本发明属于能源互联网控制技术，具体涉及一种基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统及控制方法。
背景技术：
当前传统化石能源不断枯竭，并且燃烧产生的废气对环境有较大的污染，这迫使人们用可再生能源去取代传统化石能源，在这个背景下，可再生能源并网发电技术得到了较大的发展，但是其间歇性和随机性给电网的安全和稳定性带来巨大的挑战。
针对这个问题，通用的技术是采用储能电池作为能量缓冲来平抑可再生能源的波动。储能电池由于能量密度不高，投资较大，使用寿命不长等缺点，在抑制大规模可再生能源并网发电波动方面，遇到较大的技术瓶颈。此外可再生能源目前主要作为电能被利用，这大大的限制了其应用范围，对于其有效的消纳受到电网拓扑结构，电力负荷等因素的影响。
本发明利用光伏和甲烷，以现有的配电网网络和天然气管道为基础，构成能源互联网系统。它大大的减少了对能源网络的基础建设投资，充分利用现有气、电网络构成互联互通的能源网，利用互济互助、多能互补等手段，提高对可再生能源的消纳，保证高比例可再生能源接入下的电力系统能够满足发用电功率的实时平衡。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统及控制方法，用以解决对光伏的消纳问题。
为解决技术问题，本发明的解决方案如下：
提供一种基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统，包括与城市天然气管道相连的家庭燃灶，以及接至室内母线的家庭用电器；该系统还包括甲烷电解槽、甲烷存储槽和燃料电池；甲烷电解槽将生成的甲烷送至甲烷存储槽，甲烷存储槽通过管路分别与城市天然气管道和燃料电池相连，燃料电池以甲烷存储槽提供的甲烷为燃料进行发电；家庭燃灶和燃料电池还通过管路连接至甲烷电解槽，将燃烧后产生的二氧化碳作为甲烷电解槽生产甲烷的原料；
该系统还包括设在室外的光伏发电设备，与所述甲烷电解槽、燃料电池分别通过电缆接至室内母线；在光伏发电设备、甲烷电解槽、燃料电池、甲烷存储槽，以及室内母线与配网母线连接的PCC点处，分别设有用于采集各设备功率信息和甲烷存储槽气压的信号采集装置，各信号采集装置分别通过以太网连接至中央控制器；
所述家庭燃灶、家庭用电器、甲烷电解槽、甲烷存储槽、燃料电池、光伏发电设备和中央控制器通过管路和电缆共同组成家庭能源单元；若干个家庭能源单元基于配电网线路和城市天然气管道实现并联。
本发明还进一步提供了基于前述系统的城市能源互联网系统控制方法，是以甲烷存储槽作为中间设备将甲烷电解槽、燃料电池和家庭燃灶连接起来，并将燃料电池和家庭燃灶产生的二氧化碳反馈至甲烷电解槽作为产生甲烷的原料，实现甲烷的产生、存储、消耗以及废气反馈的完整链，形成燃气互联；同时，以甲烷电解槽作为可控负荷，以燃料电池作为可控电源，由中央控制器对燃料电池和甲烷电解槽进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性；多个家庭能源单元通过城市天然气管道和配电网线路实现互联后，与在网的发电厂、工厂、天然气存储站相连；多个家庭能源单元之间，以及家庭能源单元和工厂、天然气存储站之间能够进行能量交易。
本发明中，所述光伏发电设备能够运行于MPPT即最大功率点跟踪模式；或者根据指令运行在有功或无功模式下；所述燃料电池和甲烷电解槽的运行功率是可控的，并能根据指令运行在有功或无功模式下。
本发明中，由中央控制器基于互联网获取电力和天然气的交易价后，按照经济最优原则对甲烷和电能进行最优组合，并对相关设备进行控制；具体包括以下步骤：
(1)获取当前电力和天然气的上行买电、买气交易价Peu和Pgu，下行售电、售气交易价Ped和Pgd，通常情况下，Peu<Ped，Pgu<Pgd；
所有的交易价都是折算以后的统一价，即天然气的上行价格Pgu为天然气自然上行价格除以甲烷电解槽产生单位天然气所需的电能数量；天然气的下行价格Pgd为天然气自然下行价格乘以燃料电池产生单位电能所需的天然气数量；
(2)光伏发电充裕的时候，若Peu>Pgu，则多余的光伏发电直接上送到配电网线路，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；否则，通过甲烷电解槽电解产生甲烷送入城市天然气管道，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；
