燃料电池总容量设计赋予裕量修正系数；
基于燃气机释放总能量以及电解水装置效率，计算出电解水释放总能量；
通过电解水装置释放总能量，结合风、光出力情况来设计光伏阵列及风电机组的额定功率；
根据燃气机释放总能量、燃气机效率以及燃气机工作时长，计算出燃气机额定功率；
根据燃料电池释放总能量、电能传输效率、燃料电池总容量设计裕量修正系数、以及燃料电池工作时长，计算出燃料电池额定功率；
根据光伏电站实时出力最大功率、风电站实时出力最大功率、以及电解水装置总容量设计裕量修正系数，计算出电解水装置额定功率；
计算氢气的摩尔数以及氢气的体积，根据所设计的单个储氢罐的容积来计算微网所需储氢罐的配置数量，计算储氢罐配置数量时，需考虑对储氢罐体积设计赋予裕量修正系数；
燃料电池总容量设计裕量修正系数为小于1的值；
微网所需总能量、燃气机释放总能量、燃料电池释放总能量、电解水装置释放总能量、燃气机额定功率、燃料电池额定功率、电解水装置额定功率、氢气的摩尔数、氢气的体积以及储氢罐配置数量按下式计算确定：上述公式中，各个参数含义说明如下：
Ee、Eh、Ec、Eloss、Eall、Ege、Ewe、Efc分别表示：微网负荷所需电能、微网负荷所需热能、微网负荷所需冷能、供能过程中损失能量、微网负荷所需的总能量、燃气机释放总能量、电解水装置释放总能量、燃料电池释放总能量，单位均为kJ；
Pge_n、Pwe_n、Pfc_n、Psrn、Pwdn、Psr(t)、Pwd(t)分别表示：燃气机额定功率、电解水装置额定功率、燃料电池额定功率、光伏电站出力额定功率、风电站出力额定功率、光伏电站实时出力最大功率、以及风电站实时出力最大功率，单位均为kW；
Kfc为考虑工程实际为燃料电池总容量设计的裕量修正系数，取值为＜1，单位为无量纲；
Kwe为考虑工程实际为电解水装置总容量设计的裕量修正系数，取值为＞1，单位为无量纲；
Wge为燃气机对外做的全部的功，单位为kWh；
nH2为氢气的摩尔数，单位为mol；
MH2为氢气的摩尔质量，单位为kg/mol；
3
ρH2为氢气的密度，单位为g/m；
3
VH2和VH2_tank分别为氢气的体积和单个氢气罐的容积，单位均为m；
NH2为氢气罐的个数；
t为机组工作时长，单位为h；
T1、T2分别为太阳能机组及风电机组工作时长，单位均为h；
K为氢气储罐体积设计裕量修正系数，单位为无量纲；
ηte_e、ηte_h、ηhte_h、ηte_c、COP、ηge、ηwe分别为电能传输效率、热能传输效率、换热效率、冷能传输效率、吸收式制冷装置能效比、燃气机效率、电解水装置效率，单位均为无量纲。
2.基于氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，其特征在于：包括如下内容：综合自洽能源微网包括分散式风电站、分布式光伏电站、电解水装置、储氢罐、燃料电池、燃气机、换热机组以及吸收式制冷设备；电解水装置以风光电制取氢气并存储在储氢罐内，储存的氢气经燃气机以及燃料电池转化为电能，燃气机产生的高温高压蒸汽经换热机组产生热能，经吸收式制冷设备产生冷能；所述综合自洽能源微网能量调控方法具体如下：微网的智能管控系统实时采集微网负荷电‑热‑冷用能需求，以及采集微网中储氢罐内的氢气实时压强值，依托并、离网判别模块来识别出微网与电网的关系；在微网并入电网或微网离开电网独立运行状态下，微网能量的调控是以储氢罐内氢气实时压强值来表征储能容量，基于氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，并结合微网中的风、光电是否出力，以及微网负荷用能端是否需要冷热供应共同作为约束条件，进而启动相对应的能量管控策略；
在执行能量管控策略时，若用能端不需要冷热供应，则燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运，对于微网并入电网时且需要冷热供应，上述三组装置有效响应；电解水装置以及燃料电池的调控是根据氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，以及微网中的风、光电是否出力进行管控；
其中，对于微网并入电网时电解水装置以及燃料电池控制如下：(1)当储氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，燃料电池停止运行，否则，燃料电池有效响应；此时，若风、光电出力，则电解水装置消纳风、光电和电网电以额定功率制取氢气，若风、光电不出力，电解水装置消纳电网电以额定功率制取氢气；
(2)当储氢罐内的氢气实时压强值大于设定的氢气压强最小值时，若风、光电不出力，电解水装置停止运行，若风、光电出力，电解水装置消纳风、光电制取氢气；
其中，对于微网离开电网独立运行时，控制策略进一步为：燃料电池响应供电，电解水装置只在风、光电出力情况下，才消纳风、光电制取氢气，否则，电解水装置停止运行；当氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，无论用能端是否需要冷热供应，燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运。
3.根据权利要求2所述的基于氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，其特征在于：微网并入电网时，微网出力调控根据如下几种工况来执行：
并网工况1：当智能管控系统监测到满足式(2)条件时，微网中各装置出力情况按式(3)进行，依据用电负荷大小，供电响应顺序依次为先燃气机组供电、再燃料电池供电、最后电网供电：式中： 分别为储氢罐内氢气实时压强值和设定氢气压强最大值；
上式中，Pwe、Pge、Pfc、Phe、Pre、Pgrid分别为电解水装置、燃气机组、燃料电池、换热机组、吸收式制冷装置、电网实时出力功率，单位均为kW；
Pge_n、Pfc_n分别为燃气机组以及燃料电池额定功率，单位均为kW；
