CN112803573A - 一种风光氢储互补的不间断供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风光氢储互补的不间断供电系统，包括风力发电系统、光伏发电系统、控制系统、逆变系统、储能电池系统、氢燃料电池备用发电系统、制氢系统；所述风力发电系统和所述光伏发电系统发出的电能，在所述控制系统的调控下，一部分电能通过所述逆变系统将直流电转换成交流电，可用于向交直流不同负载供电，多余电能向所述储能电池系统充电，所述储能电池系统电量充满后，过余电能进入所述制氢系统制氢；所述制氢系统制得的氢气注入储氢罐储存；同时所述储能电池和所述氢燃料电池备用发电系统作为系统的两个备用电源，可以保证无风光发电的极端情况下系统的连续供电，提高了系统运行的安全可靠性，实现不间断供电。

Description

一种风光氢储互补的不间断供电系统
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种集风能、太阳能、氢燃料电池发电机及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
背景技术
风力发电、太阳能光伏发电作为新能源发电形式，具有节能环保、建设周期短、投资灵活等诸多优点，在世界范围内得到了广泛的关注和长足的发展，但由于风能、太阳能具有间歇性、随机性、波动性等特点，机组设备发电情况不确定性大，对供电稳定性和电能品质造成一定影响。
储能技术可以在很大程度上解决风力发电、太阳能光伏发电等新能源发电的随机性、波动性等问题，能够有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模的风电和太阳能光伏发电大规模的稳定输出。尤其电化学储能作为储能技术的一种，因具有响应速度快、循环寿命长、安全性好、配置灵活等优点而得到了广泛的应用。
氢能因具有储值密度高、无污染、配置灵活等优点，已成为一种战略性高效清洁能源，其产业发展受到了世界各国的关注和重视，且氢能作为一种新型的储能形式，并结合氢燃料电池备用发电系统，可以作为提高新能源发电稳定性的有力补充，实现区域电网的不间断供电。
发明内容
本发明提供一种基于风光氢储互补的不间断供电系统，目的是利用风能和太阳能光伏进行供电，输出的电能根据优先级不同分别向负载供电、储电、余电制氢，同时储能电池和氢燃料电池作为系统的两个备用电源，可以保证无风光发电的极端情况下系统的连续供电，提高了系统运行的安全可靠性。
一种风光氢储互补的不间断供电系统，包括：风力发电系统、光伏发电系统、控制系统、逆变系统、储能电池系统、氢燃料电池备用发电系统及制氢系统；
所述风力发电系统，利用风力发电机将风能转化成机械能，再通过风力发电机将机械能转化成电能，产生的电能在控制系统的调控下，一部分电能通过逆变系统将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统充电，储能电池系统充满电后，过余电能进入所述制氢系统制氢；
所述光伏发电系统，包括光伏组件、光伏支架、光伏基础部件、汇流箱，所述光伏组件设置在光伏支架上；所述光伏发电系统利用太阳能电池板组成的光伏组件的光伏效应将光能转化成电能，产生的电能在控制系统的调控下，一部分电能通过逆变系统将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统充电，储能电池系统充满电后，过余电能进入所述制氢系统制氢；
所述控制系统，包括风能控制器、光伏控制器、控制柜；所述控制系统根据风力发电系统发电量、光伏发电系统发电量及负载的变化，不断对储能电池系统的工作状态进行切换和调节，当风力发电系统和光伏发电系统总发电量大于负载需求时，控制系统把多余的电量送往储能电池系统存储，在储能电池系统充满电后，可利用富裕的电能电解纯水制氢；当风力发电系统和光伏发电系统总发电量小于负载需求时，控制系统把储能电池系统的电量送往负载；
所述逆变系统，由配电柜、逆变器、AC/DC设备、蓄电池组成；所述逆变系统用于把风力发电系统、光伏发电系统和储能电池系统出来的直流电转变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能；
