CN110190629A - 一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，包括：用于提供能源供电的发电单元、用于储蓄能源的储能单元和用于海上孤岛消耗能源的负荷单元；其中，所述发电单元包括氢燃料电池，所述储能单元包括电解制氢系统压缩氢气模块，所述负荷单元包括电解制氢系统成套装置和储氢系统用电模块；所述发电单元还包括光伏发电系统、波浪能发电机组、风力发电机组和潮汐发电机组；所述光伏发电系统配置分布在岛上建筑屋顶及岛上开阔的地域,所述波浪能发电装置装设在岛周围海域,所述风力发电机组布置在近海滩涂、岛上高海拔山顶，以及所述潮汐发电机组设置在海边高海拔山谷处；所述负荷单元还包括外网负载。

Description

一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统及其控制方法。

背景技术

海上孤岛的特点是：一方面与外部电网联系较弱，外部电力不稳或难以经常持续供应，淡水和能源供应不足；另一方面拥有较丰富的海水和清洁能源资源，如潮汐能、太阳能、风能等。由于海上孤岛的特殊性，而现有技术中没有任何一套系统针对海上孤岛这种特殊性调用海上孤岛的资源，导致海上孤岛自身资源缺乏开发，而孤岛却面临能源供应不足的问题。

基于此，目前亟需一种孤岛综合能源系统针对海上孤岛的特征，利用其自身的能源资源，解决其自身的能源供应问题。

发明内容

本发明提供了一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，通过以氢燃料电池为核心，还包括光伏发电系统、波浪能发电机组、风力发电机组和潮汐发电机组进行发电，以解决海上孤岛自身资源缺乏开发，而孤岛却面临能源供应不足的问题，从而实现孤岛环境下的氢能、风能、潮汐能、波浪能、太阳能综合利用，并且能够兼顾孤岛上的淡水、氢气能源等的供应，利用其自身的能源资源，解决其自身的能源供应问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，包括：

用于提供能源供电的发电单元、用于储蓄能源的储能单元和用于海上孤岛消耗能源的负荷单元；

其中，所述发电单元包括氢燃料电池，所述储能单元包括电解制氢系统压缩氢气模块，所述负荷单元包括电解制氢系统成套装置和储氢系统用电模块；

所述发电单元还包括光伏发电系统、波浪能发电机组、风力发电机组和潮汐发电机组；所述光伏发电系统配置分布在岛上建筑屋顶及岛上开阔的地域,所述波浪能发电装置装设在岛周围海域,所述风力发电机组布置在近海滩涂、岛上高海拔山顶，以及所述潮汐发电机组设置在海边高海拔山谷处；所述负荷单元还包括外网负载；

所述发电单元为所述负荷单元提供能源供电，所述负荷单元中的电解制氢系统成套装置分解海上孤岛的水资源得到大量氢气，并储存在所述电解制氢系统压缩氢气模块中，储存的氢气通过所述氢燃料电池供给孤岛上交通工具使用，并同时不断地给孤岛上电网供电，通过氢燃料电池产生的淡水经过水处理后供应给孤岛上用水。

作为优选方案，所述发电单元还包括CAES发电机，所述储能单元还包括CAES系统，所述负荷单元还包括CAES系统用电模块，所述CAES系统在所述CAES系统用电模块提供能源供电的情况下，进行大量的空气压缩储能工作，在有需要时，CAES发电机通过释放CAES系统中的空气储能提供能源供电。

作为优选方案，所述负荷单元还包括综合能量管理系统，所述综合能量管理系统根据设定逻辑对综合能源系统的水、电、气信息进行管理，并实时运行策略将由能量管理系统通过匹配性测算给出，在控制室实时监控，实现系统各个设备的智能控制和优化运行。

作为优选方案，所述储能单元还包括锂电池组，所述综合能量管理系统将多余的能量资源分配出给所述锂电池组，并通过所述锂电池组进行能源储存。

作为优选方案，所述外网负载包括各类工业负载、各类农业负载和各类生活负载。

一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，包括：

接通外部电网投入光伏发电系统，光伏发出的电能供给锂电池浮充电，通过锂电池模块快速响应综合能源系统中的负荷变化；

光伏发出的电能和锂电池储能共同供给电解海水制氢系统，电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩以后储存在氢气储罐中；

