CN112615362A - 一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及系统。所述供电控制方法包括：检测确定当前的发电供电环境、确定第二发电供电方案、控制协调风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程以及汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。所述发电供电控制系统包括：风光发电模块、储制氢能发电模块、油能发电模块、锂电池以及智能感知控制模块；所述系统通过智能感知控制模块确定发电供电环境并确定第二发电供电方案，并根据第二发电供电方案对各个发电模块进行协调，从而实现多能耦合发电。

Description

一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及系统

技术领域

本发明涉及海上发电供电领域，涉及一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及系统。

背景技术

我国众多的岛屿和海上平台中蕴藏着不容小觑的海洋资源，要发展海洋经济，则必然要对海洋资源进行开发和利用。由于用于开发利用的现有技术手段严重依赖于电能，因此，清洁低碳、安全高效的电力供应成为了海洋经济发展必不可少的重要基础和必要保障。但是，就目前而言，海岛电源供应依然面临成本高、可靠性低和燃料供应困难等问题。

在现有技术中，常常对离岸距离近的海岛采用敷设海底电缆接入市电的供电方式。此方式需要开发海底隧道将电缆埋入海底用于电力传输，然而，海底敷设电缆供电的方式施工难度大，且海缆敷设后对海域航道管控提出了更高的要求。因此，敷设海底电缆接入市电的供电方式不仅建设成本高，后期海域管理费用也同样高。

除此之外，清洁能源供电、柴油发电机供电以及以光伏、风电为主配套电化学储能的供电方案等也在海上供电领域逐渐普及。但是，这些现有技术都具有客观存在的、无法消除的劣势。例如，光伏、风电、潮汐等清洁能源供电虽然可以在保证清洁低碳的前提下为海岛供电，但此类清洁能源发电易受自然因素的影响，间歇波动性较大，无法实现可靠稳定的电源供应；柴油发电机虽然供电稳定性好，但存在发电效率低、排放污染大、噪声大，用能方式单一、燃料补给困难等缺点；而光伏与风电发电的方式虽然可以为海岛提供清洁电源，但其间歇性和波动性固有特性无法满足海岛稳定供电的需求，更无法根据海岛用电负荷进行调节，由于供需两端的随机性都较高，孤岛电网电压和频率都稳定，电能质量低，以光伏、风电为主配套电化学储能的供电方案虽然在一定程度上缓解了波动问题，但电化学储能比能量较低，且在需要大容量、长时间储能的情况下不经济。

综上可知，海上发电供电领域的现有技术具有施工难度大、建设成本高、不可靠稳定、发电效率低、排放污染大、噪声大、用能方式单一、燃料补给困难、电能质量低、电化学储能比能量较低以及不经济的缺陷。因此，当前迫切地需求一种清洁低碳、安全稳定且高效低廉的发电供电方法，以解决海上供电领域普遍存在的上述问题。

发明内容

针对现存的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法和发电供电控制系统，以解决发电质量和效率低、发电能力不稳定的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，该方法包括：检测并确定当前的发电供电环境；根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案；根据所述第二发电供电方案发出控制指令，对风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程进行控制协调；汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一发电供电方案为：判断利用风能和光能发电所产生的电能是否满足供电需求；若是，则优先使用或存储风能和光能发电所产生的电能进行供电，并利用供电外的富余电能进行电解海水制备并储存氢能；若否，则判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；若不满足，利用柴油重整制氢以辅助制氢并储存氢能，并重新判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；若满足，利用所述储存的氢能进行发电并供电。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述检测并确定当前的发电供电环境，具体为：检测当前的第一温度值和第一海拔高度值；通过比较所述第一温度值与预设的温度最高阈值和温度最低阈值，确定所述发电供电环境中的温度环境类型；其中，所述温度环境类型包括极寒环境、常温环境和高温环境；通过比较所述第一海拔高度值与预设海拔高度值，确定所述发电供电环境中的海拔环境类型；其中，所述海拔环境类型包括高海拔环境和低海拔环境。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，以确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案，具体为：优先根据所述发电供电环境中的温度环境类型，优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为极寒环境，则采用加热预热策略优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为高温环境，则采取降容输出控制策略优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为常温环境，不优化所述第一发电供电方案；在根据所述温度环境类型进行第一发电供电方案的优化后，还根据所述发电供电环境中的海拔环境类型，优化所述第一发电供电方案，获得所述第二发电供电方案；若所述发电供电环境中的海拔环境类型为高海拔环境，则采取降容输出控制策略进行优化，获得第二发电供电方案；若所述发电供电环境中的海拔环境类型为低海拔环境，则不进行优化。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述温度最高阈值为45℃，所述海拔阈值为3000米。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据所述第二发电供电方案发出控制指令，对风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程进行控制协调，具体为：采用离散-连续混合控制方法，对风能、光能、氢能以及柴油能的顶层能量状态实现协调决策，并对控制协调发电过程实现连续控制。