所述储能电池系统由多块蓄电池和电池管理系统组成，用于将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化成化学能通过多块蓄电池储存起来，以备供电不足时使用；
所述氢燃料电池备用发电系统作为后备辅助发电系统，在无风光发电的极端情况下，并且储能电池系统放完电后，储氢后备供电可达72小时，用于保证用电设备工作的连续性；
所述制氢系统由制氢装置、氢储存装置组成，在风力发电系统和光伏发电系统总发电量大于负载需求时，同时储能电池系统电量充满的情况下，利用通过逆变系统的交流电或未通过逆变系统的直流电电解纯水通过制氢装置进行制氢，将氢注入储氢装置储存后供氢燃料电池备用发电系统作后备电源用。
上述中，所述电池管理系统用于准确估测蓄电池组的荷电状态，动态监测蓄电池组的工作状态，均衡单体蓄电池、蓄电池组间的电量分配。
上述中，还包括不间断供电系统，用于在运行过程中是通过协调控制实现不间断供电；所述协调控制包括：基本控制功能、计划无缝切换功能、离网功率平衡控制功能及设备计划控制功能；
上述中，所述基本控制功能，用于实现在离网状态下的启动和停止；所述计划无缝切换功能，按照计划要求实现系统从并网状态无缝转化成离网状态以及从离网状态转化成并网状态，在无缝切换过程中系统内的负载不会失电；所述离网功率平衡控制功能，用于在离网运行时，首要目标是保证重要负载的供电，可有选择的保证非重要负载的供电，其核心是根据系统内储能电池系统的剩余储电容量决定系统内风力发电系统、光伏发电系统与负载的调节方法；所述设备计划控制功能，对特定需要计划运行的设备，可以编制计划值或者计划运行曲线，使得该设备按照计划值或者计划曲线运行。
上述中，所述不间断供电系统各分系统的容量设计负载容量为6kW，负载日用电量为6kW*24h＝144kWh。
上述中，所述风力发电系统采用多台一定容量的风力发电机组，在平均风速4.5m/s的风速下，发电量为150kWh。
上述中，所述光伏组件总容量为30.1KWp，共安装25年，按照光伏特性，取工况因素为0.8，年均光照辐射量为5kWh/m2/d，则光伏组件日发电量为30.1KWp*4.5h*0.8＝108kWh。
上述中，所述储能电池系统由1套一定容量磷酸铁锂电池，2套一定容量的液流蓄电池和电池管理系统组成。
上述中，所述氢燃料电池备用发电系统，采用10kW级别氢燃料电池发电装置，并配置逆变器。
本发明采用以风能、太阳能、氢气等多种清洁能源为能量来源的供电系统，具有清洁、高效、环境污染小等优点；氢燃料电池备用发电系统用到的氢气利用的是多余的电能，提高了能源的利用效率；储能电池可以在一定程度上稳定风力发电和太阳能光伏发电的电能输出，同时储能电池和氢燃料电池备用发电系统作为系统的两个备用电源，可以保证无风光发电的极端情况下系统的连续供电，提高了系统运行的安全可靠性，实现不间断供电。
附图说明
图1为本发明一种风光氢储互补的不间断供电系统图。
图1中：1-风力发电系统，2-光伏发电系统，3-控制系统，4-逆变系统，5-储能电池系统，6-氢燃料电池备用发电系统，7-制氢系统。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
本发明一个实施例是，一种风光氢储互补的不间断供电系统，如图1所示，包括：风力发电系统1、光伏发电系统2、控制系统3、逆变系统4、储能电池系统5、氢燃料电池备用发电系统6及制氢系统7。
所述风力发电系统1，包括风力发电机、塔架及风机基础部分，所述风力发电机设置在塔架上；所述风力发电系统1利用风力发电机将风能转化成机械能，再通过风力发电机将机械能转化成电能，产生的电能在控制系统3的调控下，一部分电能通过逆变系统4将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统5充电，储能电池系统5充满电后，过余电能进入所述制氢系统7制氢。
所述光伏发电系统2，包括光伏组件、光伏支架、光伏基础部件、汇流箱，所述光伏组件设置在光伏支架上；所述光伏发电系统2利用太阳能电池板组成的光伏组件的光伏效应将光能转化成电能，产生的电能在控制系统3的调控下，一部分电能通过逆变系统4将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统5充电，储能电池系统5充满电后，过余电能进入所述制氢系统7制氢。