判断氢气储罐中压力到达设定值时，氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电；

投入压缩空气系统，通过空压机压缩的空气储存在空气储罐中；判断空气储罐压力到达设定值后，退出压缩空气系统；

根据气候和天气条件判断投入波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组，接通外部负荷。

作为优选方案，在所述接通外部电网投入光伏发电系统之后，还包括：投入能量管理系统，由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元。

作为优选方案，还包括，当判断需要执行黑启动时，执行如下逻辑操作：

接通交直流母线投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能；

控制氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电；

控制空气储罐中储存的压缩空气通过膨胀机发电；

投入光伏发电系统，根据气候和天气条件投入波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组；

控制综合能源系统供电给电解海水制氢系统，电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩补充给氢气储罐；

投入压缩空气系统，为空气储罐补充压缩空气；判断空气储罐压力到达设定值后，退出压缩空气系统；

接通外部负荷。

作为优选方案，在所述接通交直流母线投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能之后，还包括：投入能量管理系统，由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元。

作为优选方案，所述由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元中的逻辑判断，包括：

当外部负荷低于发电功率状态时，执行如下逻辑操作：

a)系统运行，频率位于正常设定值；

b)外网负荷降低，微电网频率升高，到达频率高设定值；

c)投入锂电池组充电，同时根据频率值降低氢燃料电池反应速度；

d)若频率值下降，回到正常设定值，维持氢燃料电池反应速度不变，锂电池组切出充电状态，转回a步骤；

e)判断氢燃料电池反应速度已降至下限后，频率值继续升高，到达频率最高设定值，或氢气储罐压力值到高设定值；

f)投入压缩空气储能系统，压缩机将空气压缩进入空气储罐；

g)判断若频率值不再升高，则维持压缩空气储能系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回a步骤；若空气储罐压力到达高设定值，转步骤h；

h)频率值继续升高，切除潮汐发电机组；

i)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

j)频率值继续升高，切除风力发电机组；

k)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

l)频率值继续升高，切除波浪发电机组；

m)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

n)频率值继续升高，发出异常状态报警，操作压缩空气储能系统储罐放气或其它措施；

当外部负荷高于发电功率状态时，执行如下逻辑操作：

A1)系统运行，频率位于正常设定值；

B1)外网负荷升高，微电网频率降低，到达频率低设定值；

C1)投入锂电池组放电，同时根据频率值提升氢燃料电池反应速度；

D1)若频率值上升，回到正常设定值，切除锂电池组放电，维持氢燃料电池反应速度不变，转回A1步骤；

E1)判断氢燃料电池反应速度已升至下限后，频率值继续降低，到达频率最低设定值，或氢气储罐压力值到低设定值；

F1)投入CAES系统，空气储罐中的空气进入膨胀机做功带动发电机发电；

G1)若频率值不再升高，则维持CAES系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回A1步骤；若空气储罐压力到达低设定值，则转步骤H1；

H1)频率值继续降低，发出异常状态报警，切除部分外部负荷。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提出一种以氢燃料电池为核心的孤岛综合能源系统及其控制方法，该方案包含了光伏发电、氢气燃料电池、压缩空气蓄能、锂电池储能、波浪能发电、海上风电、潮汐发电、光伏发电等多种供能模式，并配置综合能量管理系统来对该电气系统进行控制，切实体现孤岛环境下的氢能、风能、潮汐能、波浪能、太阳能综合利用，并且能够兼顾孤岛上的淡水、氢气能源等的供应，达到自体启动、多能互补、清洁低碳、优化电能的多重目的。