Pload、Ph、Pc分别为微网负荷实时所需电能、热能、冷能，单位均为kW；
并网工况2：当智能管控系统监测到满足式(4)条件时，微网中各装置出力情况按式(5)进行，燃料电池供电为主，电网供电为辅：并网工况3：当智能管控系统监测到满足式(6)条件时，微网中各装置出力情况按式(7)进行：式中：PaMID为设定氢气压强中值；
式中：Psr、Pwd分别为太阳能及风能出力功率，单位均为kW；
并网工况4：当智能管控系统监测到满足式(8)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行：并网工况5：当智能管控系统监测到满足式(10)条件时，微网中各装置出力情况按式(11)进行：式中：PaMIN为设定氢气压强最小值；
式中：Pwe_n为电解水装置额定出力功率，单位为kW；
K为满足用户冷、热需求前提下，且考虑燃气机组综合效率的最小出力系数，取值为0～
1，单位为无量纲；
并网工况6：当智能管控系统监测到满足式(12)条件时，微网中各装置出力情况按式(13)进行：并网工况7：当智能管控系统监测到满足式(14)条件时，微网中各装置出力情况按式(15)进行：并网工况8：当智能管控系统监测到满足式(16)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行：并网工况9：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(18)条件时，微网中各装置出力情况按式(19)进行，内循环程序的退出条件为：当储氢罐内氢气实时压强值到达设定压强中值或检测到风光出力；
并网工况10：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(20)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行；
并网工况11：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(21)条件时，微网中各装置出力情况按式(22)进行；
并网工况12：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(23)条件时，微网中各装置出力情况按式(15)进行；
并网工况13：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(24)条件时，微网中各装置出力情况按式(3)进行；
并网工况14：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(25)条件时，微网中各装置出力情况按式(26)进行；
并网工况15：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(27)条件时，微网中各装置出力情况按式(28)进行；
并网工况16：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(29)条件时，微网中各装置出力情况按式(30)进行；
4.根据权利要求3所述的基于氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，其特征在于：微网离开电网独立运行时，微网出力调控根据如下几种工况来执行：离网工况1：当智能管控系统监测到满足式(31)条件时，微网中各装置出力情况按式(32)进行：离网工况2：当智能管控系统监测到满足式(33)条件时，微网中各装置出力情况按式(34)进行：离网工况3：当智能管控系统监测到满足式(35)条件时，微网中各装置出力情况按式(36)进行：式中，Pload1为微网内一类负荷所需电能实时功率，单位为kW；
离网工况4：当智能管控系统监测到满足式(37)条件时，微网中各装置出力情况按式(38)进行：离网工况5：当智能管控系统监测到满足式(39)条件时，微网中各装置出力情况按式(40)进行：离网工况6：当智能管控系统监测到满足式(41)条件时，微网中各装置出力情况按式(42)进行：离网工况7：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，若微网用户需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(32)进行；
离网工况8：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，若微网用户不需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(34)进行。 说明书 : 基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法及能量调控方法技术领域[0001] 本发明涉及建筑能源供应技术领域，具体涉及基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法及能量调控方法。背景技术[0002] 近年来储能技术飞速发展，我国储能产业也迎来了至少十年的黄金发展期。为了协调分布式电源本身随机性、间歇性的特点与电网可靠运行的矛盾，集分布式电源、储能装置、负荷、能量转换装置和控制保护装置于一体的微网技术得到了飞速发展。但是由于土建式的储能电站受制于交通、地势等原因，为微网的建设带来了严重的制约和影响，迫切需要一种能适应海岛、边防哨所等能源供给困难的特殊环境的微网电站建设方案。[0003] 近些年，在研究学者、行业专家、政企领导等社会各界人士的共同努力加持下，各类储能技术愈加成熟、成本愈加可控，已初呈多元化储能市场生态格局。氢作为一种清洁燃料，具有能量密度高、无污染、便于储存和传输等优点。氢能作为一种化学储能的延伸，具有诸多优点，基于可再生能源电解的绿氢技术产制过程完全零碳排放，备受青睐、极具发展潜力。