本发明涉及电力能源领域，更具体地涉及一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法。
背景技术：
当前，我国正处于传统能源体系向现代能源体系转型的关键时期。现代能源体系倡导构建以需求为主导、多品种能源融合、多种供能方式协同、多元主体开发共享、供需智慧互动的能源系统。从传统能源体系到现代能源体系转变，需要从能源结构、能源供应方式、能源供需关系等方面进行彻底变革。
风能、太阳能作为可再生能源中最具规模化、商业化开发的能源种类，前几年得到迅速发展。但是，作为一次能源不可储存，它们产生的电能具有随机性、间歇性和反调峰特性，其规模化并入电网会导致电力系统的运行调度控制变得困难，这也是我国新能源电力消纳难题日益凸显的根本原因。随着新能源电力所占比重逐渐增加，其随机波动性对系统的影响将发生质变，电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现能量的供需平衡，这样将使电力系统的结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革。这就要求我们在深入认知当前能源新形势的基础上，创新控制与优化理论方法，解决新能源电力规模化消纳难题。
而多能互补打破了单一的能源供应模式，为用户提供综合能源服务，从而提升能源系统的综合利用效率，缓解能源供需矛盾，同时获得较好的环境效益，是未来能源发展的大势所趋。大力发展多能互补集成优化系统，是破解我国能源电力发展中弃风弃光弃水等现实难题的有效手段之一。
截止目前，由于首批多能互补示范项目实施时间有限，而且要分步骤实施，尚未有全部建成投产，多能互补控制系统的整体架构尚无统一定论，多能互补控制系统技术也尚未得到验证，相关研究仍将继续。
因此，本领域尚缺乏一种实用、健全的终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法。为了缓解能源供需矛盾、解决弃风弃光率日益增长的问题，多能互补技术日趋流行并逐渐成为解决上述问题的重要方案。作为多能互补技术的核心技术，多能互补控制系统的研究将直接影响到整个多能互补项目的综合效益。本发明的多能互补控制系统旨在搭建一套合理的分层次的用于终端一体化集成供能模式的多能互补系统的控制系统网络结构，从而实现终端一体化集成供能模式的多能互补系统安全、经济、高效运行和调度。本发明的多能互补控制系统特别适用于新城镇、产业园区、大型公用设施(机场、车站、医院、学校等)、集中式居民小区、商务区和海岛地区等用能集中区域供能系统，同时还可与外部电力系统进行电力交换。
在本发明的第一方面，提供了一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统，具体地，该多能互补控制系统包括电力系统一级调度系统和内部多能互补二级调度系统；所述内部多能互补二级调度系统包括多能流能量管理系统、燃气轮发电控制系统、分布式光伏控制系统、分布式风机控制系统、地源热泵控制系统、制冷机组控制系统、储电系统控制系统、储冷系统控制系统和需求侧负荷预测管理系统；所述内部多能互补二级调度系统通过所述电力系统一级调度系统与外部电力系统进行电能交换；所述电力系统一级调度系统根据所述外部电力系统和所述内部多能互补二级调度系统的供能用能平衡情况对所述内部多能互补二级调度系统整体进行综合调度管理；在所述内部多能互补二级调度系统中，所述多能流能量管理系统通过匹配供能侧和需求侧信息，优化调度管理各供能系统，实现所述内部多能互补二级调度系统内部电、热、冷等多种能源形式的有效平衡；所述需求侧负荷预测管理系统对所述多能互补控制系统内部的用户侧进行负荷预测和实时监测用能状况。
在另一优选例中，所述多能互补控制系统形成一微能源网系统。
在另一优选例中，所述制冷机组为溴化制冷机组。
在另一优选例中，所述内部多能互补二级调度系统还包括其他辅助的监视、管理信息系统等。
