CN106230016A - 风光‑氢储能及煤化工混合动力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力领域，具体为风光‑氢储能及煤化工混合动力发电系统。风光‑氢储能及煤化工混合动力发电系统，包括风电系统、光电系统、氢储能系统、煤化工系统；风电系统和光电系统组成风光互补系统；氢储能系统，将风光互补系统发出的多余电能进行电解水，制氧、制氢，将氧气供煤化工系统使用，氢气为动力机提供能源。本发明提供的风光‑氢储能及煤化工混合动力发电系统，以氢储能技术为媒介，将风光发电和煤化工进行工艺整合，构建风光‑氢储能与煤化工多能耦合系统的基本架构，分析系统的优化工作模式，建立风光‑氢储能与煤化工多能耦合系统。

Description

风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统

技术领域

本发明属于电力领域，具体为风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统。

背景技术

新疆处于我国的西北地区，拥有丰富的风能、太阳能和煤炭资源，是我国综合能源基地，但近年来该地区“弃风弃光”严重，煤化工产业严重污染环境。寻找和开发清洁能源成为研究热点。在前期我们研究发现将风电、光伏、氢储能以及煤化工进行集成，是一种有效的解决“弃风弃光”、减少污染的途径。本课题拟研究：(1)基于哈密风能、太阳能资源禀赋，建立风光互补系统优化模型；(2)利用遗传算法法求解得到风光互补的优化设计；(3)整合风电、光伏、氢储能及煤化工资源，建立风光互补-氢气储能耦合煤基能源化工的混合动力发电、储能系统。实施风电、光伏、氢储能与煤化工的集成系统对我国能源系统具有重要的战略意义。

就风电产业而言，我国的总量目标显得较为保守。2007年国家发改委公布的《可再生能源中长期发展规划》提出，2010年我国风电装机总量要达到500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。但据统计，2007年，我国风电装机总量已达到584.8万千瓦，2010年更是远超过预期，达4473.4万千瓦。中国风能协会(CWEA)的数据显示，2013年，我国除台湾地区外累计装机容量为9141.3万千瓦，同比增长21.4％。依此增长速度，《可再生能源发展“十二五”规划》规定的到2015年风力发电装机规模1亿千瓦的目标又显保守。由此，总量目标制度不仅未能充分发挥其应有的推动和引导作用，相反在一定程度上还导致了风电爆炸性发展与“弃风”现象并存的窘境。

就风光互补发电产业而言，美国的C.Laspliden在有关风能/太阳能混合转换系统的气象问题上进行了一定的探索。同时，加拿大的Rajesh-Kakri和Roy Bilinton等人在小型风光互补发电系统的成本、可靠性以及系统扩容方面进行了研究，研究表明根据负载情况来调整发电系统，可以提高系统稳定性。西班牙RodolfoDufoL等人运用C++语言设计了一套基于遗传算法的光/风、光/柴油机等互补发电优化系统[5]。同时，澳大利亚的B.Dhsakya等人开发了一套风光互补发电系统，此系统通过压缩氢气来储存能量。希腊E.Koutroulis等人将遗传算法运用到风光互补发电系统中，以系统运行20年费用和维护费用最小作为目标函数，让发电装置的容量得到最佳的优化配置。美国的D.B.Nelson等人设计了一套计算机程序，能准确配置风光互补发电系统发电装置单机数量与容量。马来西亚的研究人员采用遗传算法程序分析和研究了系统的净成本最低化和配置最优化问题。泰国的研究人员运用TRNSYS16暂态仿真软件对风光互补发电系统的成本进行了评估。

发明内容

本发目的在于，建立一种包含风能、光能和煤化工混合机组互补的能源发电模型。利用风电和太阳能机组的快速调节特性，提高风光机组在模型中的容量比例。利用煤化工对环境的污染，提出以氢储能技术为媒介将风光和煤化工进行整合，构建风光–氢储能与煤化工多能耦合系统基本架构，将电网不能消纳的富裕风电和光电通过电解水制氢储能；储存的氢气除供给煤化工使用以简化其生产流程外，还可在需要时用于发电以抑制风电和光电对电力系统的安全稳定运行。

具体的技术方案为：

风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，包括风电系统、光电系统、氢储能系统、煤化工系统；

风电系统是指利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；

光电系统是指利用多晶硅电池板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；

风电系统和光电系统组成风光互补系统；

氢储能系统，将风光互补系统发出的多余电能进行电解水，制氧、制氢，将氧气供煤化工系统使用，氢气为动力机提供能源。

本发明提供的风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，以氢储能技术为媒介，将风光发电和煤化工进行工艺整合，构建风光-氢储能与煤化工多能耦合系统的基本架构，分析系统的优化工作模式，建立风光-氢储能与煤化工多能耦合系统。