在能源结构低碳、绿色转型过程中，构建以太阳能和风能为代表的低碳安全再生能源供应体系将是我国应对气候变化、资源短缺、能源安全的重要载体，发展以骨干电网和局域微网互补网型形态将是我国未来气象驱动型电力系统的合理格局。风光隶属天赐再生绿能，可依托技术自由获取、转换与利用，是微网系统理想的一次能量源。[0004] 本发明构建以消纳风、光可再生资源为主的基于氢储能的综合自洽能源微网，并结合不同应用场景用能需求，给出该综合自洽能源微网的合理配置方案以及能量调控策略，整个方案综合考虑了建设成本、配置容量大小与用能需求大小、以及避免频繁启停等问题，依托闲置空地或现有基础设施即可快速建设，完全可以实现电‑热‑冷多能综合经济自足，较为适配边防哨所、独立岛屿、偏远村落、西部高速服务区/车站等弱网甚至无网区域。发明内容[0005] 本发明首先公开基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法，该综合自洽能源微网包括分散式风电站、分布式光伏电站、电解水装置、储氢罐、燃料电池、燃气机、换热机组以及吸收式制冷设备；电解水装置以风光电制取氢气并存储在储氢罐内，储存的氢气经燃气机以及燃料电池转化为电能，燃气机产生的高温高压蒸汽经换热机组产生热能，经吸收式制冷设备产生冷能；上述综合自洽能源微网的容量配置方法如下：[0006] 首先根据所设计微网需求侧所需电能、热能和冷能的用能需求，并考虑能量的损失，计算出微网所需总能量；[0007] 基于燃气机效率和微网所需总能量计算出燃气机释放总能量；[0008] 基于微网需求侧所需电能和电能传输效率计算出燃料电池释放总能量，计算燃料电池释放总能量时，需考虑对燃料电池总容量设计赋予裕量修正系数；[0009] 基于燃气机释放总能量以及电解水装置效率，计算出电解水释放总能量；[0010] 通过电解水装置释放总能量，结合风、光出力情况来设计光伏阵列及风电机组的额定功率；[0011] 根据燃气机释放总能量、燃气机效率以及燃气机工作时长，计算出燃气机额定功率；[0012] 根据燃料电池释放总能量、电能传输效率、燃料电池总容量设计裕量修正系数、以及燃料电池工作时长，计算出燃料电池额定功率；[0013] 根据光伏电站实时出力最大功率、风电站实时出力最大功率、以及电解水装置总容量设计裕量修正系数，计算出电解水装置额定功率；[0014] 计算氢气的摩尔数以及氢气的体积，根据所设计的单个储氢罐的容积来计算微网所需储氢罐的配置数量，计算储氢罐配置数量时，需考虑对储氢罐体积设计赋予裕量修正系数。[0015] 进一步，燃料电池总容量设计裕量修正系数为小于1的值。[0016] 进一步，微网所需总能量、燃气机释放总能量、燃料电池释放总能量、电解水装置释放总能量、燃气机额定功率、燃料电池额定功率、电解水装置额定功率、氢气的摩尔数、氢气的体积以及储氢罐配置数量按下式计算确定：[0017][0018] 上述公式中，各个参数含义说明如下：[0019] Ee、Eh、Ec、Eloss、Eall、Ege、Ewe、Efc分别表示：微网负荷所需电能、微网负荷所需热能、微网负荷所需冷能、供能过程中损失能量、微网负荷所需的总能量、燃气机释放总能量、电解水装置释放总能量、燃料电池释放总能量，单位均为kJ；[0020] Pge_n、Pwe_n、Pfc_n、Psrn、Pwdn、Psr(t)、Pwd(t)分别表示：燃气机额定功率、电解水装置额定功率、燃料电池额定功率、光伏电站出力额定功率、风电站出力额定功率、光伏电站实时出力最大功率、以及风电站实时出力最大功率，单位均为kW；[0021] Kfc为考虑工程实际为燃料电池总容量设计的裕量修正系数，取值为＜1，单位为无量纲；[0022] Kwe为考虑工程实际为电解水装置总容量设计的裕量修正系数，取值为＞1，单位为无量纲；[0023] Wge为燃气机对外做的全部的功，单位为kWh；[0024] 为氢气的摩尔数，单位为mol；[0025] 为氢气的摩尔质量，单位为kg/mol；3[0026] 为氢气的密度，单位为g/m；3[0027] 和 分别为氢气的体积和单个氢气罐的容积，单位均为m；[0028] NH2为氢气罐的个数；[0029] t为机组工作时长，单位为h；[0030] T1、T2分别为太阳能机组及风电机组工作时长，单位均为h；[0031] K为氢气储罐体积设计裕量修正系数，单位为无量纲；[0032] ηte_e、ηte_h、ηhte_h、ηte_c、COP、ηge、ηwe分别为电能传输效率、热能传输效率、换热效率、冷能传输效率、吸收式制冷装置能效比、燃气机效率、电解水装置效率，单位均为无量纲。[0033] 本发明还公开基于上述氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，具体采用如下技术方案实现：[0034] 基于氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，包括如下内容：[0035] 微网的智能管控系统实时采集微网负荷电‑热‑冷用能需求，以及采集微网中储氢罐内的氢气实时压强值，依托并、离网判别模块来识别出微网与电网的关系；在微网并入电网或微网离开电网独立运行状态下，微网能量的调控是以储氢罐内氢气实时压强值来表征储能容量，基于氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，并结合微网中的风、光电是否出力，以及微网负荷用能端是否需要冷热供应共同作为约束条件，进而启动相对应的能量管控策略；[0036] 在执行能量管控策略时，若用能端不需要冷热供应，则燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运，对于微网并入电网时且需要冷热供应，上述三组装置有效响应；电解水装置以及燃料电池的调控是根据氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，以及微网中的风、光电是否出力进行管控；[0037] 