在另一优选例中，所述多能互补控制系统可向所述外部电力系统供电，所述外部电力系统也可向所述多能互补控制系统供电。
在另一优选例中，所述燃气轮发电控制系统、所述分布式光伏控制系统、所述分布式风机控制系统、所述地源热泵控制系统、所述制冷机组控制系统、所述储电系统控制系统和所述储冷系统控制系统分别用于控制各自的供能工艺系统。
在另一优选例中，所述燃气轮发电控制系统、所述分布式光伏控制系统、所述分布式风机控制系统、所述地源热泵控制系统、所述制冷机组控制系统、所述储电系统控制系统和所述储冷系统控制系统均配备独立的dcs控制系统或plc控制系统。
在另一优选例中，所述燃气轮发电系统采用所述dcs控制系统。
在另一优选例中，所述分布式光伏控制系统和所述分布式风机控制系统采用dcs控制系统或plc控制系统。
在另一优选例中，所述地源热泵控制系统和所述制冷机组控制系统采用所述plc控制系统。
在另一优选例中，所述储电系统控制系统和所述储水系统控制系统自带就地控制装置。
在另一优选例中，所述燃气轮发电控制系统、所述分布式光伏控制系统、所述分布式风机控制系统、所述地源热泵控制系统、所述制冷机组控制系统、所述储电系统控制系统和所述储冷系统控制系统根据工艺系统复杂性、控制点数规模和物理布置情况进行部分合并或全部合并控制。
在另一优选例中，dcs控制系统统一控制所述燃气轮发电控制系统、所述分布式光伏控制系统、所述分布式风机控制系统、所述地源热泵控制系统、所述制冷机组控制系统、所述储电系统控制系统和所述储冷系统控制系统。
在另一优选例中，所述dcs控制系统直接控制所述燃气轮发电系统、所述分布式光伏、分布式风机、地源热泵、制冷机组、储电系统、储冷系统等作为远程控制站纳入所述dcs中集中控制。
在另一优选例中，当所述分布式光伏、分布式风机、地源热泵、溴化锂制冷机组、储电系统和储冷系统布置于所述燃气轮发电系统附近时，直接通过所述燃气轮发电系统的控制系统进行控制。
在另一优选例中，当所述分布式光伏、分布式风机、地源热泵、溴化锂制冷机组、储电系统和储冷系统距所述燃气轮发电系统较远布置时，所述燃气轮发电系统的控制系统通过远程控制站/远程控制柜的方式对所述分布式光伏、分布式风机、地源热泵、溴化锂制冷机组、储电系统和储冷系统的运行进行控制。
在另一优选例中，所述用户处设有用于监控用能状况的智能测量仪表(例如电表、水表、流量表或三表集抄等)。
在另一优选例中，所述燃气轮发电系统包括燃气-蒸汽联合循环系统和任选的燃气锅炉系统。
在另一优选例中，所述燃机联供系统的额定功率为3-20万千瓦。
在另一优选例中，各所述子系统均设有用于采集数据的远程终端设备(rtu)和馈线终端设备(ftu)。
在另一优选例中，所述远程控制设备包括远程终端设备(rtu)和馈线终端设备(ftu)。
在本发明的第二方面，提供了一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制方法，具体地，该方法包括：
a)提供如权利要求1所述的多能互补控制系统，且所述多能互补控制系统接入所述外部电力系统；
b)所述一级调度系统根据所述外部电力系统和所述内部多能互补二级调度系统的供能用能平衡情况对所述内部多能互补二级调度系统整体进行综合调度管理；
c)所述内部多能互补二级调度系统通过匹配供能侧和需求侧信息，优化调度管理所述燃气轮发电控制系统、所述分布式光伏控制系统、所述分布式风机控制系统、所述地源热泵控制系统、所述制冷机组控制系统、所述储电系统控制系统和所述储冷系统控制系统的运行和所述需求侧的用能情况，并调节所述多能互补控制系统的内部能量处于供需平衡状态。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明一个实例中的多能互补控制系统两级交互调度的示意图。
图2是本发明一个实例中的内部多能互补二级调度系统的能量利用示意图。
图3是本发明一个实例中的多能互补控制系统的网络结构图。
附图中，各标示如下：
