一种近零排放的多能互补联合发电系统及控制方法

1.本发明涉及电力行业技术领域，具体涉及一种近零排放的多能互补联合发电系统及控制方法。


背景技术：

2.能源危机是当今世界各国最关心的焦点之一，从工业革命开始，人类工业化所需的能量就是由煤、石油等传统化石能源提供的，但是这种资源不仅有限，而且产生的排放物严重破坏了人们的生态环境。能源的短缺以及环境的恶化促使人类开发可再生清洁能源，这其中太阳能、风能具有非常大的发展潜力，这两种能源都取之不尽、用之不竭，而且洁净安全。通过对太阳能及风能多年的积极开发，截止2020年，我国的光伏发电累计装机容量达到了253gw，风力发电累计装机容量达到了281gw，光伏及风力发电都得到了长足的发展，但发电波动较大、过负荷能力较差等缺点制约了其进一步发展的空间。
3.在寻找并开发可再生清洁能源的同时，对现有发电技术进行节能减排改造也能有效助力实现“双碳”目标，在各种发电技术中，燃气-蒸汽联合循环发电由于具有高效低耗、启动快、建设周期短等优点而得到了大力发展，燃气-蒸汽联合循环机组除了能够提供电力外，还能提供大量优质的低温冷能或热能。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种近零排放的多能互补联合发电系统及控制方法。
5.本发明结合现有风力发电、光伏发电以及燃气-蒸汽联合循环的工作原理及各个组件设置，通过引入燃气-蒸汽联合循环来平衡风力及光伏发电的波动，对两种发电形式进行有机结合并设置相应的工作和控制逻辑，能够有效解决风力发电及光伏发电并网波动性较大的问题，并且本系统在保证整体电能平稳输出的同时实现了近零排放。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种近零排放的多能互补联合发电系统，包括可再生能源发电子系统及燃气蒸汽联合发电子系统；
8.所述可再生能源发电子系统包括储能装置、光伏发电装置、风力发电装置及电网；
9.具体连接方式如下：
10.所述光伏发电装置的电力输出端分别与储能装置及电网连接，所述风力发电装置的电力输出端分别与电网和储能装置连接，所述储能装置的输出端与电网连接；
11.所述燃气蒸汽联合发电子系统包括lng储存装置、co2储存装置、第一换热器、空分制氧装置、燃烧器、燃气轮机、发电机、蒸汽轮机、第一空气冷却器、水泵、第二换热器、第二空气冷却器、第一气液分离器、压缩机及第二气液分离器；
12.具体连接方式如下：
13.第一换热器的物流输入端分别与lng储存装置及压缩机的物流输出端连接，其物
流输出端分别与燃烧器及第二气液分离器的输入端连接，所述lng储存装置的物流输入端与储能装置连接，所述燃烧器的输入端还与空分制氧装置连接，其输出端与燃气轮机的输入端连接，所述燃气轮机的输出端分别与压缩机的输入端、第二换热器的输入端及发电机的输入端连接；所述第二换热器的输入端还与水泵连接，所述第二换热器的输出端分别与第二空气冷却器的输入端及蒸汽轮机的输入端连接，所述第二空气冷却器、第一气液分离器及压缩机依次连接，所述第一气液分离器的输出端与室外环境连接；
14.第二气液分离器的物流输出端分别与co2储存装置及室外环境相连接；
15.所述发电机的输出端分别与储能装置、电网及空分制氧装置的输入端连接，所述发电机的输入端分别与蒸汽轮机及燃气轮机的输出端连接，所述蒸汽轮机的输出端还依次与第一空气冷却器及水泵连接。
16.进一步，电网的电能由光伏发电装置、风力发电装置、发电机及储能装置中的一项或任意数量组合提供。
17.进一步，光伏发电装置和风力发电装置的组合最大发电功率为电网的额定需求功率。
18.进一步，该系统还向外界提供冷能及热能，通过接入换热介质与第一换热器连接，置换热能；通过接入换热介质与第一空气冷却器或第二空气冷却器连接置换低温余热。
