一种电-气耦合的终端综合能源系统的制作方法

本实用新型涉及一种电-气耦合的终端综合能源系统，属于能源互联网和综合能源系统技术领域。

背景技术：

近年来，虽然我国的智能电网建设不断取得突破性进展，但是单独依靠智能电网仍然无法很好地解决大规模可再生能源的消纳问题。此外，随着能源消耗总量的不断增长，采用传统的各能源系统单独规划、建设、运行的发展模式无法实现各能源系统之间的优势互补，影响能源综合利用效率，不利于降低能源成本。

为此，人们提出了综合能源系统(Integrated Energy System，IES)的概念。

随着燃气轮机、热电联产、电转气等技术的广泛应用，天然气在能源系统中的重要性越来越明显，天然气网络与电力网络之间的耦合也越来越紧密。

然而，目前国内外对于电-气耦合系统的研究主要集中在源端，针对电网和天然气网络在能源供应的终端如何协调配合，以实现区域内多种能源形式优势互补的研究还较少涉及。

因此，针对含电网和天然气管网的终端综合能源系统，研究其系统组成和运行方式，设计不同能源深度融合、紧密互动的系统拓扑结构，对于促进能源及设备的高效利用、提高能源系统安全性和可靠性具有重要意义。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种采用微型燃气轮机发电系统和电转气系统，使能量可以在电网和天然气网之间双向流动的电-气耦合的终端综合能源系统。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种电-气耦合的终端综合能源系统，包括微电网、天然气网和互联两个网络的微型燃气轮机发电系统及电转气系统；

所述微电网采用两级交流母线结构，包括交流母线BUS1和交流母线BUS2，

所述交流母线BUS1通过并网点PCC处的开关K0和升压变压器T接入配电网，

所述交流母线BUS2通过母线联络线及开关K1与交流母线BUS1相连；

储能系统ESS和一部分用电负载接入交流母线BUS1，

分布式电源DG和另一部分用电负载接入交流母线BUS2；

所述天然气网通过调压阀Reg接入上一级天然气网络，调压阀Reg对天然气网供气压力进行动态调节，维持管道压力在指定范围。

所述微型燃气轮机发电系统的天然气进气口与天然气网中的节点2相连，微型燃气轮机发电系统的电气接口与微电网交流母线BUS1相连；

所述电转气系统的电气接口通过变流装置与微电网交流母线BUS2相连，电转气系统的气体输出接口与天然气网的节点3相连。

上述用电负载包括直流形式的用电负载和交流形式的用电负载，其中直流形式的用电负载通过DC-AC变流器接入微电网。

上述储能系统ESS采用锂离子电池作为储能介质，通过双向DC-AC变流器接入交流母线BUS1。

上述分布式电源DG采用光伏组件作为电源，通过DC-AC变流器接入交流母线BUS2。

上述微型燃气轮机发电系统采用单轴形式的微型燃气轮机驱动发电机，发电机的电气输出依次通过AC-DC变流器和DC-AC变流器接入交流母线BUS1。

上述电转气系统包括为甲烷化催化装置提供氢气的质子交换膜电解水装置，电器接口为质子交换膜电解水装置供电，甲烷化催化装置的甲烷输出端口为气体输出接口。

进一步的，上述电转气系统中的变流装置采用AC-DC变流器；变流器的DC侧与电转气系统相连，AC侧与交流母线BUS2相连。

本实用新型的有益之处在于：

本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统，具有以下优点：

1、采用了微型燃气轮机发电系统和电转气系统将电网和天然气网互联，使能量可以在微电网和天然气网之间双向流动，使两个系统形成有效互补，有助于提高能源供应系统的整体运行效率和可靠性。

2、微型燃气轮机发电系统和储能系统接入同一母线，二者之间可以形成配合，发挥各自的性能优势，利用储能系统可以有效弥补微型燃气轮机发电系统动态性能不佳的缺点，利用微型燃气轮机发电系统可以克服储能系统容量受限的劣势。

3、电转气系统和分布式电源接入同一母线，有利于实现可再生能源发电的就地消纳，同时有助于平抑分布式电源输出的间歇性和波动性。

4、本实用新型拓扑结构简单，运行方式灵活，有利于提高能源供应的整体效率和可靠性，在区域供能领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统的结构示意图。

