CN114033638A - 一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电‑热‑气‑肥联产系统，包括能源发生端、能源过渡端以及协调控制器；所述能源发生端与能源过渡端均由协调控制器控制；所述能源发生端包括非燃气发电机、发酵装置及燃气发电机；所述能源过渡端包括燃气净化装置、储热器及生物燃气储气罐；所述非燃气发电机以及燃气发电机均电连接至供电线；所述供电线电连接储热器，所述生物燃气储气罐连接储热器，所述储热器为发酵装置供热；所述发酵装置经燃气净化装置连接到生物燃气储气罐；所述生物燃气储气罐连接到燃气发电机。一种电‑热‑气‑肥联产系统的协调控制方法，根据负载功率调度需求以及非燃气发电机的实际功率计算得到系统功率差余值；设置阈值；根据阈值与系统功率差余值进行控制。

Description

一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法
技术领域
本发明涉及新能源综合系统领域，特别是一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法。
背景技术
为应对全球气候危机，我国提出“力争2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和”的重大战略决策。其中，可再生能源作为传统化石能源的绿色替代品，得到了广泛关注和大力发展，典型的风能，光能以及生物质能具有良好的环境效益。同时，风能与光能具有间歇性和波动性，受环境影响较大，而生物质能通过厌氧发酵技术的转化稳定可控，因而三者具有良好的互补特性。但厌氧发酵反应对于反应温度有着严格要求，尤其是高寒地区昼夜温度差异大且冬季温度过低，极大限制了高效厌氧发酵的技术推广与落实。针对上述问题，寻找一种可靠的方法将可再生能源组成能源系统并保证厌氧发酵反应的稳定进行成为当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法，将可再生能源(生物能、光能、风能)组成能源系统并保证生物能发酵反应(尤其是在高寒地区)的稳定进行。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种电-热-气-肥联产系统，包括能源发生端、能源过渡端以及协调控制器；
所述能源发生端与能源过渡端均由协调控制器控制；
所述能源发生端包括非燃气发电机、发酵装置及燃气发电机；
所述能源过渡端包括燃气净化装置、储热器及生物燃气储气罐；
所述非燃气发电机以及燃气发电机均电连接至供电线；
所述供电线连接储热器的电输入端，所述生物燃气储气罐设有第一出气端口，所述第一出气端口连接储热器的进气端口，所述储热器的供热输出端连接发酵装置；
所述发酵装置的出气端口经燃气净化装置连接到生物燃气储气罐的进气端口；所述生物燃气储气罐设有第二出气端口，所述第二出气端口连接到燃气发电机的进气端口。
进一步，所述能源过渡端还包括蓄电池；所述蓄电池连接至供电线；
进一步，所述供电线为输电母线；所述非燃气发电机包括风力发电机与光伏电池；
所述风力发电机的输出端连接到输电母线，所述光伏电池的输出端连接到输电母线，所述燃气发电机的输出端连接到输电母线。
进一步，所述发酵装置为厌氧发酵装置；
所述厌氧发酵装置的出气端口连接到燃气净化装置的进气端口，所述燃气净化装置的出气端口连接到生物燃气储气罐的进气端口。
进一步，所述厌氧发酵装置为两相厌氧反应器，所述两相厌氧反应器内置温度传感器，所述温度传感器实时监测两相厌氧反应器的内部反应温度，并将内部反应温度的信号反馈给协调控制器。
一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，包括以下步骤：
S1：根据负载功率调度需求以及非燃气发电机的实际功率按照下式计算得到系统功率差余值；
N＝Pl-Pno-gas
式中，N为系统功率差余值，Pl为负载功率调度需求，Pno-gas为非燃气发电机的实际功率；
S2：设置系统功率差余值的阈值；
S3：根据阈值与系统功率差余值进行控制。
进一步，所述阈值包括NC +、NB +、NA +、N0 +、N0 -、NA -、NB -以及NC -。
进一步，所述步骤S3中根据阈值与系统功率差余值进行控制的方法包括以下几种策略：
策略(1)当N0 -≤N≤N0 +时，计算蓄电池荷电状态并根据蓄电池荷电状态判断是否需要燃气发电机对蓄电池充电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(2)当N0 +≤N≤NA +时，控制蓄电池放电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(3)当NA +≤N≤NB +时，根据系统功率差余值确定燃气发电机的发电功率并控制燃气发电机发电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要提高燃气发电机发电功率对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(4)当NB +≤N≤NC +时，停止部分能源消耗端的运行；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；