(3)家庭能源单元根据能源交易价格用不同的能源进行互补：
若用电高峰用气低谷且气转电盈利，即Ped>PeP且Pgd<PgV且Peu>Pgd，其中PeP为高峰电价阈值，当下行售电价格高于PeP时，表明是用电高峰期，PgV为低谷气价，当下行售气价格低于PgV时，表明是用气低谷期，此时家庭能源单元通过燃料电池消耗甲烷产生电能并输送到配电网线路，保障电能的供给和天然气的最大化利用；
若用气高峰用电低谷且电转气盈利，即Pgd>PgP且Ped<PeV且Pgu>Ped，其中PgP为高峰气价阈值，当下行售气价格高于PgP时，表明是用气高峰期，PeV为低谷电价，当下行售电价格低于PeV时，表明是用电低谷期，此时家庭能源单元通过甲烷电解槽消耗电能产生甲烷，输送到城市天然气管道，保障天然气的供给和电能的最大化利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明着眼于能源互联网的互联互通本质，以现有的城市天然气管道(主要成分为甲烷)和配电网线路为基础，实现以甲烷和光伏为互补的城市能源互联网系统。甲烷的生产能够适应输入功率大范围波动，具有良好的抗波动性特性，可作为一种柔性负荷适应于可再生能源的波动性和间歇性。甲烷产生装置以二氧化碳，水为原材料，消耗电能产生甲烷，甲烷消耗装置以甲烷为燃料燃烧产生电能。他们之间可以实现碳的最大化循环利用，降低碳排放，保护环境。
2、当光伏出力充足的时候，多余的电能可用来制造甲烷将能量存储起来；当光伏出力欠缺的时候，又能消耗甲烷产生电能。这样可以减少可再生能源波动对电网造成的影响，提高光伏的利用率。而且以现有的城市天然气管道和配电网线路为基础，能够减少投资。此外，基于甲烷和光伏的互补，还可以实现电能和天然气使用过程中的“削峰填谷”功能。以用能压力较小的能源去补充用能压力较大的能源，实现能源的有效供给和最大化利用，保障系统的安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明中光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统结构示意图。
图中的附图标记：光伏发电设备01、家庭用电器02、中央控制器03、甲烷电解槽04、甲烷存储罐05、燃料电池06、家庭燃灶07、低带宽通信系统08、室内母线09、配电网线路10、城市天然气管道11、工厂12、发电厂13、天然气存储站14、化工厂15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统，包括与城市天然气管道11相连的家庭燃灶07，以及接至室内母线09的家庭用电器02；该系统还包括甲烷电解槽04、甲烷存储槽05和燃料电池06；甲烷电解槽04将生成的甲烷送至甲烷存储槽05，甲烷存储槽05通过管路分别与城市天然气管道11和燃料电池06相连，燃料电池06以甲烷存储槽05提供的甲烷为燃料进行发电；家庭燃灶07和燃料电池06还通过管路连接至甲烷电解槽04，将燃烧后产生的二氧化碳作为甲烷电解槽04生产甲烷的原料；
该系统还包括设在室外的光伏发电设备01，与所述甲烷电解槽04、燃料电池06分别通过电缆接至室内母线09；在光伏发电设备01、甲烷电解槽04、燃料电池06、甲烷存储槽05，以及室内母线09与配电网线路10中配网母线连接的PCC点处，分别设有用于采集各设备功率信息和甲烷存储槽05气压的信号采集装置，各信号采集装置分别通过基于以太网的低带宽通信系统连接至中央控制器03；所述家庭燃灶07、家庭用电器02、甲烷电解槽04、甲烷存储槽05、燃料电池06、光伏发电设备01和中央控制器03通过管路和电缆共同组成家庭能源单元；若干个家庭能源单元基于配电网线路10和城市天然气管道11实现并联。
本发明中，所述低带宽通信系统是指对通信速率要求不高的通信网路(带宽小于1M)，家庭常用的以太网网络即可满足要求，所述中央控制器03可采用具备运算与控制能力的单片机。
基于本发明所述系统的城市能源互联网系统控制方法，是以甲烷存储槽05作为中间设备将甲烷电解槽04、燃料电池06和家庭燃灶07连接起来，并将燃料电池06和家庭燃灶07产生的二氧化碳反馈至甲烷电解槽04作为产生甲烷的原料，实现甲烷的产生、存储、消耗以及废气反馈的完整链，形成燃气互联；同时，以甲烷电解槽04作为可控负荷，以燃料电池06作为可控电源，由中央控制器03对燃料电池06和甲烷电解槽04进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性；多个家庭能源单元通过城市天然气管道11和配电网线路10实现互联后，与在网的发电厂13、工厂12、天然气存储站14相连；多个家庭能源单元之间，以及家庭能源单元和工厂12、天然气存储站14之间能够进行能量交易。