其中，对于微网并入电网时电解水装置以及燃料电池控制如下：[0038] (1)当储氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，燃料电池停止运行，否则，燃料电池有效响应；此时，若风、光电出力，则电解水装置消纳风、光电和电网电以额定功率制取氢气，若风、光电不出力，电解水装置消纳电网电以额定功率制取氢气；[0039] (2)当储氢罐内的氢气实时压强值大于设定的氢气压强最小值时，若风、光电不出力，电解水装置停止运行，若风、光电出力，电解水装置消纳风、光电制取氢气；[0040] 其中，对于微网离开电网独立运行时，控制策略进一步为：燃料电池响应供电，电解水装置只在风、光电出力情况下，才消纳风、光电制取氢气，否则，电解水装置停止运行；当氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，无论用能端是否需要冷热供应，燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运。[0041] 进一步，微网并入电网时，微网出力调控根据如下几种工况来执行：[0042] 并网工况1：当智能管控系统监测到满足式(2)条件时，微网中各装置出力情况按式(3)进行，依据用电负荷大小，供电响应顺序依次为先燃气机组供电、再燃料电池供电、最后电网供电：[0043][0044] 式中： 分别为储氢罐内氢气实时压强值和设定氢气压强最大值；[0045][0046] 上式中，Pwe、Pge、Pfc、Phe、Pre、Pgrid分别为电解水装置、燃气机组、燃料电池、换热机组、吸收式制冷装置、电网实时出力功率，单位均为kW；[0047] Pge_n、Pfc_n分别为燃气机组以及燃料电池额定功率，单位均为kW；[0048] Pload、Ph、Pc分别为微网负荷实时所需电能、热能、冷能，单位均为kW；[0049] 并网工况2：当智能管控系统监测到满足式(4)条件时，微网中各装置出力情况按式(5)进行，燃料电池供电为主，电网供电为辅：[0050][0051][0052] 并网工况3：当智能管控系统监测到满足式(6)条件时，微网中各装置出力情况按式(7)进行：[0053][0054] 式中：PaMID为设定氢气压强中值；[0055][0056] 式中：Psr、Pwd分别为太阳能及风能出力功率，单位均为kW；[0057] 并网工况4：当智能管控系统监测到满足式(8)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行：[0058][0059][0060] 并网工况5：当智能管控系统监测到满足式(10)条件时，微网中各装置出力情况按式(11)进行：[0061][0062] 式中：PaMIN为设定氢气压强最小值；[0063][0064] 式中：Pwe_n为电解水装置额定出力功率，单位为kW；[0065] K为满足用户冷、热需求前提下，且考虑燃气机组综合效率的最小出力系数，取值为0～1，单位为无量纲；[0066] 并网工况6：当智能管控系统监测到满足式(12)条件时，微网中各装置出力情况按式(13)进行：[0067][0068][0069] 并网工况7：当智能管控系统监测到满足式(14)条件时，微网中各装置出力情况按式(15)进行：[0070][0071][0072] 并网工况8：当智能管控系统监测到满足式(16)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行：[0073][0074] 并网工况9：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(18)条件时，微网中各装置出力情况按式(19)进行，内循环程序的退出条件为：当储氢罐内氢气实时压强值到达设定压强中值或检测到风光出力；[0075][0076][0077][0078] 并网工况10：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(20)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行；[0079][0080] 并网工况11：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(21)条件时，微网中各装置出力情况按式(22)进行；[0081][0082][0083] 并网工况12：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(23)条件时，微网中各装置出力情况按式(15)进行；[0084][0085] 并网工况13：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(24)条件时，微网中各装置出力情况按式(3)进行；[0086][0087] 并网工况14：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(25)条件时，微网中各装置出力情况按式(26)进行；[0088][0089][0090] 并网工况15：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(27)条件时，微网中各装置出力情况按式(28)进行；[0091][0092][0093] 并网工况16：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(29)条件时，微网中各装置出力情况按式(30)进行；[0094][0095][0096] 进一步，微网离开电网独立运行时，微网出力调控根据如下几种工况来执行：[0097] 