本发明实施例的第二方面提供了一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统，所述发电供电控制系统包括：风光发电模块、储制氢能发电模块、油能发电模块、锂电池以及智能控制模块；其中，所述风光发电模块包括风能发电单元以及光能发电单元；所述储制氢能发电模块包括电解水制氢反应装置、氢燃料电池、柴油重整制氢装置以及储氢装置；所述油能发电模块包括柴油发电机以及柴油油罐；所述智能感知控制模块包括多种传感器和处理器，用于检测和确定当前的发电供电环境，并根据所述发电供电环境和预设的第一发电供电方案确定第二发电供电方案；并且所述智能感知控制模块还与各个模块连通，从而根据第二发电供电方案对各个发电模块的耦合发电过程进行控制协调。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述多种传感器包括温度传感器和海拔高度传感器，所述温度传感器和海拔高度传感器检测当前的温度值和海拔高度值，并将采集到的温度值和海拔高度值发送给处理器。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述电解水制氢反应装置是固体氧化物电解池，所述氢燃料电池是质子交换膜燃料电池，所述柴油重整制氢装置与柴油发电机共用柴油燃料。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述发电供电控制系统采用共直流母线拓扑结构，通过所述共直流母线拓扑结构，所述发电供电控制系统可汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

在一方面，本发明提供了一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及发电供电控制系统，通过对发电供电环境参数进行采集和判断，针对不同的发电供电环境对预设的发电供电方案进行了不同的优化，利用风能、光能、氢能和油能进行耦合发电，不仅实现了稳定可靠的供电，还实现了多种能源的利用效率的提升。

在另一方面，本发明提供的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统还采用了共直流母线拓扑结构，该结构能量变流环节少、布局简洁并且控制灵活，从而提高了效率与功率密度。

进一步的，本发明提供的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统还采用了质子交换膜燃料电池作为氢燃料电池，该燃料电池在利用氢能发电的过程中还能产生可直接饮用的纯水，从而实现海水淡化，保障海岛淡水供给。

附图说明

下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：

图1示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法的流程图；

图2示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法的第一发电供电方案的流程图；

图3示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统的结构图；

图4示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统的智能感知控制模块的结构图；

图5示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统的储氢制能发电模块的结构图；

图6示出了本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统的系统拓扑原理图。

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。

图1示出了本发明的一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1:检测并确定当前的发电供电环境。

在海岛上，发电效率深受周围环境影响，因此，要提升发电效率、优化发电方案，发电供电环境的检测与确定至关重要。在一个实施例中，先检测当前的第一温度值和第一海拔高度值；随后通过比较所述第一温度值与预设的温度最高阈值和温度最低阈值，确定所述发电供电环境中的温度环境类型；再通过比较所述第一海拔高度值与预设的海拔阈值，确定所述发电供电环境中的海拔环境类型。所述温度环境类型可包括极寒环境、常温环境和高温环境；所述海拔环境类型可包括高海拔环境和低海拔环境。具体的，例如，当第一温度值低于温度最低阈值时，将当前发电供电的温度环境认定为极寒环境；当第一温度值高于温度最高阈值时，将当前发电供电的温度环境认定为高温环境；当第一海拔高度值高于海拔阈值时，将当前发电供电的海拔环境认定为高海拔环境；否则，则将当前发电供电的海拔环境认定为低海拔环境。

