一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统的制作方法

本发明属于新能源利用领域，尤其涉及一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统。

背景技术：

中国幅员辽阔，在广大东南沿海地带，风能资源极其丰富；同时中国亦具有丰富的太阳能资源。另一方面，由于大量使用传统化石燃料所引起的污染问题已经引起政府和民众的广泛关注。随着发电成本的下降以及环保问题日益严峻，可再生能源如风能与太阳能发电正在逐步增大其在电力领域的份额。

基于此，如何以风力和太阳能发电为主建立起多能互补能源系统，替代传统化石能源电力领域如煤炭、天然气使用的体系，解决目前存在的环境污染问题，是一个亟待的事情。

技术实现要素：

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，通过光伏发电系统和风力发电系统对储能系统进行充电，通过海水淡化设备进行海水淡化，通过电解水制氢设备将水分解成氢气和氧气，并将氢气传输给燃料电池热电联供系统进行供电和供热，实现了一种以风力和太阳能发电为主建立起多能互补能源系统，替代传统化石能源电力领域如煤炭、天然气使用的体系。

本发明的技术方案：

一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，包括风光储微电网子系统、电负荷系统、制氢/氧子系统、燃料电池热电联供系统、配电系统、能量管理系统、有源滤波器apf、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；所述制氢/氧子系统连接第一开关，所述第一开关分别连接配电系统、电负荷系统、有源滤波器apf和第二开关，所述第二开关分别连接能量管理系统、第三开关、第四开关和第五开关，所述第三开关和第四开关分别连接风光储微电网子系统，所述第五开关连接燃料电池热电联供系统；

所述风光储微电网子系统包括光伏发电系统、光储逆变系统、储能系统和风力发电系统；所述光伏发电系统包括光伏组件和汇流箱；所述光储逆变系统包括光储一体机；所述储能系统包括储能锂电池及电池bms；所述风力发电系统包括风力发电机组及风机主控制器；所述光伏组件通过汇流箱连接光储逆变系统，所述光储逆变系统分别连接锂电池和第四开关，所述风力发电机组连接第三开关，所述风机主控制器连接能量管理系统。

进一步地，所述电负荷系统包括海淡控制器和海水淡化设备；所述制氢/氧子系统包括电解水制氢设备、储氢设备和储氧设备；所述能量管理系统包括控制柜；所述配电系统包括低压电气柜；所述海淡控制器连接能量管理系统，所述储氢设备和储氧设备分别气路连接电解水制氢设备，电解水制氢设备通过第一开关连接能量管理系统。

进一步地，所述燃料电池热电联供系统包括氢混合器、空气混合器、sofc燃料电池、催化燃烧室、空气供给装置、换热设备、第一旁通阀、第二旁通阀和用户端；所述氢混合器通过气路分别连接储氢设备、sofc燃料电池阳极和第一旁通阀，所述第一旁通阀通过气路分别连接sofc燃料电池阳极和催化燃烧室，sofc燃料电池阴极通过气路分别连接空气混合器和第二旁通阀，所述空气混合器通过气路分别连接空气供给装置和第二旁通阀，所述第二旁通阀通过气路连接催化燃烧室，所述催化燃烧室连接换热设备，所述换热设备分别通过热水管道和冷水管道连接用户端。

进一步地，所述光伏组件接收太阳能转化成电能依次通过汇流箱和直流母线流入光储一体机，通过光储一体机完成锂电池充放电。

进一步地，所述能量管理系统对光储逆变系统、电池bms、风机主控制器、海淡控制器、电解水制氢设备和燃料电池热电联供系统进行控制。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供了一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，通过光伏发电系统和风力发电系统对储能系统进行充放电，通过海水淡化设备进行海水淡化，通过电解水制氢设备将水分解成氢气和氧气，并将氢气传输给燃料电池热电联供系统进行供电和供热，实现了一种以风力和太阳能发电为主建立起多能互补能源系统，替代传统化石能源电力领域如煤炭、天然气使用的体系，有效的缓解了由于传统化石燃料所引起的环境污染的技术问题。

附图说明

图1是本发明结构图；

图2是燃料电池热电联供系统结构图。

图中：1风光储微电网子系统、1-1光伏发电系统、1-2光储逆变系统、1-3储能系统、1-4风力发电系统、2电负荷系统、2-1海淡控制器、2-2海水淡化设备、3制氢/氧子系统、3-1电解水制氢设备、3-2储氢设备、3-3储氧设备、4燃料电池热电联供系统、4-1氢混合器、4-2空气混合器、4-3sofc燃料电池、4-4催化燃烧室、4-5空气供给装置、4-6换热设备、4-7第一旁通阀、4-8第二旁通阀、4-9用户端、5配电系统、6能量管理系统、7有源滤波器apf、8第一开关、9第二开关、10第三开关、11第四开关、12第五开关。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一