附图说明

图1：为本发明实施例中的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统结构示意图；

图2：为本发明实施例中的电解海水制氢与氢燃料电池模块原理示意图；

图3：为本发明实施例中的CAES系统原理结构示意图；

图4：为本发明实施例中的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统总体方案示意图；

图5：为本发明实施例中的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统电气主接线方案示意图；

图6：为本发明实施例中的储能及发电设备的投切判断逻辑(外部负荷低于发电功率状态)流程图；

图7：为本发明实施例中的储能及发电设备的投切判断逻辑(外部负荷高于发电功率状态)流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1-图7，本发明优选实施例提供了一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，包括：用于提供能源供电的发电单元、用于储蓄能源的储能单元和用于海上孤岛消耗能源的负荷单元；其中，所述发电单元包括氢燃料电池，所述储能单元包括电解制氢系统压缩氢气模块，所述负荷单元包括电解制氢系统成套装置和储氢系统用电模块；所述发电单元还包括光伏发电系统、波浪能发电机组、风力发电机组和潮汐发电机组；所述光伏发电系统配置分布在岛上建筑屋顶及岛上开阔的地域,所述波浪能发电装置装设在岛周围海域,所述风力发电机组布置在近海滩涂、岛上高海拔山顶，以及所述潮汐发电机组设置在海边高海拔山谷处；所述负荷单元还包括外网负载；所述发电单元为所述负荷单元提供能源供电，所述负荷单元中的电解制氢系统成套装置分解海上孤岛的水资源得到大量氢气，并储存在所述电解制氢系统压缩氢气模块中，储存的氢气通过所述氢燃料电池供给孤岛上交通工具使用，并同时不断地给孤岛上电网供电，通过氢燃料电池产生的淡水经过水处理后供应给孤岛上用水。

在本实施例中，所述发电单元还包括CAES发电机，所述储能单元还包括CAES系统，所述负荷单元还包括CAES系统用电模块，所述CAES系统在所述CAES系统用电模块提供能源供电的情况下，进行大量的空气压缩储能工作，在有需要时，CAES发电机通过释放CAES系统中的空气储能提供能源供电。在本实施例中，所述负荷单元还包括综合能量管理系统，所述综合能量管理系统根据设定逻辑对综合能源系统的水、电、气信息进行管理，并实时运行策略将由能量管理系统通过匹配性测算给出，在控制室实时监控，实现系统各个设备的智能控制和优化运行。在本实施例中，所述储能单元还包括锂电池组，所述综合能量管理系统将多余的能量资源分配出给所述锂电池组，并通过所述锂电池组进行能源储存。在本实施例中，所述外网负载包括各类工业负载、各类农业负载和各类生活负载。

孤岛综合能源系统中，发电设备包括：

a)光伏发电系统，b)氢燃料电池，c)波浪能发电机组，d)风力发电机组，e)潮汐发电机组，f)压缩空气蓄能系统的发电机。

储能单元包括:a)锂电池组，b)电解制氢系统压缩氢气，c)CAES系统压缩空气。

负荷单元包括：a)外网负载(各类工业、农业、生活负载)，b)电解制氢成套装置，c)储氢系统用电，d)压缩空气系统用电，e)综合能量管理系统。

孤岛综合能源系统的主要原理为：充分利用孤岛上地形，合理利用岛上各种可再生能源发电:在岛上建筑屋顶及岛上开阔的地域配置分布式光伏发电系统,在岛周围海域装设波浪能发电装置,在近海滩涂、岛上高海拔山顶布置风力发电机组，潮汐发电机组则设置在海边高海拔山谷。

光伏发电、波浪能发电、风力发电、潮汐发电等可再生能源发电方式所发出的电，供给电解海水制氢系统制氢气，所制得的氢气经压缩后储存在氢气储罐中。电解制氢和储氢系统常年运行，作为微电网的基本用电负荷，也同时可以通过氢气储罐平抑可再生能源的发电不稳定、不均匀、不持续等弊端。

氢气储罐中的氢气既可以供给孤岛上氢燃料汽车等交通工具的使用，同时不断的通过氢燃料电池系统的发电供应孤岛上的电网。氢气和氧气(空气)在氢燃料电池中反应后生产了淡水，经过水处理设施后，供应孤岛上的工业、农业、生活等用水。

锂电池储能模块作为综合能源系统中的快速响应的储能模块，可以平抑用电负荷的快速波动。

CAES储能模块作为综合能源系统中的大容量储能模块，可以平抑较大规模的负荷波动，并且作为黑启动的备用能源。

综合能量管理系统可以根据设定逻辑对综合能源系统的水、电、气信息进行管理。综合能源管理系统的实时运行策略将由能量管理系统通过匹配性测算给出，并可在控制室实时监控，实现系统各个设备的智能控制和优化运行。综合能源管理系统的方案示意图如图4。