在一个实施例中，温度最高阈值是45℃，海拔阈值是3000米。

S2:根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案。

由于海岛具有特殊地理环境，因此，持续稳定的电力供应是第一要务。海岛可利用的清洁能源有许多，例如风能、光能以及潮汐能等，但基于目前可再生能源市场的发展，只有风能和光能发电具有较为稳定、高效的发电效率。但是，风能与光能发电受自然气候的影响大，带来了电力供应的不确定性和不连续性；虽然可以采用以光伏、风电为主的供电方案配套电化学储能，但是，电化学储能比能量较低，大容量、长时间储能不经济。

氢是一种清洁的二次能源，具有来源广、热值高、能量密度大、可储存、可再生以及零污染等优点。更重要的是，氢能可以有效解决电能储存性差的短板，支撑以风、光等波动性强的可再生能源发电为主的发电供电系统稳定可靠供电。于此同时，为了满足海岛特殊环境下电力的持续稳定供给，选择柴油机发电作为海岛发电系统的供电补充也具有较强的必要性。

出于上述考虑，在一个实施例中，如图2所示，将第一发电供电方案预设为：判断利用风能和光能发电所产生的电能是否满足供电需求；若是，则优先使用或存储风能和光能发电所产生的电能进行供电，并利用供电外的富余电能进行电解海水制备并储存氢能；若否，则判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；若不满足，利用柴油重整制氢以辅助制氢并储存氢能，并重新判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；若满足，利用所述储存的氢能进行发电并供电。

同时，为将能源利用效率最优化，在确定当前发电供电环境后，需要针对不同的发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行优化，从而确定受环境影响最小的第二发电供电方案。

在一个实施例中，所述根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，以确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案，具体为：优先根据所述发电供电环境中的温度环境类型，优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为极寒环境，则采用加热预热策略优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为高温环境，则采取降容输出控制策略优化所述第一发电供电方案；若所述发电供电环境中的温度环境类型为常温环境，不优化所述第一发电供电方案；在根据所述温度环境类型进行第一发电供电方案的优化后，还根据所述发电供电环境中的海拔环境类型，优化所述第一发电供电方案，获得所述第二发电供电方案；若所述发电供电环境中的海拔环境类型为高海拔环境，则采取降容输出控制策略进行优化，获得第二发电供电方案；若所述发电供电环境中的海拔环境类型为低海拔环境，则不进行优化。

在一个实施例中，加热预热策略可包括通过柴油能发电或电能供电进行加热预热。

S3:根据所述第二发电供电方案发出控制指令，对风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程进行控制协调。

在一个实施例中，当控制指令指示需利用氢能发电时，根据控制指令，通过风能和光能产生的富余的电能进行电解海水以制氢或利用柴油重整辅助制氢，并储存氢能，再利用储存的氢能发电。上述制氢储能发电过程中还能够同时实现海水淡化，产生可直接饮用的纯水，从而保障了海岛的淡水供给。

在一个实施例中，基于多目标优化控制理论设计能量稳定分配与动态输出有机结合的模态协调机制，实现风、光、油、氢多能源发电供电的模态协调策略和控制技术，并采用离散-连续混合控制方法实现顶层能量状态转换的协调决策，并实现了各发电供电过程的连续控制，从而在海上或海岛环境下，实现供能电源稳定友好工作的能量管理。

S4:汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

除上述方法外，本发明还提供了一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统1。

如图3所示，该发电供电控制系统1包括：风光发电模块11、储制氢能发电模块12、油能发电模块13、锂电池14以及智能感知控制模块15。其中，智能感知控制模块15包括处理器151和多个传感器，以用于检测和确定当前的发电供电环境，并根据所述发电供电环境和预设的第一发电供电方案确定第二发电供电方案；并且所述智能感知控制模块15还与各个模块连通，从而根据第二发电供电方案对各个发电模块的耦合发电过程进行控制协调。