一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，如图1所示，包括风光储微电网子系统1、电负荷系统2、制氢/氧子系统3、燃料电池热电联供系统4、配电系统5、能量管理系统6、有源滤波器apf7、第一开关8、第二开关9、第三开关10、第四开关11和第五开关12；所述制氢/氧子系统3连接第一开关8，所述第一开关8分别连接配电系统5、电负荷系统2、有源滤波器apf7和第二开关9，所述第二开关9分别连接能量管理系统6、第三开关10、第四开关11和第五开关12，所述第三开关10和第四开关11分别连接风光储微电网子系统1，所述第五开关12连接燃料电池热电联供系统4；

所述风光储微电网子系统1包括光伏发电系统1-1、光储逆变系统1-2、储能系统1-3和风力发电系统1-4；所述光伏发电系统1-1包括光伏组件和汇流箱；所述光储逆变系统1-2包括光储一体机；所述储能系统1-3包括储能锂电池及电池bms；所述风力发电系统1-4包括风力发电机组及风机主控制器；所述光伏组件通过汇流箱连接光储逆变系统1-2，所述光储逆变系统1-2分别连接锂电池和第四开关11，所述风力发电机组连接第三开关10，所述风机主控制器连接能量管理系统6。

工作原理：风光储微电网子系统、电负荷系统、制氢/氧子系统、燃料电池热电联供系统、配电系统、能量管理系统及控制柜、有源滤波器apf分别接入400v交流母线。其中，风光储微电网子系统通过交流母线为电负荷系统及制氢/氧子系统供电，并且制氢/氧子系统产物氢气可作为燃料电池热电联供系统的发电燃料，燃料电池热电联供系统所发电量可作为风光储微电网子系统所发电量不足以供给电负荷系统用电需求时的补充，其高温废气也可进行余热利用。本发明可解决离网型多能互补系统的限风限电问题，同时提供了重要的工业原料氢气、氧气，还可提供系统供热功能，提高系统的经济性能，并具备海水淡化功能。

具体地，所述电负荷系统2包括海淡控制器2-1和海水淡化设备2-2；所述制氢/氧子系统3包括电解水制氢设备3-1、储氢设备3-2和储氧设备3-3；所述能量管理系统6包括控制柜；所述配电系统5包括低压电气柜；所述海淡控制器2-1连接能量管理系统6，所述储氢设备3-2和储氧设备3-3分别气路连接电解水制氢设备3-1，电解水制氢设备3-1通过第一开关8连接能量管理系统6。

具体地，如图2所示，所述燃料电池热电联供系统4包括氢混合器4-1、空气混合器4-2、sofc燃料电池4-3、催化燃烧室4-4、空气供给装置4-5、换热设备4-6、第一旁通阀4-7、第二旁通阀4-8和用户端4-9；所述氢混合器4-1通过气路分别连接储氢设备3-2、sofc燃料电池4-3阳极和第一旁通阀4-7，所述第一旁通阀4-7通过气路分别连接sofc燃料电池4-3阳极和催化燃烧室4-4，sofc燃料电池4-3阴极通过气路分别连接空气混合器4-2和第二旁通阀4-8，所述空气混合器4-2通过气路分别连接空气供给装置4-5和第二旁通阀4-8，所述第二旁通阀4-8通过气路连接催化燃烧室4-4，所述催化燃烧室4-4连接换热设备4-6，所述换热设备4-6分别通过热水管道和冷水管道连接用户端4-9。

具体地，所述光伏组件接收太阳能转化成电能依次通过汇流箱和直流母线流入光储一体机，通过光储一体机完成锂电池充放电。

具体地，所述能量管理系统6对光储逆变系统1-2、电池bms、风机主控制器、海淡控制器、电解水制氢设备和燃料电池热电联供系统进行控制。

如图1所示，一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，包含风光储微电网子系统1、电负荷系统2、制氢/氧子系统3、燃料电池热电联供系统4、配电系统5、能量管理系统6及控制柜、有源滤波器apf7；