风电系统是利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。光电系统是利用太阳电池板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。风电系统发电量较高，系统造价较低，但是可靠性较差。光电系统供电可靠性高，但成本高。风光互补发电系统功率波动相对较小，在一定程度上可提高间歇性能源对电网的渗透比率，有利于风光系统以及电网安全稳定运行其运行维护成本均比较低。

风光-氢储能与煤化工多能耦合系统以氢储能系统为媒介，从产业链上整合风光和煤化工，可就近为高耗能的煤化工产业用户供电，最大限度地利用宝贵而丰裕的清洁可再生风能源；另一方面，该系统将风电转换为氢气，既有效地钝化了随机、间歇和波动等风电特性对电网的不利影响，又为煤化工提供了基于氢储能系统的二次能源系统，最大限度地减少了煤化工生产过程中的原料煤和能源煤的消耗。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，包括风电系统、光电系统、氢储能系统、煤化工系统；风电系统是指利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；光电系统是指利用多晶硅电池板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；风电系统和光电系统组成风光互补系统；氢储能系统，将风光互补系统发出的多余电能进行电解水，制氧、制氢，将氧气供煤化工系统使用，氢气为动力机提供能源。

风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，包括风电系统、光电系统、氢储能系统、煤化工系统，混合动力发电系统比风力发电、光伏发电单独工作时更加稳定，加入煤化工系统，提高了煤炭的利用率，同时也提高了电能质量。因此，从系统的稳定性、经济性方面进行分析：

稳定性方面，混合动力发电系统采用风光互补发电，进行氢储能，通过控制器能方便地控制由于负荷的增减和风电、光电发电时不稳定对系统电能质量的影响，加入氢储能系统能更好的改善系统的稳定性。

经济性方面，将风光互补发电系统发出的多余电能进行电解水，制氧、制氢，将氧气直接供煤化工使用，提高煤炭的利用率，氢气也可以进行发电。通过对系统的建模和仿真能分析出系统的稳定性，根据数据的分析、计算结果能得知系统的经济性。

风光系统：

风电系统是利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网。风电系统的发电功率越大，系统成本低，可靠性差。

光电系统是利用多晶硅电池板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网。光电系统供电可靠，但成本高。相比风电系统，太阳能发电的优势主要表现在：太阳能资源没有枯竭危险，且资源分布广泛，受地域限制小；原料丰富；无机械转动部件，没有噪声，稳定性好；维护保养简单，维护费用低；系统为组件，可在任何地方快速安装无污染，完全干净(蓄电池除外)。

风光互补发电系统功率波动相对较小，在一定程度上可提高间歇性能源对电网的渗透比率，有利于风光系统以及电网安全稳定运行其运行维护成本均比较低。

电能分配系统：

在风光互补发电系统中，风机和太阳能发出的电能需要通过充电器才能存储到蓄电池当中，而蓄电池充电器实质上就是一个DC/DC变换器。而且风机和太阳能电池的输出电压一般需要进行必要的降压之后才能对蓄电池充电。

在正常情况下，风光互补发电系统发出的电可用于负荷，但由于风光不稳定，发电也有相应的波动。风光资源是充裕时，系统的输出能满足负载的功率需求，如果有大量的电能的过剩，电池端电压继续上升。此时可将多余的电能用来电解水，将电解产生的氧气与氢气储存起来。

利用储氢合金吸、放氢的同时分别伴随有放热、吸热过程。利用这种具有吸、放热效应的可逆反应，可以进行热能→化学能→热能的转换，实现热能的储存。这样可以替代火电厂对城市用户供热，可以大大减少火电厂对城市的污染。目前较成熟的技术采用的是太阳能MgH2氢气循环系统，该系统是用金属氢化物吸放氢循环系统与太阳能相结合，实现能量转换与储运。

氢储能系统：

在多能耦合系统中，电网不友好时变分量耗电交易风力发电或风力发电被分配给储氢能量系统用于生产氢，将电能转换成氢的能量，使能的风力发电的耦合系统通过连接风力发电系统和AC/DC转换器中的氢能量系统分配系统，风力发电系统和电网的AC/AC转换器和配电控制器组成，包括用于转换器控制配电控制器的连接自动根据格和根据风力发电系统的最优功率分配的服务的需求，系统的储氢。

由于风力、太阳能、煤炭资源，大都分布在偏远的地区，因此，此项目能够给偏远山区的农村带去光明，并能充分利用一次能源，提高煤炭利用率，减轻二次能源的压力，合理使用能源。此外，还可以将电输送到工厂及城市。

通过对风光互补的建模，在算法中引入了带整数性约束的遗传算法对模型求解，起到了很好的协调效果，并体现出了对这3种能源互补发电带来的环保价值和经济价值。

遗传算法的引进，针对电力系统无功优化的特点，进行遗传算法的改进，并且对改进遗传算法中的染色体编码算法，选择、变异、交叉等遗传算子，适应度函数的设计以及终止条件的确定等方面，对改进遗传算法的设计进行研究。