离网工况1：当智能管控系统监测到满足式(31)条件时，微网中各装置出力情况按式(32)进行：[0098][0099][0100] 离网工况2：当智能管控系统监测到满足式(33)条件时，微网中各装置出力情况按式(34)进行：[0101][0102][0103] 离网工况3：当智能管控系统监测到满足式(35)条件时，微网中各装置出力情况按式(36)进行：[0104][0105][0106] 式中，Pload1为微网内一类负荷所需电能实时功率，单位为kW；[0107] 离网工况4：当智能管控系统监测到满足式(37)条件时，微网中各装置出力情况按式(38)进行：[0108][0109][0110] 离网工况5：当智能管控系统监测到满足式(39)条件时，微网中各装置出力情况按式(40)进行：[0111][0112][0113] 离网工况6：当智能管控系统监测到满足式(41)条件时，微网中各装置出力情况按式(42)进行：[0114][0115][0116] 离网工况7：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，若微网用户需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(32)进行；[0117][0118] 离网工况8：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，若微网用户不需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(34)进行。[0119] 本发明构建以消纳风、光可再生资源为主的基于氢储能的综合自洽能源微网，就地获取、变换与利用风光一次再生能源，并通过风电、光伏、电解槽、燃料电池、燃氢汽轮机、换热机组、制冷机组等异性装备的协同聚合，实现电‑热‑冷的多能自洽联供，大幅降低了弱网区域对电网能量获取的过度依赖，缓解了地方配网的供电压力，延缓了电网增资扩容，规避了高成本的电网新建，有效控制了偏远区域单位用能成本，经济科学合理地解决了弱网区域能量保障问题。[0120] 本发明基于微型氢燃气发电机组与储能技术，构建的多态能源自洽离网供给系统，系统工程体量较低，建设周期短、成本低，运行稳定可靠、运维简单，二次投入很少，致使全寿命周期单位折算用能成本低、系统运行效益高；设计容量可按照负荷实际需求调配，源‑荷供给半径较短，电‑热‑冷支持同时供给，综合能效较高；而且，系统选址灵活分散，可依托用户闲置空地就近建设，避免了外扩开采引起的生态破坏等不利影响。[0121] 本发明结合不同应用场景用能需求，给出该综合自洽能源微网的合理配置方案以及能量调控策略，整个方案综合考虑了建设成本、配置容量大小与用能需求大小、以及避免频繁启停等问题，依托闲置空地或现有基础设施即可快速建设，完全可以实现电‑热‑冷多能综合经济自足，较为适配边防哨所、独立岛屿、偏远村落、西部高速服务区/车站等弱网甚至无网区域。[0122] 本发迷基于风光预测结果和典型日负荷曲线，系统可完成日前风电、光伏、电解槽、燃料电池、微型燃氢汽轮机、换热机组、吸收制冷机组各单元优化组合调度，并根据日内各单元的出力实时调整平抑风光随机和负荷波动引起的指令偏差。通过这种多能流的多时间尺度下的优化管控技术，不仅可保障系统能量和功率的实时平衡，而且还实现了系统多能流的最优经济调度。[0123] 本发明基于物联智能感知技术，系统可实现正常状态、异常状态和紧急状态的自动辨识，并通过智能调控技术使系统部分处于边界或者越限参量重归设定阈值范围之内，完成异常状态—正常状态的转变；基于故障的快速甄别、定位与切除技术以及模式快速切换技术，可实现系统局部故障下的稳定运营，并在故障消除后自动重构路径，实现系统自愈恢复，完成紧急状态—正常状态的转变。附图说明[0124] 图1为本发明实施例中第一种综合自洽能源微网的结构示意图；[0125] 图2为本发明实施例中第二种综合自洽能源微网的结构示意图；[0126] 图3为本发明实施例中能量调控方法的总流程图；[0127] 图4为本发明实施例中能量调控方法的并网条件下控制流程图；[0128] 图5为本发明实施例中能量调控方法的离网条件下控制流程图。具体实施方式[0129] 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。[0130] 本实施例首先公开基于氢储能的综合自洽能源微网配置方法，其中，该综合自洽能源微网的结构有两种，分别如图1和图2所示，两种结构之间的差异主要体现在电解水装置的连接方式上。其中图1的分散式风电站和/或分布式光伏电站输出的电能先并入直流母线，将电解水装置并联在直流母线侧，电解水装置通过直流母线获取制氢所需电能。而图2中的分布式新能源设备的电能输出端与电解水装置直连，即分散式风电站和/或分布式光伏电站输出的电能直接连接到电解水装置的电源输入端，相比于图1中的连接方式，可以减少直流母线的敷设，有利于降低成本和加快微网建设速度。整个微网根据能量来源、流动、转换和消纳过程可分为四个单元，即：能量制造单元、能量储存单元、能量转换单元以及能量消耗单元。其中，“能量制造单元”主要指微网配置的分散式风电站和分布式光伏电站，依托高效清洁的可再生能源为微网系统提供绿色优质电能，结合微网现场实际情况，可考虑是否与电网连接作为微网后备电源保障。“能量储存单元”主要构成包括电解水装置、储气罐、压缩机、阀门等。电解水装置依托可再生能源制得氢能并将其进行存储，具有柔性启停、调节功能，可按需拓容。“能量转换单元”由两部分构成，分别为“电‑热‑冷制取单元”以及“电能制取单元”，“电‑热‑冷制取单元”内主要包括微型燃氢汽轮机、发电机、换热机组、吸收式制冷设备等构成，微型燃氢汽轮机燃烧“能量储存单元”中所存储的氢气、氧气产生高温高压蒸汽动力，通过换热机组、吸收式制冷设备、发电机依次制得热能、冷能、电能以满足不同应用场景用能需要；“电能制取单元”主要包括燃料电池、逆变器、变压器等设备组成，燃料电池将“能量储存单元”中存储的氢能转化为电能以满足微网应用场景中电能需求。