风光储微电网子系统1包含光伏发电系统1-1、光储逆变系统1-2、储能系统1-3、风力发电系统1-4；光伏发电系统1-1由光伏组件及其汇流箱构成；光储逆变系统1-2由光储一体机构成；储能系统1-3由储能锂电池及电池bms构成；风力发电系统1-4由风力发电机组及其控制器构成；电负荷系统2由海淡控制器2-1及海水淡化设备2-2及其他负荷构成；制氢/氧子系统3包含电解水制氢设备3-1、储氢设备3-2、储氧设备3-3；燃料电池热电联供系统4包含sofc燃料电池4-3、催化燃烧室4-4、空气供给装置4-5、换热设备4-6、气体分流装置旁通阀及气体混合装置氢混合器4-1/空气混合器4-2、用户端4-9；配电系统5由低压电气柜构成，该系统具有传输电能和分配电能的作用。

光伏组件发出的电能通过光伏汇流箱汇流后接入直流母线；储能锂电池接入直流母线；光储一体机通过直流母线可完成储能锂电池充放电；光伏组件发出电能及储能锂电池放电电能通过光储一体机进行dc/ac变换后电连接至交流母线；风力发电机组发出的电能电连接至交流母线；电负荷系统2、电解水制氢设备3-1、sofc燃料电池4-3电连接至交流母线；控制柜及有源滤波器apf7电连接至交流母线；所述交流母线电压为400v。

电解水制氢设备3-1所制备氧气经气路连接至储氧设备3-3，所制备氢气经气路连接至储氢设备3-2；储氢设备3-2经气路连接至氢混合器4-1；空气供给装置4-5气路连接至空气混合器4-2；氢混合器4-1/空气混合器4-2气路连接至sofc燃料电池4-3阳极/阴极；sofc燃料电池4-3阳极/阴极气路连接至催化燃烧室4-4；催化燃烧室4-4气路连接至换热设备4-6；用户端4-9与换热设备4-6为水管道双向连接。

控制柜通过能量管理系统6对光储逆变系统1-2、电池bms、风机主控制器、海淡控制器2-2、电解水制氢设备3-1、燃料电池热电联供系统4进行控制。

光储逆变系统1-2及储能系统1-3作为整个系统的电网支撑系统，并具有正常工作模式及能量调控、电池维护工作模式，保证全部系统的稳定运行。

如图2所示，一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统中，燃料电池热电联供系统4动作后既可给电负荷系统2供电，同时可供热；该燃料电池热电联供系统4sofc燃料电池4-3阴、阳极废气经旁通阀部分回流与来自空气供给装置4-5、自储氢设备3-2氢气经所述氢混合器4-1、空气混合器4-2混合以预热sofc燃料电池4-3进口气体；未回流部分经催化燃烧室4-4发生催化反应，产生高温废气与来自用户端4-9的冷水进行换热，达到供热目的；经换热设备4-6换热后的气体则排入环境中。

所述光伏组件和汇流箱采用天合光能股份有限公司生产的光伏组件和汇流箱，型号分别是tallmax-pe14a和tallmax-pe14a，光储一体机是四川科陆新能电气有限公司生产型号为nepcs-30(h)的光储一体机，风力发电机组采用山东华业风能设备有限公司生产的型号为h21-100kw的风力发电机组，风机主控制器采用西门子生产的型号为siemens300plc，能量管理系统6和控制柜均采用哈电发电设备国家工程研究中心有限公司生产型号为nrc-300的能量管理系统和控制柜，有源滤波器apf采用珠海派诺科技股份有限公司生产型号为pmac-apf的有源滤波器，海淡控制器2-1采用西门子生产，海水淡化设备2-2采用哈电集团生产的海水淡化设备；电解水制氢设备3-1采用苏州竞立制氢设备有限公司生产型号为dq-10/3.2的电解水制氢装置、储氢设备3-2采用哈电集团生产的储气罐，储氧设备3-3采用哈电集团生产的储气罐；低压电气柜5-1采用哈尔滨百源电控科技有限公司生产型号为ggd系列的低压电气柜；氢混合器4-1和空气混合器4-2采用南通博力冶金化石设备有限公司生产的混合器、型号分别为sv-2.3/20和sv-2.3/20，sofc燃料电池4-3采用三菱日立电力系统有限公司生产的固体氧化物燃料电池，催化燃烧室4-4采用中国科学院大连化学物理研究所生产的催化燃烧室，空气供给装置4-5采用英格索兰生产型号为sircv系列的空气供给装置，换热设备4-6采用哈电集团生产型号为jr系列的换热设备。