所述控制系统3，包括风能控制器、光伏控制器、控制柜；所述控制系统3根据风力发电系统1发电量、光伏发电系统2发电量及负载的变化，不断对储能电池系统5的工作状态进行切换和调节，当风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量大于负载需求时，控制系统3把多余的电量送往储能电池系统5存储，在储能电池系统5充满电后，可利用富裕的电能电解纯水制氢；当风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量小于负载需求时，控制系统3把储能电池系统5的电量送往负载。
所述逆变系统4，由配电柜、逆变器、AC/DC设备、蓄电池组成；所述逆变系统4用于把风力发电系统1、光伏发电系统2和储能电池系统5出来的直流电转变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能。
所述储能电池系统5由多块蓄电池和电池管理系统组成，用于将风力发电系统1和光伏发电系统2输出的电能转化成化学能通过多块蓄电池储存起来，以备供电不足时使用。其中电池管理系统用于准确估测蓄电池组的荷电状态，动态监测蓄电池组的工作状态，均衡单体蓄电池、蓄电池组间的电量分配。
所述氢燃料电池备用发电系统6作为后备辅助发电系统，在无风光发电的极端情况下，并且储能电池系统5放完电后，储氢后备供电可达72小时，用于保证用电设备工作的连续性。
所述制氢系统7由制氢装置、氢储存装置组成，在风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量大于负载需求时，同时储能电池系统5电量充满的情况下，利用通过逆变系统4的交流电或未通过逆变系统4的直流电电解纯水通过制氢装置进行制氢，将氢注入储氢装置储存后供氢燃料电池备用发电系统6作后备电源用。
本发明还包括不间断供电系统，在运行过程中是通过协调控制实现不间断供电的；所述协调控制包括：基本控制功能、计划无缝切换功能、离网功率平衡控制功能、设备计划控制功能。
所述基本控制功能可实现本发明在离网状态下的启动和停止；所述计划无缝切换功能，按照计划要求实现系统从并网状态无缝转化成离网状态以及从离网状态转化成并网状态，在无缝切换过程中系统内的负载不会失电；所述离网功率平衡控制功能，本发明系统在离网运行时，首要目标是保证重要负载的供电，可有选择的保证非重要负载的供电，其核心是根据系统内储能电池系统的剩余储电容量决定系统内风力发电系统、光伏发电系统与负载的调节方法；所述设备计划控制功能，对特定需要计划运行的设备，可以编制计划值或者计划运行曲线，使得该设备按照计划值或者计划曲线运行。
实施例二
在上述实施例的基础上，本发明提供的另一实施例是，一种风光氢储互补的不间断供电系统，如图1所示，包括：风力发电系统1、光伏发电系统2、控制系统3、逆变系统4、储能电池系统5、氢燃料电池备用发电系统6、制氢系统7；所述不间断供电系统各分系统的容量设计要满足负载日用电量要求，负载容量为6kW，负载日用电量为6kW*24h＝144kWh,暂不考虑最大瞬时负荷。
所述风力发电系统1，包括风力发电机、塔架、风机基础部分；所述风力发电系统1采用多台一定容量的风力发电机组，在平均风速4.5m/s的风速下，发电量为150kWh；所述风力发电系统1利用风机将风能转化成机械能，再通过发电机将机械能转化成电能，产生的电能在控制系统3的调控下，一部分电能通过逆变系统4将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，多余的电能对储能电池系统5充电，储能电池系统5充满电后，过余电能进入所述制氢系统7制氢。
所述光伏发电系统2，包括光伏组件、光伏支架、光伏基础部件、汇流箱；所述光伏组件总容量为30.1KWp，共安装25年，按照光伏特性，取工况因素为0.8，年均光照辐射量为5kWh/m2/d，则光伏组件日发电量为30.1KWp*4.5h*0.8＝108kWh；所述光伏发电系统2利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化成电能，产生的电能在控制系统3的调控下，一部分电能通过逆变系统4将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，多余的电能对储能电池系统5充电，储能电池系统5充满电后，过余电能进入所述制氢系统7制氢。