“能量消耗单元”是指用能端或用户端，所设想的主要应用场景包括边防哨所、偏远村落、独立岛屿、西部车站、西部高速服务区等，本实施例中给出的应用场景能量需求主要包括电能、热能、冷能。[0131] 电解水装置制备的氢气和氧气分别存储于储氢罐和储氧罐中，储氢罐中的氢气及储氧罐中的氧气其中一路被输送给微型燃氢汽轮机产生高温高压蒸汽，另一路氢气和氧气被输送给燃料电池转化为电能给用能端供电。微型燃氢汽轮机包括燃烧室、压汽机和涡轮，储氧罐中的氧气连同空气被输送至压汽机压缩，储氢罐中的氢气以及压缩后的氧气、空气一起送入燃烧室燃烧转变为热能，形成的高温高压燃烧产物推动涡轮做功，涡轮进而推动发电机转化为电能。微型燃氢汽轮机产生的高温高压蒸汽另一路输送给换热机组转化为热能以及输送给吸收式制冷设备产生冷能，所转化的热能和冷能用于给用能端供热和供冷。[0132] 整个微网系统还包括智能控制系统，在智能控制系统的调控下，该自洽微网系统可以在离网状态下独立运行，能够有效保障用户端能源需求；也可以并入电网，就地消纳风、光可再生资源，为我国西部偏远区域广大散落用户的用能探寻一条可行的技术路径。[0133] 上述综合自洽能源微网在容量配置设计上按下述方法进行：[0134] 首先根据所设计微网需求侧所需电能、热能和冷能的用能需求，并考虑能量的损失，计算出微网所需总能量；[0135] 基于燃气机效率和微网所需总能量计算出燃气机释放总能量；[0136] 基于微网需求侧所需电能和电能传输效率计算出燃料电池释放总能量，计算燃料电池释放总能量时，需考虑乘以燃料电池总容量设计裕量修正系数，因微网负荷所需总容量已除以效率，保障燃料电池选型所具有的冗余量，该修正系数为结合工程造价成本考虑出最优燃料电池总容量；[0137] 基于燃气机释放总能量以及电解水装置效率，计算出电解水释放总能量；然后，通过电解水装置释放总能量，结合风、光出力情况来设计光伏阵列及风电机组的额定功率；[0138] 根据燃气机释放总能量、燃气机效率以及燃气机工作时长，计算出燃气机额定功率；[0139] 根据燃料电池释放总能量、电能传输效率、燃料电池总容量设计裕量修正系数、以及燃料电池工作时长，计算出燃料电池额定功率；[0140] 根据光伏电站实时出力最大功率、风电站实时出力最大功率、以及电解水装置总容量设计裕量修正系数，计算出电解水装置额定功率；[0141] 计算氢气的摩尔数以及氢气的体积，根据所设计的单个储氢罐的容积来计算微网所需储氢罐的配置数量，计算储氢罐配置数量时，需考虑乘以储氢罐体积设计裕量修正系数，以保证储氢罐设计的冗余量。[0142] 其中，微网所需总能量、燃气机释放总能量、燃料电池释放总能量、电解水装置释放总能量、燃气机额定功率、燃料电池额定功率、电解水装置额定功率、氢气的摩尔数、氢气的体积以及储氢罐配置数量按下式计算确定：[0143][0144] 上述公式中，各个参数含义说明如下：[0145] Ee、Eh、Ec、Eloss、Eall、Ege、Ewe、Efc分别表示：微网负荷所需电能、微网负荷所需热能、微网负荷所需冷能、供能过程中损失能量、微网负荷所需的总能量、燃气机释放总能量、电解水装置释放总能量、燃料电池释放总能量，单位均为kJ；[0146] Pge_n、Pwe_n、Pfc_n、Psrn、Pwdn、Psr(t)、Pwd(t)分别表示：燃气机额定功率、电解水装置额定功率、燃料电池额定功率、光伏电站出力额定功率、风电站出力额定功率、光伏电站实时出力最大功率、以及风电站实时出力最大功率，单位均为kW；[0147] Kfc为考虑工程实际为燃料电池总容量设计的裕量修正系数，取值为＜1，单位为无量纲；[0148] Kwe为考虑工程实际为电解水装置总容量设计的裕量修正系数，取值为＞1，单位为无量纲；该修正系数使电解水装置容量具备足够冗余量，可满足风、光共同出力，且实时出力最大的工况；[0149] Wge为燃气机对外做的全部的功，单位为kWh；[0150] 为氢气的摩尔数，单位为mol；[0151] 为氢气的摩尔质量，单位为kg/mol；[0152] 为氢气的密度，单位为g/m3；[0153] 和 分别为氢气的体积和单个氢气罐的容积，单位均为m3；[0154] NH2为氢气罐的个数；[0155] t为机组工作时长，单位为h；[0156] T1、T2分别为太阳能机组及风电机组工作时长，单位均为h；[0157] K为氢气储罐体积设计裕量修正系数，单位为无量纲；[0158] ηte_e、ηte_h、ηhte_h、ηte_c、COP、ηge、ηwe分别为电能传输效率、热能传输效率、换热效率、冷能传输效率、吸收式制冷装置能效比、燃气机效率、电解水装置效率，单位均为无量纲。[0159] 本实施例还公开基于上述氢储能的综合自洽能源微网能量调控方法，包括如下内容：[0160] 微网的智能管控系统实时采集微网负荷电‑热‑冷用能需求，以及采集微网中储氢罐内的氢气实时压强值，依托并、离网判别模块来识别出微网与电网的关系；在微网并入电网或微网离开电网独立运行状态下，微网能量的调控是以储氢罐内氢气实时压强值来表征储能容量，基于氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，并结合微网中的风、光电是否出力，以及微网负荷用能端是否需要冷热供应共同作为约束条件，进而启动相对应的能量管控策略。