在一个实施例中，多个传感器可以包括温度传感器152和海拔高度传感器153。该温度传感器152和海拔高度传感器153用于检测当前环境下的温度值和海拔高度值，并将该温度值和海拔高度值发送给处理器151。

图4示出了处理器151的结构示意图。处理器151会根据该温度值和海拔高度值来评估当前的发电供电环境，并根据该发电供电环境和预设的第一发电供电方案确定第二发电供电方案。当该温度值低于温度最低阈值时，处理器151将当前发电供电环境认定为极寒环境，从而确定第二发电供电方案为在所述第一发电供电方案的基础上，还需要事先利用柴油能或电能来加热预热；当该海拔高度值高于海拔阈值并且/或者该温度值高于温度最高阈值时，处理器151将当前发电供电环境认定为高温环境和/或高海拔环境，从而确定第二发电供电方案为在所述第一发电供电方案的基础上，还需要采取降容输出控制策略。降容输出控制策略是指在系统实际运行过程中，通过系统控制使电路电流或电子器件实际功率始终低于电路额定电流或电子器件额定功率。采用降容输出控制策略能够在高温环境/高海拔环境下对电路进行保护，并且能够最大程度地控制电路使用寿命的降低。

风光发电模块11包括风能发电单元111和光能发电单元112。在一个实施例中，风能发电单元111包括50kW风力发电，光能发电单元112包括括1.04MWp光伏。

图5示出了储制氢能发电模块12的结构示意图，该储制氢能发电模块12包括电解水制氢反应装置121、氢燃料电池122、柴油重整制氢装置123以及储氢装置124。在一个实施例中，电解水制氢反应装置121是固体氧化物电解池(SOEC)，所述氢燃料电池122是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。固体氧化物电解池是一种高效的电解水制氢装置，可以直接电解海水制氢，而质子交换膜燃料电池是通过电化学反应将氢气的化学能直接转换成电能的装置，发电过程无机械做功，不受卡诺循环限制，具有发电效率高、运行安静以及环境友好等优点。

在利用风能、光能发电产生的发电量大于海岛负荷需求量的时间段，该固体氧化物电解池可利用富余电能电解海水制氢储能；而在无法利用风能和/或光能发电的时间段，或者利用风能和/或光能发电产生的发电量难以支撑海岛负荷需求的时间段，质子交换膜燃料电池利用储存的氢气发电，从而保证电量稳定供给，同时，该发电产物为纯水，可直接饮用。即，整个电-氢-电过程实现储能发电的同时还实现了海水淡化，能够保障海岛淡水供给。

油能发电模块13包括柴油发电机131以及柴油油罐132。在一个实施例中，所述柴油重整制氢装置123与柴油发电机共用柴油燃料。在一个实施例中，柴油发电机可以是1220kW柴油发电机。

在一个实施例中，锂电池14可以是500kWh锂电池。

除上述结构之外，参考附图6，所述发电供电控制系统1还采用了共直流母线拓扑结构，共直流母线拓扑结构能量变流环节少、布局简洁和控制灵活，且能够提高效率与功率密度。具体的，在启动初期，锂电池14通过48V直流母线统一向系统内的各个模块供电；待系统正常运转后，所述发电供电控制系统可通过48V直流母线汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

上述根据本发明的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法及系统相比现有技术具有许多有益效果，至少包括但不限于如下几点：

1.通过以清洁能源为主的多能耦合发电，能在保证发电供电过程的环保性的前提下，实现了持续、稳定、高效的发电供电；

2.通过利用余电制氢储能，提升了清洁能源的利用率，实现氢、风、光等多种能源之间相互补充和梯级利用；

3.通过利用共直流母线拓扑结构，减少了能量变流环节，使得系统布局更简洁、控制更灵活，并且提高了发电效率与功率密度；

4.通过对发电供电环境的检测与确定，针对不同的发电供电环境对第一发电供电方案进行了优化，从而最小化发电供电效率受环境的影响。

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)

1.一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，包括：

检测并确定当前的发电供电环境；

根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案；

根据所述第二发电供电方案发出控制指令，对风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程进行控制协调；

汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

2.根据权利要求1所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，所述第一发电供电方案为：

判断利用风能和光能发电所产生的电能是否满足供电需求；

若是，则优先使用或存储风能和光能发电所产生的电能进行供电，并利用供电外的富余电能进行电解海水制备并储存氢能；

若否，则判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；

如果不满足，则利用柴油重整制氢以辅助制氢并储存氢能，并重新判断利用当前储存的氢能发电所产生的电能是否满足供电需求；

如果满足，则利用所述储存的氢能进行发电并供电。

3.根据权利要求2所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，所述检测并确定当前的发电供电环境，具体为：

检测当前的第一温度值和第一海拔高度值；

通过比较所述第一温度值与预设的温度最高阈值和温度最低阈值，确定所述发电供电环境中的温度环境类型；其中，所述温度环境类型包括极寒环境、常温环境和高温环境；

通过比较所述第一海拔高度值与预设的海拔阈值，确定所述发电供电环境中的海拔环境类型；其中，所述海拔环境类型包括高海拔环境和低海拔环境。

4.根据权利要求3所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，所述根据所述发电供电环境对预设的第一发电供电方案进行分析优化，以确定在所述发电供电环境下应采用的第二发电供电方案，具体为：

优先根据所述发电供电环境中的温度环境类型，优化所述第一发电供电方案；

若所述发电供电环境中的温度环境类型为极寒环境，则采用加热预热策略优化所述第一发电供电方案；

若所述发电供电环境中的温度环境类型为高温环境，则采取降容输出控制策略优化所述第一发电供电方案；

若所述发电供电环境中的温度环境类型为常温环境，不优化所述第一发电供电方案；

在根据所述温度环境类型进行第一发电供电方案的优化后，还根据所述发电供电环境中的海拔环境类型，优化所述第一发电供电方案，获得所述第二发电供电方案；

若所述发电供电环境中的海拔环境类型为高海拔环境，则采取降容输出控制策略进行优化，获得第二发电供电方案；

若所述发电供电环境中的海拔环境类型为低海拔环境，则不进行优化。

5.根据权利要求4所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，还包括：

所述温度最高阈值为45℃，所述海拔阈值为3000米。

6.根据权利要求1-5所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制方法，其特征在于，所述根据所述第二发电供电方案发出控制指令，对风能、光能、氢能以及柴油能耦合发电过程进行控制协调，具体为：

采用离散-连续混合控制方法，对风能、光能、氢能以及柴油能的顶层能量状态实现协调决策，并对控制协调发电过程实现连续控制。

7.一种风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统，其特征在于，包括：风光发电模块、储制氢能发电模块、油能发电模块、锂电池以及智能控制模块；其中，

所述风光发电模块包括风能发电单元以及光能发电单元；

所述储制氢能发电模块包括电解水制氢反应装置、氢燃料电池、柴油重整制氢装置以及储氢装置；

所述油能发电模块包括柴油发电机以及柴油油罐；

所述智能感知控制模块包括多种传感器和处理器，以用于检测和确定当前的发电供电环境，并根据所述发电供电环境和预设的第一发电供电方案确定第二发电供电方案；并且所述智能感知控制模块还与各个模块连通，从而根据第二发电供电方案对各个发电模块的耦合发电过程进行控制协调。

8.根据权利要求7所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统，其特征在于，所述多种传感器包括温度传感器和海拔高度传感器，所述温度传感器和海拔高度传感器检测当前的温度值和海拔高度值，并将采集到的温度值和海拔高度值发送给处理器。

9.根据权利要求8所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统，其特征在于，所述电解水制氢反应装置是固体氧化物电解池，所述氢燃料电池是质子交换膜燃料电池，所述柴油重整制氢装置与柴油发电机共用柴油燃料。

10.根据权利要求9所述的风光油氢储多能耦合的发电供电控制系统，其特征在于，所述发电供电控制系统采用共直流母线拓扑结构，通过所述共直流母线拓扑结构，所述发电供电控制系统可汇集耦合发电过程所产生的直流电以进行统一供电。

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