19.一种多能互补联合发电系统的控制方法，包括：
20.当光伏发电装置和风力发电装置的发电功率大于电网的额定需求功率时，则以光伏发电装置和风能发电装置输出的电能输送至电网，此时发电机向电网补充输送剩余所需电能，发电机额外产生的电能输送至储能装置；
21.当光伏发电装置和风力发电装置的发电功率小于电网的额定需求功率时，由储能装置补充向电网供电使得电网的输入功保持稳定，同时向lng储存装置发送信号启动燃气蒸汽联合发电子系统；
22.所述燃气蒸汽联合发电子系统收到启动命令后，其产生的电能优先输出至电网，此时光伏发电装置和风力发电装置补充输送电能，则储能装置逐渐减少向电网供电，直至停止；
23.当输入电网的功率达到额定输入功率时，则发电机额外的电能输送至储能装置进行储存。
24.进一步，还包括当光伏发电装置、风力发电装置及燃气蒸汽联合发电子系统的发电功率之和大于电网的额定需求功率且储能装置储存较多电能，则由储能装置向lng储存装置发送信号减少lng的供应，降低燃气蒸汽联合发电子系统的额定净输出功率，并保证电网的输入功率保持稳定使储能装置中储存的电能处于适中状态。
25.更进一步，较多是指储能装置总容量的85％以上，适中为介于总容量的15％-85％。
26.进一步，燃气蒸汽联合发电子系统的发电功率调节由储能装置中储存电量决定，具体为：
27.当储能装置的储能大于高位值，则降低lng的输出，即降低功率；
28.当储能装置的储能低于所设置的低位值，则增加lng的输出，即提高功率。
29.进一步，由于收发信号具有延迟性，储能装置所设置高位值需满足在延迟时间内
当光伏发电装置和风力发电装置都以最大功率运行时，且储能装置中储存的电能未达其最大储存容量；储能装置所设置低位值需满足在延迟时间内当光伏发电装置和风力发电装置发电功率都为0时，储能装置中储存的电能未被耗尽。
30.进一步，当光伏发电装置、风力发电装置及燃气蒸汽联合发电子系统的总输出功率大于电网的需求功率时，光伏发电装置和风力发电装置的发电功率之和与燃气蒸汽联合发电子系统的发电功率两者中较大的一方优先向电网输送电能，发电功率较小一方补充电网所需电能，多余电能输送至储能装置；
31.当光伏发电装置、风力发电装置以及燃气蒸汽联合发电子系统的总输出功率小于满足电网的需求功率时，则由储能装置补充输送电网所需的电能。
32.进一步，系统输出功率可变范围为0至2倍电网的额定需求功率。
33.本发明的有益效果：
34.(1)当光伏发电装置及风力发电装置由于外界条件变化造成输出发电功率产生波动时，短时间内先由储能装置向电网补充输送电能，之后再利用燃气蒸汽联合发电子系统向电网及储能装置补充输送电能，使得在整个过程中光伏发电装置和风力发电装置本身发电产生的波动并未影响到电网输入端的稳定性。
35.(2)整个系统对于光伏发电装置和风力发电装置发电功率的波动具有很大的宽容性，能覆盖其全功率运行或0功率输出的全工况条件，在短期波动时间内利用储能装置进行平衡调节，在波动变化向增或减趋势持续的时间较长时则利用燃气蒸汽联合发电子系统进行平衡调节；
36.(3)在短时间内电网需求端的功率发生变化时，通过调整储能装置的充放电可以快速调节电网的输入功率以平衡供需；
37.(4)燃气轮机出口处的烟气主要成分为co2和水蒸气，其中的水蒸气较易进行液化分离，之后高纯度co2也可以通过加压冷能进行回收，整个系统以较为简易的流程实现了近零碳排放；
38.(5)压缩机只需将高纯度co2压缩至0.52mpa即可实现将其液化回收，无需将烟气全部进行压缩也无需较高的出口压力，因此功耗得以大幅降低；
39.(6)本发明合理利用了lng冷能，利用其将压缩后的高纯度co2冷却为液态，lng释放完冷能升温气化为天然气后则通入燃烧器燃烧，进一步释放热能。
附图说明
40.图1是本发明的系统结构连接图；
41.图2是本发明联合发电系统状态转换图。
具体实施方式