目标函数

风光互补发电系统设计与配置时需要优化的变量确定为3个，分别是风力机数量N_w、光伏组件数量N_pv、蓄电池组数量N_bat，表示为:

X＝[N_w N_pv N_bat]

风光互补发电系统优化配置的目标是成本最低。系统的成本包括系统初次安装成本和系统运行维护成本，可以表示为：

C_all＝C_ins+C_mai

式中，C_all为总成本，元；C_ins为系统安装成本，元；C_mai为系统运行成本。

系统运行维护成本C_mai主要和系统总容量有关，总容量越大，则其运行维护的成本也越高。而在负载确定的情况下，可以认为系统的总容量是大致相同的，系统运行维护的成本也基本相同。因此，在对系统进行优化配置时，可以不用考虑系统的运行维护成本，而仅需考虑系统初次安装成本。所以，系统优化设计的目标函数就是使系统的安装成本最低，可以表示为：

minC_ins＝N_wC_w+N_pC_p+N_bC_b

式中，C_w为风力机单价，元；C_pv为光伏组件单价，元；C_b为蓄电池组单价，元。对于确定的型号来说，单价为已知常数。

约束条件：

(1)设备数量约束

对于某一具体的风光互补发电工程，预先规划的建设场地面积是固定的，系统规划装机容量也会给出，因此风光互补发电系统中风机、光伏电池和蓄电池的个数都有所限制，应根据系统建设场地对系统规模进行约束，具体来说是对风机、光伏电池和蓄电池的数量进行约束。在满足风电机组行间距和列间距的前提下，规划场地中可以安装的风机台数必定存在一个上限。类似地，考虑到太阳光的遮掩、有坡度的山地、装设风机等不可以使用的地方，光伏组件的安装数量也存在一个上限。假定系统总占地面积为S，长L，宽B，则各发电单元个数约束表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}0\≤N_w\≤\[\frac{L}{8d_w}+1\]\[\frac{B}{4d_w}+1\]\\ 0\≤N_p\≤\[\frac{S}{S_p}\]{\mathrm{\α}}_p\\ 0\≤N_b\≤\[\frac{S}{S_b}\]\end{array}\right.$

式中：[x]表示取x的整数部分；N_w、N_p和N_b分别为风机、光伏电池和蓄电池的个数；d_w为风轮直径；S_p为单个光伏电池的面积；α_p为遮阴系数；S_b为单个蓄电池的面积。

相关设计部门在建设每一个风光互补发电系统之前,都会根据当地负荷用电需求规划好发电系统的总容量。对于总容量为W的风光互补发电系统，风力发电机、光伏电池以及蓄电池的数量之间就存在着一定的约束关系，如式所示。

$\left\{\begin{array}{c}{N}_w\≤W/P_{wr}\\ N_p\≤W/P_{pr}\\ N_w{P}_{wr}+N_p{P}_{pr}\≥(1-k)W\\ N_w{P}_{wr}+N_p{P}_{pr}+W_b=W\\ N_b=W_b/\left(V_b{C}_b\right)\end{array}\right.$

式中:P_wr、P_pr分别为风机和光伏电池的额定功率；k为系统允许的储能容量最大比例系数；W_b为储能容量；V_b、C_b为蓄电池单体的电压和容量。

(2)风光互补特性约束

风光互补发电系统相对于风力发电和光伏发电等单一能源发电系统，其优势体现在充分利用了风、光资源在时间和空间上的互补特性，进而能够保证发电系统的输出功率更加平稳，发电系统更利于控制，有效减少蓄电池的充放电次数，进而延长其使用寿命。因此，风光互补发电系统对风力发电系统容量和光伏发电系统容量配比有一定的要求，使其能有效合理地利用风、光资源并能充分体现两者之间的互补特性。

风光互补发电系统中风电和光伏的互补性匹配的越好，系统输出功率波动性就越小，电能质量越高，用电可靠性也相应提高。采用风电与光伏的输出功率之和相对于负荷功率的波动率D_l来表征风光互补特性，由此风光互补发电系统的互补特性约束式如下。

$D_l=\frac{1}{\stackrel{\‾}{P_l}}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(P_w\right(t_i)+P_p(t_i)-P_l(t_i\left)\right)}^2}\≤D_{l\min }$

式中，为负荷的平均功率；D_lmin为允许最小互补系数。显然，风光互补系数D_l越小越好,较小的互补系数意味着风电和光伏总出力越能满足负荷功率需求，则所需配置的蓄电池个数越少，相应的充放电次数和放电深度也会减沙，风光互补特性也就能较好的得以体现。

Claims (1)

1.风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，其特征在于：包括风电系统、光电系统、氢储能系统、煤化工系统；

风电系统是指利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；

光电系统是指利用多晶硅电池板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器并入电网；

风电系统和光电系统组成风光互补系统；

氢储能系统，将风光互补系统发出的多余电能进行电解水，制氧、制氢，将氧气供煤化工系统使用，氢气为动力机提供能源。