所述控制系统3，包括风能控制器、光伏控制器、控制柜；所述控制系统3根据风力发电系统1发电量、光伏发电系统2发电量及负载的变化，不断对储能电池系统5的工作状态进行切换和调节，当风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量大于负载需求时，控制系统3把多余的电量送往储能电池系统5存储，在储能电池系统5充满电后，可利用富裕的电能电解纯水制氢；当风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量小于负载需求时，控制系统3把储能电池系统5的电量送往负载。
所述逆变系统4由配电柜、逆变器、AC/DC设备、蓄电池组成；所述逆变系统4用于把风力发电系统1、光伏发电系统2和储能电池系统5出来的直流电转变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能。
所述储能电池系统5由1套一定容量磷酸铁锂电池，2套一定容量的液流蓄电池和电池管理系统组成；所述储能电池系统5用于将风力发电系统1和光伏发电系统2输出的电能转化成化学能储存起来，以备供电不足时使用。
所述氢燃料电池备用发电系统6，采用10kW级别氢燃料电池发电装置，并配置逆变器；所述氢燃料电池备用发电系统6作为后备辅助发电系统，在无风光发电的极端情况下，并且储能电池系统5放完电后，储氢后备供电可达72小时，用于保证用电设备工作的连续性。
所述制氢系统7配置水电解制氢装置，并配置高压储存装置；所述制氢系统7在风力发电系统1和光伏发电系统2总发电量大于负载需求时，同时储能电池系统5电量充满的情况下，利用通过逆变系统4的交流电或未通过逆变系统4的直流电电解纯水制氢，将氢注入储氢罐储存后供氢燃料电池备用发电系统6作后备电源用。
所述风光氢储互补的不间断供电系统在运行过程中是通过协调控制实现不间断供电的；所述协调控制包括：基本控制功能、计划无缝切换功能、离网功率平衡控制功能、设备计划控制功能。
所述基本控制功能可实现系统在离网状态下的启动和停止；所述计划无缝切换功能，按照计划要求实现系统从并网状态无缝转化成离网状态以及从离网状态转化成并网状态，在无缝切换过程过程中系统内的负载不会失电；所述离网功率平衡控制功能，系统在离网运行时，首要目标是保证重要负载的供电，可有选择的保证非重要负载的供电，其核心是根据系统内储能电池系统的剩余储电容量决定系统内风力发电系统、光伏发电系统与负载的调节方法；所述设备计划控制功能，对特定需要计划运行的设备，可以编制计划值或者计划运行曲线，使得该设备按照计划值或者计划曲线运行。
本发明采用以风能、太阳能、氢气等多种清洁能源为能量来源的供电系统，具有清洁、高效、环境污染小等优点；氢燃料电池备用发电系统用到的氢气利用的是多余的电能，提高了能源的利用效率；储能电池可以在一定程度上稳定风力发电和太阳能光伏发电的电能输出，同时储能电池和氢燃料电池备用发电系统作为系统的两个备用电源，可以保证无风光发电的极端情况下系统的连续供电，提高了系统运行的安全可靠性，实现不间断供电。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种风光氢储互补的不间断供电系统，其特征在于，包括：风力发电系统、光伏发电系统、控制系统、逆变系统、储能电池系统、氢燃料电池备用发电系统及制氢系统；
所述风力发电系统，利用风力发电机将风能转化成机械能，再通过风力发电机将机械能转化成电能，产生的电能在控制系统的调控下，一部分电能通过逆变系统将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统充电，储能电池系统充满电后，过余电能进入所述制氢系统制氢；
所述光伏发电系统，包括光伏组件、光伏支架、光伏基础部件、汇流箱，所述光伏组件设置在光伏支架上；所述光伏发电系统利用太阳能电池板组成的光伏组件的光伏效应将光能转化成电能，产生的电能在控制系统的调控下，一部分电能通过逆变系统将直流电转换成交流电，可对交直流不同负载进行供电，其余的电能对储能电池系统充电，储能电池系统充满电后，过余电能进入所述制氢系统制氢；