42.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
43.实施例
44.如图1所示，一种近零碳排放的多能互补联合发电系统，包括可再生能源发电子系统a及燃气蒸汽联合发电子系统b。
45.所述可再生能源发电子系统包括储能装置a1、光伏发电装置a2、风力发电装置a3及电网a4；
46.所述燃气蒸汽联合发电子系统b包括lng储存装置b1、co2储存装置b2、第一换热器b3、空分制氧装置b4、燃烧器b5、燃气轮机b6、发电机b7、蒸汽轮机b8、第一空气冷却器b9、水泵b10、第二换热器b11、第二空气冷却器b12、第一气液分离器b13、压缩机b14及第二气液分离器b15。
47.其具体连接方式如下：
48.所述光伏发电装置a2的电力输出端分别与电网a4及储能装置a1相连接，可将电能输送至电网a4或储能装置a1，也可同时向电网及储能装置a1输送电能。
49.所述风力发电装置a3的电力输出端分别与电网a4及储能装置a1相连接，可将电能输送至电网a4或储能装置a1，也可同时向电网a4及储能装置a1输送电能。
50.所述储能装置a1除了接收光伏发电装置、风力发电装置及发电机b7所产生的电能外，同时也向电网输出自身所存储的电能。
51.由此可知，所述电网的电能来源有光伏发电装置a2、风力发电装置a3、发电机b7以及储能装置a1，电网a4的额定需求功率由光伏发电装置a2、风力发电装置a3、发电机b7以及储能装置a1四者中某一项或任意数量项的组合来提供。
52.所述第一换热器b3的物流输入端分别与lng储存装置b1及压缩机b14的物流输出端相连，所述第一换热器b3的物流输出端分别与燃烧器b5及第二气液分离器b15的输入端相连，lng储存装置b1输出的lng与压缩机b14输出的加压co2气流在第一换热器b3中进行换热，co2被冷却液化而lng则升温气化为天然气。
53.所述燃烧器b5的物流输入端分别与第一换热器b3及空分制氧装置b4的输出端相连，第一换热器b3输出的天然气与空分制氧装置b4输出的氧气在燃烧器b5中混合燃烧，产生高温高压烟气并输送至燃气轮机b6中做功，带动发电机b7发电及向压缩机b14提供机械能。
54.所述第二换热器b11的物流输入端分别与燃气轮机b6及水泵b10的物流输出端连接，所述第二换热器b11的物流输出端分别与第二空气冷却器b12及蒸汽轮机b8的物流输入端相连，燃气轮机b6输出的烟气与水泵b10输出的循环水在第二换热器b11中进行换热，烟气温度在换热后大幅降低，之后通入第二空气冷却器b12被进一步冷却，其中的水蒸气全部液化，并在第一气液分离器b13中被分离出系统；而水泵b10输出循环水在换热后变为高温高压水蒸气并通入蒸汽轮机b8，带动蒸汽轮机b8发电。
55.所述第一空气冷却器b9的物流输入端与蒸汽轮机b8的物流输出端相连，所述第一空气冷却器b9的物流输出端与水泵b10的物流输入端相连，蒸汽轮机b8输出的高温低压水蒸气在第一空气冷却器b9中被冷却液化，之后被输送至水泵b10中进行加压；
56.所述第二气液分离器b15的物流输入端与第一换热器b3的物流输出端相连，所述第二气液分离器b15的物流输入端分别与co2储存装置b2及室外环境相连，第一换热器b3输出的液态co2在第二气液分离器b15中被分离并储存至co2储存装置b2中，夹杂在co2气流中的少量稀有气体依旧保持为气态，从第二气液分离器b15中被分离出系统。
57.所述发电机b7的电力来源为燃气轮机b6和蒸汽轮机b8，所述发电机b7的电能输送目标为空分制氧装置b4、储能装置a1及电网a4。
58.进一步，光伏发电装置a2和风力发电装置a3在实际状况下的联合最大发电功率即为电网a4的额定需求功率。
59.进一步，由燃气轮机b6及蒸汽轮机b8带动发电机b7所产生的电能在扣除空分制氧装置b4等系统电能损耗后即为燃气蒸汽联合发电子系统b的净输出功率，燃气蒸汽联合发电子系统b的额定净输出功率即为电网a4的额定需求功率。