1-燃气轮发电控制系统；
2-分布式光伏控制系统；
3-分布式风机控制系统；
4-制冷机组控制系统；
5-多能流能量管理系统；
6-电力系统；
7-用户侧。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量筛选，首次开发了一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法。由于终端一体化集成供能模式的多能互补系统在2017年刚刚由国家能源局进行公开推广实施，并且相关项目均在分步骤实施，并未有多能互补项目真正建成投产，多能互补控制系统的整体架构尚无统一定论，多能互补控制系统技术也尚未得到验证，相关研究仍将继续，因此，本发明旨在提供一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法，以为行业发展指明方向，作为示范工程，促进国家多能互补系统政策的实施。本发明的多能互补控制系统在终端集成利用天然气、太阳能、风能、地热等能源，并根据外部电网需求和周边用户用能需求合理调控终端各种能源利用情况，以实现终端一体化集成供能模式的多能互补系统安全、经济、高效运行和调度，在此基础上完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“多能互补”是指一种按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环的用能方式。
如本文所用，术语“终端一体化集成供能系统”是指终端一体化集成供能系统是面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建设一体化集成供能基础设施，通过天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。
如本文所用，术语“电力系统一级调度系统”可以简称为“一级调度系统”；术语“内部多能互补二级调度系统”可以简称为“二级调度系统”。
本发明提供了一种终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法，它是一种具有特定结构的多能互补控制系统。
典型地，本发明的多能互补控制系统包含风、光、气和冷、热(热水、热蒸汽)、电等能源品种，由三联供系统、分布式光伏、分布式风机、太阳能集热系统、地源热泵和储能装置等进行能源形式转换，实现能源互联互通、互相补偿，充分发挥区域内多能互补效果，同时，该多能互补控制系统形成的微网可与公共电网相连，利用电网补充购电或向电网售电。当然，根据多能互补系统建设区域的终端用户情况、资源情况以及各自项目特点，对系统内相关系统、设备的设置可以适当调整，负荷各自项目的实际需求。
需要说明的是，所述多能互补控制系统的对象有：燃气轮发电系统、分布式光伏、分布式风机、地源热泵、溴化锂制冷机组、储电系统、储冷系统、需求侧用能负荷等，上述供能系统和需求侧用能负荷统称为“多能互补系统”。
在该微网内，主要的一次能源输入分别为：天然气、太阳能、风能和地热能等，其中：
(1)燃机联供系统消纳天然气，产生电力及余热，余热可直接供热，也可转化供冷；
(2)分布式光伏吸收光能，既可以发电，也可以供热，其发出的电可以通过热泵转换供冷供热；
(3)分布式风机吸收风能，既可以发电，也可以通过热泵转换供冷供热；
(4)地源热泵消耗电能，供应冷、热负荷，主要起冷、热调峰作用；
(5)冷水机组消耗电能，供应冷负荷，可以承担基本负荷，也可以起冷调峰作用；
(6)储能设备(水蓄)则将短时多余的能量储存，在负荷增大时释放；
(7)储能设备(电池)则将短时多余的能量储存，在电负荷增大时释放，也可以专供充电站使用，起到削峰填谷的作用。