[0161] 如图3所示，通过并离网判别模块对微网与电网的接入关系进行判断，若微网处于并入电网状态，则可以分为16种工况条件进行对应调控；若微网处于离开电网独立运行状态，则可以分为8种工况条件进行对应调控，无论并网还是离网，其调控策略整体可概括如下：[0162] 在执行能量管控策略时，若用能端不需要冷热供应，则燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运，对于微网并入电网时且需要冷热供应，上述三组装置有效响应；电解水装置以及燃料电池的调控是根据氢气实时压强值与设定的氢气压强边界阈值判别结果，以及微网中的风、光电是否出力进行管控；[0163] 其中，对于微网并入电网时电解水装置以及燃料电池控制如下：[0164] (1)当储氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，燃料电池停止运行，否则，燃料电池有效响应；此时，若风、光电出力，则电解水装置消纳风、光电和电网电以额定功率制取氢气，若风、光电不出力，电解水装置消纳电网电以额定功率制取氢气；[0165] (2)当储氢罐内的氢气实时压强值大于设定的氢气压强最小值时，若风、光电不出力，电解水装置停止运行，若风、光电出力，电解水装置消纳风、光电制取氢气；[0166] 其中，对于微网离开电网独立运行时，控制策略进一步为：燃料电池响应供电，电解水装置只在风、光电出力情况下，才消纳风、光电制取氢气，否则，电解水装置停止运行；当氢罐内的氢气实时压强值小于等于设定的氢气压强最小值时，无论用能端是否需要冷热供应，燃气机组、换热机组及吸收式制冷装置都停运。[0167] 下面结合图4所示并网状态下介绍各个工况条件的具体出力调控情况：并网情况下，发电机、吸收式制冷设备、换热机组等设备依靠氢气经微型燃氢汽轮机释放热能作为能量源泉，满足用户电‑热‑冷用能需求，也可仅依靠氢气经燃料电池释放电能，满足用户电能需求。需要注意的是，本发明为简化出力工况表征，将冷能、热能需求作为条件进行捆绑，但在实践过程中，冷能、热能需求可分别由智能管控系统监测，分别由吸收式制冷机组、换热机组出力满足热负荷、冷负荷需求。[0168] 并网工况1：当智能管控系统监测到满足式(2)条件时，氢储能装置已达到储能上限，电解水装置停止运行，微网中各装置出力情况按式(3)进行，依据用电负荷大小，供电响应顺序依次为先燃气机组供电、再燃料电池供电、最后电网供电：[0169][0170] 式中： 分别为储氢罐内氢气实时压强值和设定氢气压强最大值；[0171][0172] 上式中，Pwe、Pge、Pfc、Phe、Pre、Pgrid分别为电解水装置、燃气机组、燃料电池、换热机组、吸收式制冷装置、电网实时出力功率，单位均为kW；[0173] Pge_n、Pfc_n分别为燃气机组以及燃料电池额定功率，单位均为kW；[0174] Pload、Ph、Pc分别为微网负荷实时所需电能、热能、冷能，单位均为kW。[0175] 并网工况2：当智能管控系统监测到满足式(4)条件时，氢储能装置已达到储能上限，用户负荷仅需要电能供应，燃料电池装置及电网需响应控制指令，满足系统电能量调度需求。当用户实时所需电能小于燃料电池出力时，仅燃料电池出力即可满足用户电能需要；当燃料电池实时出力难以满足用户所需电能，则燃料电池以自身额定功率运行，电网辅助运行，共同满足用户实时电能需要。微网中各装置出力情况按式(5)进行：[0176][0177][0178] 并网工况3：当智能管控系统监测到满足式(6)条件时，此时，电解水装置择优消纳风光实时出力制取氢气，微网中各装置出力情况按式(7)进行：[0179][0180] 式中：PaMID为设定氢气压强中值；[0181][0182] 式中：Psr、Pwd分别为太阳能及风能出力功率，单位均为kW。[0183] 并网工况4：当智能管控系统监测到满足式(8)条件时，用户负荷仅需要电能供应，燃料电池和电网需响应控制指令，满足系统电能调度需求，微网中各装置出力情况按式(9)进行：[0184][0185][0186] 并网工况5：当智能管控系统监测到满足式(10)条件时，储能罐内的氢气达到设定最小阈值，电解水装置择优消纳电网及风光出力以额定功率制取氢气，燃气机组在保障冷热需求的同时按最小出力运行；为避免氢气过多消耗，此时燃料电池停止工作，微网中各装置出力情况按式(11)进行：[0187][0188] 式中：PaMIN为设定氢气压强最小值；[0189][0190] 式中：Pwe_n为电解水装置额定出力功率，单位为kW；[0191] K为满足用户冷、热需求前提下，且考虑燃气机组综合效率的最小出力系数，取值为0～1，单位为无量纲。修正系统K主要是考虑氢气储量已近下限，为避免在满足用户冷热需求的前提下过量耗氢导致系统停运，综合燃氢汽轮机出力特性(保障综合效率不低于下限)使机组发电功率最小。[0192] 并网工况6：当智能管控系统监测到满足式(12)条件时，微网中各装置出力情况按式(13)进行：[0193][0194][0195] 并网工况7：当智能管控系统监测到满足式(14)条件时，电解水装置消纳风、光出力电解制氢，燃气机组在保障冷、热用户需要的同时按其最小出力运行，微网中各装置出力情况按式(15)进行：[0196][0197][0198] 并网工况8：当智能管控系统监测到满足式(16)条件时，微网中各装置出力情况按式(9)进行：[0199][0200] 并网工况9：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(18)条件时，微网中各装置出力情况按式(19)进行，内循环程序的退出条件为：当储氢罐内氢气实时压强值到达设定压强中值或检测到风光出力；[0201][0202][0203][0204] 并网工况10：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(20)条件时，内循环程序终止，微网中各装置出力情况按式(9)进行；[0205][0206] 并网工况11：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(21)条件时，微网中各装置出力情况按式(22)进行；[0207][0208][0209] 并网工况12：当智能管控系统监测到满足式(17)条件时，微网将进入局部内循环程序，内循环程序中智能管控系统进一步监测到满足式(23)条件时，微网中各装置出力情况按式(15)进行；[0210][0211] 