60.并且当短期内电网的需求功率发生变化时，可调整系统各部件的控制逻辑以满足需求，系统的总输出功率可变范围在0-2倍电网的额定需求功率。
61.进一步，该系统还可以向外界提供冷能及热能，通过接入换热介质至第一换热器b3即可置换出一定量的冷能，通过接入换热介质至第一空气冷却器b9或第二空气冷却器b12即可置换出一定量的低温余热。
62.本系统以风光发电及燃气蒸汽联合循环为依托，构建了一套近零碳排放的多能互补联合发电系统，在平衡了风力及光伏的发电波动同时实现了系统近零碳排放，同时还可向系统外提供低温余热及冷能。
63.实施例2
64.一种近零排放的多能互补联合发电系统的控制方法，包括
65.在可再生能源发电子系统a中，由于光照或风力等外部条件产生变化，光伏发电装置a2和风力发电装置a3的输出功率会产生波动，此时储能装置a1通过储存过剩电能或补充向电网a4输送电力的方式保证整体供电的稳定性，当储能装置a1中储存的电能升到高位设定值或降到低位设定值时，则向lng储存装置b1发送信号。
66.在燃气蒸汽联合发电子系统b中，lng储存装置b1接收来自储能装置a1的信号，增加或减少lng的输出量，lng输出量的增加或减少使得燃烧器b5出口处高温高压烟气(由co2、水蒸气及少量杂质稀有气体组成)的流量同样增加或减少，燃气轮机b6的输出功率因此升高或降低，燃气轮机b6出口烟气余热的增减同样影响到了蒸汽轮机b8的输出功率，发电机b7输出的电能优先提供给空分制氧装置b4，然后再向电网a4或储能装置a1供电，燃气轮机b6出口的烟气在经过冷却-液态水分离-加压-冷却-液态co2分离后实现了对燃烧产生的co2的全回收，实现了系统近零碳排放。
67.整个控制过程包括五个不同的环节，分别包括了可再生能源发电、燃气蒸汽联合循环发电、电网调控、余热利用以及co2回收。
68.具体如下：
69.可再生能源发电：光伏发电装置a2和风力发电装置a3的输出电能可通向电网a4或储能装置a1，其功率输出波动全部由储能装置a1来调节平衡，利用储能装置a1储能或向电网a4放能的方式达到削峰填谷的目的，使电网a4输入电功率保持稳定。
70.燃气蒸汽联合循环发电：由储能装置a1向lng储存装置b1发送信号来调整lng的输出量，lng在经过第一换热器b3后被气化升温，之后通入燃烧器b5与空分制氧装置b4产生的氧气混和并燃烧，燃烧产生的高温高压烟气通入燃气轮机b6中膨胀做功，带动压缩机b14和发电机b7工作，烟气随后通过第二换热器b11为蒸汽循环提供热能，在蒸汽循环中经过水泵b10加压的循环水在通入第二换热器b11后升温气化为高温高压水蒸气，随后通入蒸汽轮机b8膨胀做功，带动发电机b7发电，随后水蒸气在第一空气冷却器b9中被冷却液化，再通入水泵b10进行加压从而完成一个循环，发电机b7的输出电功率在扣掉空分制氧装置b4的需求
功率后即为该联合循环发电系统的净输出功率。
71.电网调控：联合发电系统的系统状态转换如图2所示，当可再生能源发电子系统a的发电量为0且储能装置a1中的储电量低于所设置的低位值时则由燃气蒸汽联合发电子系统b来提供电网a4所需全部负荷；当可再生能源发电子系统a的发电量能满足电网a4所需全部负荷时则关闭燃气蒸汽联合发电子系统b；当可再生能源发电子系统a的发电量能满足部分电网a4所需负荷时则由燃气蒸汽联合发电子系统b补充提供电网a4剩余所需电能，利用储能装置a1对供电状态切换产生的波动、风力发电及光伏发电短期内的发电功率波动以及短期内电网需求变化的波动进行调节，以满足系统整体的供电稳定性，联合发电系统的具体运行模式如表1所示。
72.表1具体运行模式
[0073][0074]