所述控制系统，包括风能控制器、光伏控制器、控制柜；所述控制系统根据风力发电系统发电量、光伏发电系统发电量及负载的变化，不断对储能电池系统的工作状态进行切换和调节，当风力发电系统和光伏发电系统总发电量大于负载需求时，控制系统把多余的电量送往储能电池系统存储，在储能电池系统充满电后，可利用富裕的电能电解纯水制氢；当风力发电系统和光伏发电系统总发电量小于负载需求时，控制系统把储能电池系统的电量送往负载；
所述逆变系统，由配电柜、逆变器、AC/DC设备、蓄电池组成；所述逆变系统用于把风力发电系统、光伏发电系统和储能电池系统出来的直流电转变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能；
所述储能电池系统由多块蓄电池和电池管理系统组成，用于将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化成化学能通过多块蓄电池储存起来，以备供电不足时使用；
所述氢燃料电池备用发电系统作为后备辅助发电系统，在无风光发电的极端情况下，并且储能电池系统放完电后，储氢后备供电可达72小时，用于保证用电设备工作的连续性；
所述制氢系统由制氢装置、氢储存装置组成，在风力发电系统和光伏发电系统总发电量大于负载需求时，同时储能电池系统电量充满的情况下，利用通过逆变系统的交流电或未通过逆变系统的直流电电解纯水通过制氢装置进行制氢，将氢注入储氢装置储存后供氢燃料电池备用发电系统作后备电源用。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池管理系统用于准确估测蓄电池组的荷电状态，动态监测蓄电池组的工作状态，均衡单体蓄电池、蓄电池组间的电量分配。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括不间断供电系统，用于在运行过程中是通过协调控制实现不间断供电；所述协调控制包括：基本控制功能、计划无缝切换功能、离网功率平衡控制功能及设备计划控制功能。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述基本控制功能，用于实现在离网状态下的启动和停止；所述计划无缝切换功能，按照计划要求实现系统从并网状态无缝转化成离网状态以及从离网状态转化成并网状态，在无缝切换过程中系统内的负载不会失电；所述离网功率平衡控制功能，用于在离网运行时，首要目标是保证重要负载的供电，可有选择的保证非重要负载的供电，其核心是根据系统内储能电池系统的剩余储电容量决定系统内风力发电系统、光伏发电系统与负载的调节方法；所述设备计划控制功能，对特定需要计划运行的设备，可以编制计划值或者计划运行曲线，使得该设备按照计划值或者计划曲线运行。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述不间断供电系统各分系统的容量设计负载容量为6kW，负载日用电量为6kW*24h＝144kWh。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述风力发电系统采用多台一定容量的风力发电机组，在平均风速4.5m/s的风速下，发电量为150kWh。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光伏组件总容量为30.1KWp，共安装25年，按照光伏特性，取工况因素为0.8，年均光照辐射量为5kWh/m2/d，则光伏组件日发电量为30.1KWp*4.5h*0.8＝108kWh。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述储能电池系统由1套一定容量磷酸铁锂电池，2套一定容量的液流蓄电池和电池管理系统组成。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述氢燃料电池备用发电系统，采用10kW级别氢燃料电池发电装置，并配置逆变器。
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