所述光伏发电设备01能够运行于MPPT即最大功率点跟踪模式；或者根据指令运行在有功或无功模式下；所述燃料电池06和甲烷电解槽04的运行功率是可控的，并能根据指令运行在有功或无功模式下。
本发明中，由中央控制器03基于互联网获取电力和天然气的交易价后，按照经济最优原则对甲烷和电能进行最优组合，并对相关设备进行控制；具体包括以下步骤：
(1)获取当前电力和天然气的上行买电、买气交易价Peu和Pgu，下行售电、售气交易价Ped和Pgd，通常情况下，Peu<Ped，Pgu<Pgd；
所有的交易价都是折算以后的统一价，即天然气的上行价格Pgu为天然气自然上行价格除以甲烷电解槽产生单位天然气所需的电能数量；天然气的下行价格Pgd为天然气自然下行价格乘以燃料电池产生单位电能所需的天然气数量；
(2)光伏发电充裕的时候，若Peu>Pgu，则多余的光伏发电直接上送到配电网线路10，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；否则，通过甲烷电解槽04电解产生甲烷送入城市天然气管道11，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；
(3)家庭能源单元根据能源交易价格用不同的能源进行互补：
若用电高峰用气低谷且气转电盈利，即Ped>PeP且Pgd<PgV且Peu>Pgd，其中PeP为高峰电价阈值，当下行售电价格高于PeP时，表明是用电高峰期，PgV为低谷气价，当下行售气价格低于PgV时，表明是用气低谷期，此时家庭能源单元通过燃料电池06消耗甲烷产生电能并输送到配电网线路10，保障电能的供给和天然气的最大化利用；
若用气高峰用电低谷且电转气盈利，即Pgd>PgP且Ped<PeV且Pgu>Ped，其中PgP为高峰气价阈值，当下行售气价格高于PgP时，表明是用气高峰期，PeV为低谷电价，当下行售电价格低于PeV时，表明是用电低谷期，此时家庭能源单元通过甲烷电解槽04消耗电能产生甲烷，输送到城市天然气管道11，保障天然气的供给和电能的最大化利用。
具体应用示例：
在城市屋顶或者向阳面外墙安装光伏面板等光伏发电设备01，并直接连接到室内母线09上作为发电设备，它根据中央控制器03的指令运行在MPPT，或者指定有功、无功模式下。家庭用电器02直接连接到室内母线09上，作为用电设备。
同时家庭能源单元配置甲烷电解槽04，甲烷存储罐05，燃料电池06等设备，分别消耗电能产生甲烷，存储甲烷和燃烧甲烷产生电能，其中甲烷电解槽04连接到室内母线09上，与中央控制器03进行通信连接，按照需要来产生甲烷，可视作为可控负荷。
燃料电池06连接到室内母线09上，与中央控制器03进行通信连接，可以接受中央控制器03的调度，按照需求来产生电能，可视作为可控电源。
甲烷存储罐05根据中央控制器03的调度，给家庭燃灶07，燃料电池06和城市天然气管道11分配指定量的甲烷，其中家庭燃灶07可进行做饭或者烧水。甲烷存储罐05配有多个压力阀，根据各个通道的压力不同来调整本通道的压力，实现甲烷的顺畅输送和接受。
甲烷电解槽04利用来自燃料电池06和家庭燃灶07燃烧甲烷产生的二氧化碳以及额外的水，通过电能来合成甲烷，而燃料电池06则以甲烷为燃料来产生电能，他们之间能够实现碳的最大化循环利用，降低碳排放，保护环境。
多个家庭能源单元通过城市天然气管道11和配电网线路10互联起来，并和发电厂12、工厂13、化工厂15、天然气存储站14相连。多个家庭能源单元之间，家庭能源单元和工厂13、化工厂14等之间可以进行能量交易。
中央控制器03通过基于以太网通信的低带宽通信系统08和光伏发电设备01、燃料电池06、甲烷电解槽04和甲烷存储罐05进行通信，采集这些设备的信息并下发相关的控制指令。
中央控制器03获取电力和天然气交易价格，根据经济最优原则，当光伏出力过剩时，确定直接上网电量和转化为甲烷的电量；当光伏出力欠缺时，确定直接购买电量和由甲烷转化的电量；以及进行基于光伏和甲烷互补的用能“削峰填谷”功能，然后下发指令，对相关的设备进行控制。