可再生能源发电子系统a和燃气蒸汽联合发电子系统b共同发电时分为两个主导模式，当通过气象预测等手段能确定在某一段时间里光伏及风能发电的总输出功率能满足电网a4的大部分需求，即如表中所示“a》b”时，则以光伏发电和风能发电为主导，其输出的电能全部输送至电网a4，由发电机b7向电网a4补充输送剩余所需的电能，发电机b7额外产生的电能输送至储能装置a1。
[0075]
当某一段时间里光伏及风能发电的总输出功率不能满足电网a4的大部分需求时，则以发电机b7发电为主导，其输出的电能全部输送至电网a4，由光伏发电装置a2和风力发电装置a3补充输送剩余电网a4所需的电能，光伏发电装置a2和风力发电装置a3额外产生的电能则输送至储能装置a1，储能装置a1的除了保证全工况下电网a4输入电功率的稳定性之外，还能通过及时储能和放能快速匹配适应短时间内电网a4电能需求的变化，燃气蒸汽联合发电子系统b本身发电功率的高低调节由储能装置a1中的储存电量而定，当储存电量高于所设置的高位值ph时则降低燃气蒸汽联合发电子系统b的发电功率；当储存电量低于所设置的低位值p
l
时则提高燃气蒸汽联合发电子系统b的发电功率。
[0076]
进一步，其增加或减少均是指增加或减少lng使得储能后续一段时间储能不在变化，该时间段与联合系统最大发电功率对应lng流量有关。一般高位是所对应的lng流量的百分之85，低位是所对应的lng流量的百分之15。
[0077]
进一步，储能装置所设置高位值需满足在延迟时间内当光伏发电装置和风力发电装置都以最大功率运行时，且储能装置中储存的电能未达其最大储存容量；储能装置所设置低位值需满足在延迟时间内当光伏发电装置和风力发电装置发电功率都为0时，储能装置中储存的电能未被耗尽。
[0078]
当光伏发电装置、风力发电装置及燃气蒸汽联合发电子系统的总输出功率大于电网的需求功率时，则储能装置不向电网输送电能；
[0079]
并且光伏发电装置和风力发电装置的发电功率之和与燃气蒸汽联合发电子系统的发电功率两者中较大的一方优先向电网输送电能，发电功率较小一方补充电网所需电能，多余电能输送至储能装置；
[0080]
当光伏发电装置、风力发电装置以及燃气蒸汽联合发电子系统的总输出功率小于满足电网的需求功率时，则由储能装置补充输送电网所需的电能。
[0081]
余热利用：当外界有冷能需求时，通过接入换热介质至第一换热器b3进行换热，lng在将co2冷却液化后仍处于较低温度，此时接入的换热介质与lng进一步进行换热，将多余冷能提供给外界；当外界有热能需求时，通过接入换热介质至第一空气冷却器b9或第二空气冷却器b12对燃气轮机b6及蒸汽轮机b8的尾气余热进行进一步回收，即可将低温余热提供给外界。
[0082]
co2回收：燃气轮机b6出口处烟气的成分为co2、水蒸气和少量杂质稀有气体，在经过第二空气冷却器b12后烟气中的水蒸气全部冷却液化，随后在第一气液分离器b13中被分离，剩余的气体首先通过压缩机b14压缩至co2能被冷却液化的最小压力0.52mpa，随后通入第一换热器b3被冷却液化，当co2被液化时稀有气体由于沸点较低依旧处于气态，随后在第二气液分离器b15中被分离，高纯度co2得以被回收储存，系统实现近零碳排放。
[0083]
工作时，在外界光照及风速的不断变化下，可再生能源发电子系统a只有在极少数时间段内才能满足电网a4的全部电能需求，在大部分的时间里整个系统均处于由可再生能源发电子系统a和燃气蒸汽联合发电子系统b共同发电的工况中，此外空分制氧装置b4应储存有一部分氧气以备在系统启机时能够顺利运行，同时空分制氧装置b4应与lng储存装置b1产生联动，当lng储存装置b1输出的lng量产生变化时，空分制氧装置b4输出的氧气量同样应该产生变化以满足天然气在燃烧器b5中能完全燃烧同时不使氧气过量的条件。
[0084]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。