如图5中可见，综合能源系统的电气系统可分为直流和交流两部分，直流和交流系统各设备汇流于相应的直流(或交流)母线，直流、交流母线之间通过双向交-直流变换开关相连。

光伏发电系统、氢燃料电池作为直流侧的发电设备，发出直流电，一方面供给电解制氢设备用于产生氢气，另一方面给锂电池组浮充电。波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组、压缩空气蓄能(CAES)系统发电机则接于交流侧母线，发出交流电，不仅满足综合能源系统内制氢系统、储氢系统、压缩空气蓄能(CAES)系统和综合能量管理系统用电需要，同时也可带起孤岛上工业、农业及居民生活用电负载，如电动车、热水器、电风扇等。

电解制氢和储氢系统是孤岛综合能源系统的基本负荷，用以平抑可再生能源发电的波动、提供氢气、储存氢气。

氢燃料电池作为孤岛综合能源系统的主要供电机组，可以通过控制氢气和氧气的反应速度在一定范围内调整发电出力，响应外部负荷变化，同时反应产物为淡水，可作为孤岛上的主要淡水水源。

光伏发电以MPPT控制保证最大出力。波浪发电、风力发电、潮汐发电作为补充发电手段，用以使孤岛上的清洁能源资源得到最大利用。

压缩空气储能发电系统、锂电池组则用来抑制微电网电压波动、提高电能质量、调节峰荷。

所有负荷均从微电网直接获取能量。当实时光伏发电量超过用户需求时，电解制氢设备启动，过剩电力转化为氢气，由压缩机提升至高压储罐中；当发电量不满足用户需求时，氢燃料电池将利用储氢系统中的氢气实现发电；当在氢燃料电池的调节范围以外，当电源大于负荷需求时，短时富余可储存进锂电池储能系统，长期富余可通过CAES装置转换为空气压力能储存；当系统出力不足时可由CAES系统补充，必要时可切除部分非重要负荷。通过合理选择锂电池组的容量、氢气储罐和空气压力储罐的容量可保证重要负荷的数天供电。

本发明实施例提出一种控制方法，使孤岛综合能源系统可在调试完毕后完全脱离外部电网自启动和连续运行。

首次启动时(安装、调试时，默认初始时系统内所有断路器均断开、出厂时氢气储罐和空气储罐是空的、锂电池储有电能)：

a)合K13断路器，接通外部电网；

b)合K1、K0断路器，投入光伏发电系统。此后外部电网可以退出，由光伏发电提供孤岛综合能源系统的启动电源；

c)合K3，光伏发出的电能供给锂电池浮充电，通过锂电池模块快速响应综合能源系统中的负荷变化；

d)合K4、K5，光伏发出的电能和锂电池储能共同供给电解海水制氢系统。电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩以后储存在氢气储罐中；

e)氢气储罐中压力到达“压力正常”设定值时，合K2断路器，氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电；

f)合K6断路器，投入压缩空气系统。压缩空气系统通过空压机压缩的空气储存在空气储罐中；

g)空气储罐压力到达“压力正常”设定值后，切除K6，退出压缩空气系统；

h)根据气候和天气条件判断是否投入波浪发电机组(合K9)、风力发电机组(合K10)、潮汐发电机组(合K11)；

i)合K8断路器，接通外部负荷。

至此孤岛综合系统各子系统已全部启动，外部电网退出，此后孤岛综合系统可完全脱离外部电网重新自发启动和连续运行。

需要黑启动时：

当孤岛综合能源系统安装调试完毕，又因为外部因素(如恶劣天气、地质灾害等)解列以后需要重新自启动(即黑启动)时，可在锂电池已储存电能的保证下，直接通过氢气储罐中保存的氢气经氢气燃料电池发电或通过空气储罐中储存的压缩空气经膨胀机发电，进而启动光伏发电和波浪潮汐能发电。即此时孤岛综合能源系统也可在无需连接外部电网的条件下黑启动，各系统运行顺序为(默认解列时系统内所有断路器均已断开)：