在终端一体化集成供能系统中，太阳能、风能等可再生资源、以天然气为燃料的冷热电三联供系统，能够充分利用各种可用和分散存在的能源，具有位置灵活、分散，适应分散电力需求和资源分布，与大电网互为备份，改善了供电可靠性，易满足负荷需求、有利于可再生能源高效和规模化利用的特点。但是，分布式电源对于大电网来说也有诸多缺点，如单机接入成本高、控制困难、系统故障退出运行、间歇性影响周边用户、能源综合优化困难等，对电网运行调度提出了挑战。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分利用分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，在终端一体化集成供能系统内部建成微网就能够提供较好的解决方案。在电网调度层面，微网整体参与大电网经济运行调度，对大电网提供有效支撑；在微网内部控制层面，通过微网与大电网的接口，与电网调度层交互信息，实现微网内各分布式电源、储能、负荷侧的优化控制，从而实现整个微网的稳定运行。
由以上分析可以看出，多能互补控制系统适合采用二级交互调度的总体控制方案，分别为电力系统一级调度和内部多能互补二级调度。其中，电力系统一级调度：多能互补控制系统作为一个整体，与其他传统电厂一样接入大电力系统，根据负荷预测值，接受电力系统调度中心统一调度，合理分配传统机组出力和多能互补控制系统出力。多能互补控制系统内部二级调度：在完成一级调度之后，二级调度的任务是将多能互补控制系统的出力合理分配给各个分布式能源站控制系统，同时，还要使得多能互补控制系统内部电、热、冷等多种能源达到供需平衡。
在多能互补控制系统内部，燃机机组、分布式光伏、分布式风机、地源热泵、冷水机组、储能设备(水蓄)、储能设备(电池)等分布式能源站根据自身的规模以及机组工艺系统特点配备独立的dcs、plc控制系统或其它控制装置。在传统能源站建设项目中，燃机机组一般采用dcs控制，分布式光伏、分布式风机可以采用dcs或plc控制，地源热泵、冷水机组一般采用plc控制，储能设备(水蓄)、储能设备(电池)自带就地控制装置。作为多能互补集成优化项目，可以对各分布式能源站统一采用dcs进行集中控制，由全厂dcs完成对燃机机组和其他分布式能源站实现集中监控、启停、运行、联锁、保护等功能。
为实现多种能源形势综合调度和管理，在上述分布式能源站的基本控制基础上，还要设置多能流能量管理系统(iems)，进行终端一体化集成供能系统内电、热、冷等多种能源形式的综合调度和管理。iems可根据冷热电等负荷需求、天气情况、电价、气价等信息，协调终端一体化集成供能系统内各分布式能源站、储能系统和负荷侧设备，对多能互补控制系统进行综合调度决策管理和控制，保证多能互补控制系统安全、稳定、经济运行，提高多能互补控制系统的能源质量和能源供需平衡。
在所有其他厂站、分布式光伏、变电站、储能等处布置rtu、ftu等装置，以采集电压、电流、有功、无功等数据；在用户处安装智能测量仪表(例如电表、水表、流量表或三表集抄等)，实时监控用户侧用电、用热、用冷等负荷数据。上述采集到的数据可以通过燃机dcs系统转送至iems，也可以直接送至iems，最终在iems系统中实现多能互补内部供需侧能源综合管理和调度。
本发明的主要优点包括：
(a)填补本领域空白，形成标准化方案；
(b)通过二级调度的方式，可以将终端一体化集成供能系统的多能互补系统打包成一个整体进行调度管理，提高对外部大电力系统的供电质量和供电可靠性，减少光伏、风机等间歇性发电方式带来的冲击和不利影响；
(c)通过对多能互补系统进行一级综合调度决策管理和控制，来保证多能互补系统安全、稳定、经济的运行，提高多能互补系统的能源质量和能源供需平衡；
(d)通过多能互补系统内部二级调度多能流能量管理，可以充分利用分布式能源站之间的互补特性，为整个能源的综合管理和调度带来便利性，提升了能源综合利用效率；
(e)综合利用各种能源，能源供应有保障。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例