图2是本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统的储能系统ESS的等效电路图。

图3是本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统的分布式电源DG的等效电路图。

图4是本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统的微型燃气轮机发电系统的等效电路图。

图5是本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统的电转气系统的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

如图1所示，本实用新型的一种电-气耦合的终端综合能源系统，包括微电网、天然气网、微型燃气轮机发电系统和电转气系统。

微电网采用两级交流母线结构，包括交流母线BUS1和交流母线BUS2，交流母线BUS1通过并网点PCC处的开关K0和升压变压器T接入上一级配电网，交流母线BUS2通过母线联络线及联络线上的开关K1与交流母线BUS1相连，微电网中储能系统ESS和一部分用电负载接入交流母线BUS1，微电网中分布式电源DG和另一部分用电负载接入交流母线BUS2。

天然气网通过调压阀Reg接入上一级天然气网络，调压阀Reg负责对天然气网的供气压力进行动态调节，维持管道压力在指定范围内；微型燃气轮机发电系统的天然气进气口与天然气网中的节点2相连，微型燃气轮机发电系统的电气接口与微电网交流母线BUS1相连；电转气系统的电气接口通过变流装置与微电网交流母线BUS2相连，电转气系统的气体输出接口与天然气网的节点3相连。

微电网中的用电负载包括直流形式的用电负载和交流形式的用电负载，其中直流形式的用电负载通过DC-AC变流器接入交流母线。

如图2所示，微电网中的储能系统ESS采用锂离子电池作为储能介质，锂离子电池组的正负极端口接入双向DC-AC变流器的直流侧，双向DC-AC变流器交流侧接入交流母线BUS1，双向DC-AC变流器负责锂离子电池组的充放电控制，使能量可以在电池和微电网之间双向流动。

如图3所示，微电网中的分布式电源DG采用光伏组件作为电源，光伏组件的正负极端口接入DC-AC变流器的直流侧，DC-AC变流器的交流侧接入交流母线BUS2，DC-AC变流器负责光伏组件的输出功率控制。

如图4所示，微型燃气轮机发电系统采用单轴形式的微型燃气轮机，燃气轮机和发电机同轴，由于发电机转速较高，发电机的电气输出首先通过AC-DC变流环节将高频交流电转换为直流电，然后通过DC-AC变流器将直流电转换为工频交流电，最后输入微电网交流母线BUS1。

如图5所示，电转气系统由质子交换膜电解水装置和催化甲烷化装置组成，利用AC-DC变流器，将交流母线BUS2的电能转换为直流电，输入电转气系统，电转气系统中首先利用电解水产生氢气，然后氢气和二氧化碳混合，利用催化原理产生人造天然气，最后输入天然气网。

如图1所示，电-气耦合的终端综合能源系统中，当微电网中开关K0闭合时，微电网运行于并网模式；当开关K0断开时，微电网运行于孤岛模式。

如图1所示，当分布式电源DG发出的电能充足时，微型燃气轮机发电系统退出运行，电转气系统投入运行。若微电网运行于并网模式，当开关K1断开时，分布式电源DG输出电能供应交流母线BUS2上的用电负载，多余电能利用电转气系统转换为天然气，交流母线BUS1上的用电负载由配电网供应，储能系统ESS工作于待机状态；若微电网运行于并网模式，当开关K1闭合时，分布式电源DG输出电能供应交流母线BUS1和交流母线BUS2上的用电负载，多余电能可以利用电转气系统转换为天然气，也可以通过升压变压器T直接送入配电网，储能系统ESS工作于待机状态；若微电网运行于孤岛模式，当开关K1闭合时，分布式电源DG输出电能供应交流母线BUS1和交流母线BUS2上的用电负载，多余电能利用电转气系统转换为天然气，储能系统ESS工作于运行状态，对微电网功率波动进行平抑。

如图1所示，当分布式电源DG发出的电能不足时，微型燃气轮机发电系统投入运行，电转气系统退出运行。若微电网运行于并网模式，当开关K1闭合时，分布式电源DG输出电能供应微电网部分用电负载，不足电能由微型燃气轮机发电系统和配电网供应，储能系统ESS工作于待机状态；若微电网运行于孤岛模式，当开关K1闭合时，分布式电源DG输出电能供应微电网部分用电负载，不足电能由微型燃气轮机发电系统供应，储能系统ESS工作于运行状态，配合微型燃气轮机发电系统维持微电网运行稳定。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。