a)合K0断路器，接通交直流母线；

b)合K3，投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能；

c)合K2断路器，氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电

d)合K12断路器，空气储罐中储存的压缩空气通过膨胀机发电

e)合K1断路器，投入光伏发电系统。

f)根据气候和天气条件投入波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组

g)合K4、K5，综合能源系统供电给电解海水制氢系统。电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩补充给氢气储罐；

h)合K6断路器，投入压缩空气系统。为空气储罐补充压缩空气；

i)空气储罐压力到达“压力正常”设定值后，切除K6，退出压缩空气系统；。

j)合K8断路器，接通外部负荷。

针对本实施例提出的控制方法，设计一套能量管理装置，实现孤岛综合能源系统一键启停、各子系统自动投切，并可实现能量最优利用。

首次启动，在系统首次启动时，人工合K13断路器接通外部电网后，同时人工合K7断路器，投入能量管理系统。此后各步骤均由能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切。

当能量管理系统投入后，可自动根据外部负荷容量和各发电设备发电能力自动投切本综合能源系统内各发电设备、用电负荷和储能设备。

黑启动，当系统需要黑启动时，人工操作a)、b)步骤(投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能)后，人工合K7断路器，投入能量管理系统。此后各步骤均由能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切。

当能量管理系统投入后，可自动根据外部负荷容量和各发电设备发电能力自动投切本综合能源系统内各发电设备、用电负荷和储能设备。

发电设备投切，在外部条件都满足时，发电设备投入的基本优先级依次是光伏发电系统＞波浪发电机组>风力发电机组>潮汐发电机组，切除顺序则反之。波浪发电、风力发电、潮汐发电的投切不仅取决于优先级，投切时能量管理系统还会综合当地当时的天气气候因素判断此三种发电机组是否接入综合能源系统。

储能设备投切，发电设备发出的能量一方面储存在储能设备中，一方面供给用电负荷。储能设备投入的优先级依次是：锂电池组＞CAES系统压缩空气，切除顺序则反之。电解制氢系统的压缩氢气储罐和CAES系统的压缩空气储罐上装有压力传感器，压力传感器将压力数据实时传导到能量管理系统中。

如图6所示，储能及发电设备的投切判断逻辑(外部负荷低于发电功率状态)为：

a)系统运行，频率位于设定值“正常”

b)外网负荷降低，微电网频率升高，到达频率设定值“高”

c)投入锂电池组充电，同时根据频率值降低氢燃料电池反应速度。

d)若频率值下降，回到设定值“正常”，维持氢燃料电池反应速度不变，锂电池组切出充电状态，转回a步骤

e)氢燃料电池反应速度已降至下限后，频率值继续升高，到达频率设定值“高高”。或氢气储罐压力值到设定值“高”。

f)投入压缩空气储能系统，压缩机将空气压缩进入空气储罐。

g)若频率值不再升高，则维持压缩空气储能系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回a步骤；若空气储罐压力到达设定值“高”，转步骤h。

h)频率值继续升高，切除潮汐发电机组。

i)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值。

j)频率值继续升高，切除风力发电机组。

k)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值。

l)频率值继续升高，切除波浪发电机组。

m)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值。

n)频率值继续升高，发出异常状态报警，转人工处理，操作压缩空气储能系统储罐放气或其它措施。

如图7所示，储能及发电设备的投切判断逻辑(外部负荷高于发电功率状态)为：

a)系统运行，频率位于设定值“正常”

b)外网负荷升高，微电网频率降低，到达频率设定值“低”

c)投入锂电池组放电，同时根据频率值提升氢燃料电池反应速度。

d)若频率值上升，回到设定值“正常”，切除锂电池组放电，维持氢燃料电池反应速度不变，转回a步骤

e)氢燃料电池反应速度已升至下限后，频率值继续降低，到达频率设定值“低低”。或氢气储罐压力值到设定值“低”。

f)投入CAES系统，空气储罐中的空气进入膨胀机做功带动发电机发电。

g)若频率值不再升高，则维持CAES系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回a步骤；若空气储罐压力到达设定值“低”，则转步骤h。

h)频率值继续降低，发出异常状态报警，转人工处理，切除部分外部负荷。

本发明提出一种孤岛综合能源系统及其电气设备控制方法。本发明作为一套融合“源-网-荷-储”的并网型微电网，以太阳能、波浪能、风能、潮汐能等清洁能源为主要一次能源，以“光-电-氢-电”为主要能流方向，以“电+氢+空气”为储能核心，具备“电-氢”两种供能形式，切实体现新能源利用、多能互补、清洁低碳的目标。