本实施例的终端一体化集成供能模式的多能互补控制系统和方法如图1-3所示。该多能互补控制系统接入外部电力系统以及周边用户，且其包括电力系统一级调度系统和内部多能互补二级调度系统。多能互补控制系统根据外部电力系统6的电负荷需求和用户侧7的能量需求(包括电负荷需求和冷热负荷需求)调控多能互补系统的输电量和冷热负荷。一些传统的电厂(例如：火电厂、核电厂、火电厂等)接入外部电力系统6，其对电网的输配电情况起主要调节作用。
内部多能互补二级调度系统包括多能流能量管理系统5、燃气轮发电控制系统1、分布式光伏控制系统2、分布式风机控制系统3、地源热泵控制系统、制冷机组控制系统4、储电系统控制系统、储冷系统控制系统和需求侧负荷预测管理系统。内部多能互补二级调度系统通过电力系统一级调度系统与外部电力系统6进行电能交换。电力系统一级调度系统根据外部电力系统和内部多能互补二级调度系统的供能用能平衡情况对内部多能互补二级调度系统整体进行综合调度管理。多能流能量管理系统5通过匹配供能侧(燃气轮发电系统、分布式光伏、分布式风机、地源热泵、制冷机组、储电系统、储冷系统等)和需求侧7信息，优化调度管理各供能系统，实现内部多能互补二级调度系统内部电、热、冷等多种能源形式的有效平衡。需求侧负荷预测管理系统对多能互补控制系统内部的用户侧进行负荷预测和实时监测用能状况。
该多能互补控制系统内部就形成了微网系统。微网整体参与大电网经济运行调度，对大电网提供有效支撑；在微网内部控制层面，通过微网与大电网的接口，与电网调度层交互信息，实现微网内各分布式电源、储能、负荷侧的优化控制，从而实现整个微网的稳定运行。
在该微网内，主要的一次能源输入分别为：天然气、太阳能、风能和地热能等，其中，如图2所示，燃机联供系统消纳天然气，通过发电机产生电力，通过包括余热锅炉在内的余热回收系统产生余热，余热可直接供热，也可通过吸收式制冷机或其它设备转化供冷；燃气锅炉通过燃烧天然气产生热量，可直接供热；分布式光伏吸收光能，既可以发电，也可以通过太阳能集热系统进行供热，其发出的电可以通过热泵转换供冷供热；分布式风机吸收风能，既可以发电，也可以通过热泵转换供冷供热；地源热泵消耗电能，供应冷、热负荷，主要起冷、热调峰作用；冷水机组消耗电能，供应冷负荷，可以承担基本负荷，也可以起冷调峰作用；储能设备(水蓄)则将短时多余的能量储存，在负荷增大时释放；储能设备(电池)则将短时多余的能量储存，在电负荷增大时释放，也可以专供充电站使用，起到削峰填谷的作用。在该微网中还可设置pcc电交换，作为多个部分电能连接的公共连接点。
燃气轮发电控制系统、分布式光伏控制系统、分布式风机控制系统、地源热泵控制系统、制冷机组控制系统、储电系统控制系统和储冷系统控制系统均配备独立的dcs控制系统或plc控制系统。具体地，燃气轮发电控制系统采用dcs控制系统。分布式光伏控制系统和分布式风机控制系统采用dcs控制系统或plc控制系统。地源热泵控制系统和冷水机组控制系统采用plc控制系统。储电系统和储水系统自带就地控制装置。
多能流能量管理系统分别控制各供能系统。在另一优选例中，多能流能量管理系统直接控制燃气轮发电控制系统，燃气轮发电控制系统再控制各其他供能系统(当其他供能系统距燃气轮发电控制系统较远设置时，其他供能系统需设置远程控制设备，燃气轮发电控制系统通过各供能系统的远程控制设备控制子系统的运行)。远程控制设备用于采集数据，包括远程终端设备(rtu)和馈线终端设备(ftu)。
本实施例的多能互补控制系统可向外部电力系统供电，外部电力系统也可向多能互补控制系统供电。外部电力系统同时接入其他传统电厂(例如：火电厂、核电厂以及水电厂等等)。
用户侧设有用于监控用能状况的智能测量仪表(例如电表、水表、流量表或三表集抄等)。
燃气轮发电控制系统包括燃气-蒸汽联合循环系统和燃气锅炉系统。燃气-蒸汽联合循环系统的额定功率为3-20万千瓦，例如，5万千瓦、10万千瓦等。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。