并网工况13：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(24)条件时，微网中各装置出力情况按式(3)进行；[0212][0213] 并网工况14：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(25)条件时，微网中各装置出力情况按式(26)进行；[0214][0215][0216] 并网工况15：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(27)条件时，微网中各装置出力情况按式(28)进行；[0217][0218][0219] 并网工况16：当智能管控系统监测到风光不出力，且满足式(29)条件时，微网中各装置出力情况按式(30)进行；[0220][0221][0222] 如图5所示，微网离开电网独立运行状态下，其调控策略需考虑没有电网支撑情况下，储能系统仍需要为微网内一类负荷供电，规避微网内发生重大损坏事故，还需考虑燃气机组与燃料电池配合出力的问题，因此调控方法根据各工况条件控制如下：[0223] 离网工况1：当智能管控系统监测到满足式(31)条件时，氢储能装置已达到储能上限，在智能管控系统统筹调度下，电解水装置停止运行，微型燃氢汽轮机及发电机、换热机组、吸收式制冷装置等设备有效响应指令，满足系统电‑热‑冷能量调度需求。依据用电负荷大小判据，供电响应顺序依次为微型燃氢汽轮机及发电机、燃料电池，微网中各装置出力情况按式(32)进行：[0224][0225][0226] 离网工况2：当智能管控系统监测到满足式(33)条件时，氢储能装置已达到储能上限，用户负荷仅需要电能供应，在智能管控系统统筹调度下，燃料电池装置及微型燃氢汽轮机需响应控制指令，满足系统电能量调度需求。当用户实时所需电能小于燃料电池出力时，仅燃料电池出力即可满足用户电能需要；当燃料电池实时出力难以满足用户所需电能，则燃料电池以自身额定功率运行，微型燃氢汽轮机及发电机辅助运行，共同满足用户实时电能需要，微网中各装置出力情况按式(34)进行：[0227][0228][0229] 离网工况3：当智能管控系统监测到满足式(35)条件时，氢气储存已到达所设下限，在智能管控系统统筹调度下，换热机组、吸收式制冷装置等设备停止出力，所储存氢能全部经燃料电池转化为电能，满足微网内一类负荷需要电能。微网中各装置出力情况按式(36)进行：[0230][0231][0232] 式中，Pload1为微网内一类负荷所需电能实时功率，单位为kW；[0233] 离网工况4：当智能管控系统监测到满足式(37)条件时，微网中各装置出力情况按式(38)进行：[0234][0235][0236] 离网工况5：当智能管控系统监测到满足式(39)条件时，电解水装置通过消纳风光实时出力制取氢气，氢气通过微型燃氢汽轮机产生高温高压蒸汽；用户负荷仅需要电能供应，在智能管控系统统筹调度下，燃料电池装置及微型燃氢汽轮机需响应控制指令，满足系统电能量调度需求，微网中各装置出力情况按式(40)进行：[0237][0238][0239] 离网工况6：当智能管控系统监测到满足式(41)条件时，氢气储存已到达所设下限，在智能管控系统统筹调度下，换热机组、吸收式制冷装置等设备停止出力，所储存氢能全部经燃料电池转化为电能，满足微网内一类负荷需要电能，微网中各装置出力情况按式(42)进行：[0240][0241][0242] 离网工况7：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，氢气储存仍有一定余量，若微网用户需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(32)进行；[0243][0244] 离网工况8：当智能管控系统监测到满足式(43)条件时，氢气储存仍有一定余量，若微网用户不需要冷热供应，则微网中各装置出力情况按式(34)进行。[0245] 本发明所公开的技术方案具有如下技术优势：[0246] (1)综合自洽能源微网能流调度优化经济。基于风光预测结果和典型日负荷曲线，系统可完成日前风电、光伏、电解槽、燃料电池、微型燃氢汽轮机、换热机组、吸收制冷机组各单元优化组合调度，并根据日内各单元的出力实时调整平抑风光随机和负荷波动引起的指令偏差。通过这种多能流的多时间尺度下的优化管控技术，不仅可保障系统能量和功率的实时平衡，而且还实现了系统多能流的最优经济调度。[0247] (2)综合自洽能源微网运行高效弹性稳定。基于物联智能感知技术，系统可实现正常状态、异常状态和紧急状态的自动辨识，并通过智能调控技术使系统部分处于边界或者越限参量重归设定阈值范围之内，完成异常状态—正常状态的转变；基于故障的快速甄别、定位与切除技术以及模式快速切换技术，可实现系统局部故障下的稳定运营，并在故障消除后自动重构路径，实现系统自愈恢复，完成紧急状态—正常状态的转变。[0248] (3)综合自洽能源微网经济实用。该系统依托风光等自然禀赋和现有土地资源即可按照用能需求进行定制化设计，具有建设成本低、工期短、营运投入小等诸多优点，可有效降低边防哨所、偏远村落、西部高速服务区和车站等弱网需求对电网的依赖，延缓配网扩容改造，甚至可以规避新建电网投资大、运行费用高、征地困难等传统技术弊端，为未来大力发展分布式微网的形态树立引领典范。[0249] (4)综合自洽能源微网低碳环保。该系统完全以风光等自然禀赋作为一次能量源泉，并以绿色氢能作为电热冷多能流的中间媒介，实现了系统能量从捕获—转换—分配—利用全闭环链条的绿色清洁供给，环境友好度极高，为解决偏远区域刚需用能提供了一条经济可行科学低碳的路径。[0250] 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。

专利地区：北京

专利申请日期：2021-08-02

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113572197B