具体实施方式二

一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统的启动策略为：系统接收到启动命令后，判断储能系统1-3中储能锂电池soc值是否小于30％，若小于该值则系统不启动，光伏组件通过光储一体机对储能锂电池进行充电；若储能锂电池soc≥30％，光储逆变系统1-2及储能系统1-3以vf模式启动，建立系统微电网，并对微电网的电能波动进行平抑。

一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统中，当储能锂电池soc≥30％，建立起整个系统微电网。在满足建立系统微电网的前提下，系统根据储能锂电池放电状态、风力发电机组所发电量状态、光伏组件所发电量状态及电负荷系统2耗电状态决定是否启动制氢/氧子系统3：

定义t时刻储能锂电池放电功率为wbattery、风力发电机组发电功率为wwind、光伏组件发电功率为wpv、电负荷系统2耗电功率wl；

当wbattery+wwind+wpv>wl时，电负荷系统2正常工作进行海水淡化，并启动制氢/氧子系统3制氢。

当wbattery+wwind+wpv＝wl时，电负荷系统2正常工作进行海水淡化，制氢/氧子系统3不动作。

当wbattery+wwind+wpv<wl时，制氢/氧子系统3不动作且电负荷系统2限电运行进行海水淡化。

在满足建立系统微电网的前提下，一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统中，系统制氢后的某个状态m工作状态如下；

定义状态m情况下燃料电池热电联供系统4此刻满状态发电功率(满状态发电功率即为sofc燃料电池4-3完全耗尽制氢/氧子系统3储氢状态)为wfuel；

当wbattery+wwind+wpv>wl时，电负荷系统2正常工作进行海水淡化，继续启动制氢/氧子系统3制氢且燃料电池热电联供系统4不动作。

当wbattery+wwind+wpv＝wl时，电负荷系统2正常工作进行海水淡化，制氢/氧子系统3不动作且燃料电池热电联供系统4不动作。

当wbattery+wwind+wpv<wl时，制氢/氧子系统3不动作且燃料电池热电联供系统4动作：

此时，根据wl与wbattery、wwind、wpv三者之和差值(定义为δw)决定燃料电池热电联供系统4发电功率：

若δw>wfuel，电负荷系统2限电运行进行海水淡化。

若δw≤wfuel，燃料电池热电联供系统4只需满足电负荷系统2正常运行进行海水淡化需求，不一定处于所定义的满状态发电功率条件下。

本发明创造了一种新型能源供给模式，提出了一种离网型风光储多能互补电热水气联供系统，既解决了目前海岛离网型新能源多能互补集成系统存在的限风限电等问题，同时由于引进了对传统多能互补集成系统起缓冲作用的制氢系统及起补充发电作用的燃料电池热电联供系统4，使得系统稳定性大大提高，并提供了系统供热，实现了新能源的梯级利用，使得系统能源综合效率得到提升，并产生了两种重要的工业原料氢气和氧气，使得系统经济性能得以提升。

本发明的优点在于：

解决了限风限电问题：传统的离网型新能源多能互补集成系统由于处于离网状态，当风力发电机、光伏发电组件、储能电池在某一时刻的发电功率大于负荷用电时且储能系统1-3处于满荷电状态，这时不得不使整个多能互补集成系统的出力端处于闲置状态，从而保证系统的正常运行。本发明针对上述问题，提出了解决方案，既保证系统的正常运行，同时可减轻清洁新能源浪费现象。

提供了缓冲发电系统，并增加了能源梯级利用能力：传统离网型风光储新能源多能互补集成系统在风光储三种能量供给端不满足负荷用电的情况下，不得不对负荷采用限电模式。本发明中的储氢子系统及燃料电池热电联供系统4的增加，作为传统风光储微电网系统的有益补充，既增加了多能互补集成系统的供电可靠和稳定性，也使得新能源的梯级利用成为可能。

燃料电池热电联供系统4便于模块化组装和拆卸，可根据负荷情况采取多种发电状态，使得多能互补集成系统具有较大灵活性。

本发明还提供了两种重要的工业原料氢气、氧气，提升了系统的经济性能。

需要说明的是本实施例仅仅是对本发明的具体举例说明。本发明所在技术领域的普通技术人员在本发明具体实施例的基础上所做的修改及补充，在不违背本发明的宗旨及权利要求下，这样的修改及补充仍属于本发明的保护范围。