核心创意包括：

1)满足多种清洁能源发电系统接入、锂电池储能接入、电解制氢系统接入、氢燃料电池接入、压缩空气蓄能(CAES)接入等的集配电需求；

2)可实现除首次启动外无需外接电源、连续运行时内部电力电量平衡，并可提供岛上居民生活用电；

3)设置储能锂电池组，光伏发电和燃料电池产生的直流电能通过给锂电池组浮充后再并入交流电网，电能得到存储的同时，电能质量得到显著提高；

4)支持黑启动功能；

5)配以先进的综合能量管理控制方案，实现负荷预测、发电预测、短时功率平衡、经济调度、电能质量管理等功能；

6)以氢燃料电池为核心，通过电解海水制氢，氢燃料电池的反应产物为淡水，兼顾了向岛上提供淡水、氢气等的作用。

本方案的核心思想是令孤岛能在不借助外部能源条件下运行一套能自给自足的综合能源系统，该系统具备黑启动能力,并满足岛上用电、用水、用氢气需要。

本发明技术方案的优点在于：

1)在整个综合能源系统正常运行时，发出的电能除供给合能源系统本身的储能、用能设备外，还能供给岛上的外部负载用，如商业用电、工业农业生产用电、生活用电、电动汽车等，满足岛上居民日常生活需要。

2)电解制氢系统的压缩氢气除供给氢燃料电池发电以外，还可以供给岛上居民的氢能汽车用。满足岛上居民交通工具的多种燃料需要。

3)电解制氢系统以海岛周围海水为电解液产生氢气，氢燃料电池反应后产生淡水，可供岛上淡水水源使用。

4)微电网具备离网运行能力，以及黑启动能力；

5)微电网满足氢燃料电池、CAES系统压缩空气储能、光伏发电、潮汐能、波浪能、风能等多种能源的接入需求；

6)微电网灵活采用多种网架结构，内部电源及负荷接入点处设置母线，并预留扩展空间，同时设置一条出线与公共电网连接；

7)在离网运行模式下，微电网具备全年全天候持续运行能力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，其特征在于，包括：

用于提供能源供电的发电单元、用于储蓄能源的储能单元和用于海上孤岛消耗能源的负荷单元；

其中，所述发电单元包括氢燃料电池，所述储能单元包括电解制氢系统压缩氢气模块，所述负荷单元包括电解制氢系统成套装置和储氢系统用电模块；

所述发电单元还包括光伏发电系统、波浪能发电机组、风力发电机组和潮汐发电机组；所述光伏发电系统配置分布在岛上建筑屋顶及岛上开阔的地域,所述波浪能发电装置装设在岛周围海域,所述风力发电机组布置在近海滩涂、岛上高海拔山顶，以及所述潮汐发电机组设置在海边高海拔山谷处；所述负荷单元还包括外网负载；

所述发电单元为所述负荷单元提供能源供电，所述负荷单元中的电解制氢系统成套装置分解海上孤岛的水资源得到大量氢气，并储存在所述电解制氢系统压缩氢气模块中，储存的氢气通过所述氢燃料电池供给孤岛上交通工具使用，并同时不断地给孤岛上电网供电，通过氢燃料电池产生的淡水经过水处理后供应给孤岛上用水。

2.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，其特征在于，所述发电单元还包括CAES发电机，所述储能单元还包括CAES系统，所述负荷单元还包括CAES系统用电模块，所述CAES系统在所述CAES系统用电模块提供能源供电的情况下，进行大量的空气压缩储能工作，在有需要时，CAES发电机通过释放CAES系统中的空气储能提供能源供电。

3.如权利要求2所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，其特征在于，所述负荷单元还包括综合能量管理系统，所述综合能量管理系统根据设定逻辑对综合能源系统的水、电、气信息进行管理，并实时运行策略将由能量管理系统通过匹配性测算给出，在控制室实时监控，实现系统各个设备的智能控制和优化运行。

4.如权利要求3所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，其特征在于，所述储能单元还包括锂电池组，所述综合能量管理系统将多余的能量资源分配出给所述锂电池组，并通过所述锂电池组进行能源储存。

5.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统，其特征在于，所述外网负载包括各类工业负载、各类农业负载和各类生活负载。

6.一种基于权利要求4所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，其特征在于，包括：

接通外部电网投入光伏发电系统，光伏发出的电能供给锂电池浮充电，通过锂电池模块快速响应综合能源系统中的负荷变化；

光伏发出的电能和锂电池储能共同供给电解海水制氢系统，电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩以后储存在氢气储罐中；

判断氢气储罐中压力到达设定值时，氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电；

投入压缩空气系统，通过空压机压缩的空气储存在空气储罐中；判断空气储罐压力到达设定值后，退出压缩空气系统；

根据气候和天气条件判断投入波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组，接通外部负荷。

7.如权利要求6所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，其特征在于，在所述接通外部电网投入光伏发电系统之后，还包括：投入能量管理系统，由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元。

8.如权利要求6所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，其特征在于，还包括，当判断需要执行黑启动时，执行如下逻辑操作：

接通交直流母线投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能；

控制氢气储罐中储存的压缩氢气供给氢燃料电池发电；

控制空气储罐中储存的压缩空气通过膨胀机发电；

投入光伏发电系统，根据气候和天气条件投入波浪发电机组、风力发电机组、潮汐发电机组；

控制综合能源系统供电给电解海水制氢系统，电解海水制得的氢气通过储氢系统的氢气压缩机压缩补充给氢气储罐；

投入压缩空气系统，为空气储罐补充压缩空气；判断空气储罐压力到达设定值后，退出压缩空气系统；

接通外部负荷。

9.如权利要求8所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，其特征在于，在所述接通交直流母线投入锂电池组给综合能源系统提供启动电能之后，还包括：投入能量管理系统，由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元。

10.如权利要求7或9任一项所述的基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统的控制方法，其特征在于，所述由所述能量管理系统自动根据逻辑判断进行投切各发电单元、负荷单元和储能单元中的逻辑判断，包括：

当外部负荷低于发电功率状态时，执行如下逻辑操作：

a)系统运行，频率位于正常设定值；

b)外网负荷降低，微电网频率升高，到达频率高设定值；

c)投入锂电池组充电，同时根据频率值降低氢燃料电池反应速度；

d)若频率值下降，回到正常设定值，维持氢燃料电池反应速度不变，锂电池组切出充电状态，转回a步骤；

e)判断氢燃料电池反应速度已降至下限后，频率值继续升高，到达频率最高设定值，或氢气储罐压力值到高设定值；

f)投入压缩空气储能系统，压缩机将空气压缩进入空气储罐；

g)判断若频率值不再升高，则维持压缩空气储能系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回a步骤；若空气储罐压力到达高设定值，转步骤h；

h)频率值继续升高，切除潮汐发电机组；

i)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

j)频率值继续升高，切除风力发电机组；

k)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

l)频率值继续升高，切除波浪发电机组；

m)若频率值不再升高，则维持系统运行，直到频率值回到设定值；

n)频率值继续升高，发出异常状态报警，操作压缩空气储能系统储罐放气或其它措施；

当外部负荷高于发电功率状态时，执行如下逻辑操作：

A1)系统运行，频率位于正常设定值；

B1)外网负荷升高，微电网频率降低，到达频率低设定值；

C1)投入锂电池组放电，同时根据频率值提升氢燃料电池反应速度；

D1)若频率值上升，回到正常设定值，切除锂电池组放电，维持氢燃料电池反应速度不变，转回A1步骤；

E1)判断氢燃料电池反应速度已升至下限后，频率值继续降低，到达频率最低设定值，或氢气储罐压力值到低设定值；

F1)投入CAES系统，空气储罐中的空气进入膨胀机做功带动发电机发电；

G1)若频率值不再升高，则维持CAES系统运行，直到频率值回到设定值,切除CAES系统，转回A1步骤；若空气储罐压力到达低设定值，则转步骤H1；

H1)频率值继续降低，发出异常状态报警，切除部分外部负荷。