策略(5)当N≥NC +时，一种电-热-气-肥联产系统停止运行。
策略(6)当N0 -≥N≥NB +时，控制蓄电池和储热器分别以电能和热能的方式进行联合储能；
策略(7)当NB -≥N≥NC -时，部分能源发生端停止工作；
策略(8)当NC -≥N时，停止一种电-热-气-肥联产系统运行。
进一步，所述策略(1)中，若蓄电池荷电状态≤充电阈值，需要对蓄电池充电，启动燃气发电机为蓄电池供电；若蓄电池荷电状态＞充电阈值，则不需要对蓄电池充电；
当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(2)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(3)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率提高燃气发电机的发电功率为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(4)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
所述策略(6)中，先计算蓄电池荷电状态；然后当蓄电池荷电状态未达到充电阈值，则由蓄电池进行储能；当蓄电池荷电状态达到充电阈值，则由储热器进行储能。
进一步，所述非燃气发电机的实际功率按照下式计算：
Pno-gas＝Pwind+Ppv
式中，Pwind为风力发电机的实际功率，Ppv为光伏电池的实际功率；
所述风力发电机的实际功率按照下式计算：
Figure BDA0003383708340000031
式中，Pw为风力发电机的额定功率，V为风力发电机的预测风速，Vo为风力发电机的启动风速，V1为风力发电机的额定风速，V 2为风力发电机的极限风速；
所述风力发电机的额定功率按照下式计算：
Figure BDA0003383708340000041
式中，ρair为空气密度，r为风轮半径，Ct为风能利用系数，V1为风力发电机的额定风速；
所述光伏电池的实际功率按照下式计算：
Ppv＝Keff*ηg*Ag
式中，Keff为预测有效辐照强度；ηg为光伏电池的效率；Ag为光伏电池的有效面积。
本发明的有益效果是：
将可再生能源(生物能、光能、风能)组成能源系统并保证生物能发酵反应(尤其是在高寒地区)的稳定进行。
附图说明
图1为一种电-热-气-肥联产系统的系统结构图；
图2为一种电-热-气-肥联产系统的能源流动图；
图3为一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法的流程图。
图中，1-风力发电机、2-光伏电池、3-厌氧发酵装置、4-净化装置、5-生物燃气储气罐、6-储热器、7-协调控制器、8-电动调节阀、9-燃气发电机、10-能源消耗端、11-输电母线、12-电磁降解装置、13-蓄电池。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一：
如图1至图3所示，一种电-热-气-肥联产系统，包括能源发生端、能源过渡端以及协调控制器7；
所述能源发生端与能源过渡端均由协调控制器7控制；
所述能源发生端包括非燃气发电机9、发酵装置及燃气发电机9；
所述能源过渡端包括燃气净化装置4、储热器6及生物燃气储气罐5；
所述非燃气发电机9以及燃气发电机9均电连接至供电线；
供电线为输电母线11；所述非燃气发电机9包括风力发电机1与光伏电池2；
风力发电机1的输出端连接到输电母线11，光伏电池2的输出端连接到输电母线11，燃气发电机9的输出端连接到输电母线11，
所述发酵装置的出气端口经燃气净化装置4连接到生物燃气储气罐5的进气端口；所述生物燃气储气罐5设有第二出气端口，所述第二出气端口通过电动调节阀8连接到燃气发电机9的进气端口；
所述发酵装置为厌氧发酵装置3；
所述厌氧发酵装置3的出气端口连接到燃气净化装置4的进气端口，所述燃气净化装置4的出气端口连接到生物燃气储气罐5的进气端口；
所述厌氧发酵装置3为两相厌氧反应器，所述两相厌氧反应器内置温度传感器，所述温度传感器实时监测两相厌氧反应器的内部反应温度，并将内部反应温度的信号反馈给协调控制器7。
所述生物燃气储气罐5为生物燃气双模气柜，生物燃气双模气柜内置模组系统实现气体增压提纯以供后续使用。
所述供电线连接储热器6的电输入端，所述生物燃气储气罐5设有第一出气端口，所述第一出气端口连接储热器6的进气端口，所述储热器6的供热输出端连接厌氧发酵装置3；
所述储热器6包括电热转换装置、储热房、箱体、热暖器以及环形间隔壁，所述储热器6将电能转换为热能并进行储存。
所述能源过渡端还包括蓄电池13；所述蓄电池13连接至供电线；
所述发酵装置的外围设有电磁降解装置12。
厌氧发酵装置3外围布置有电磁降解装置12，利用特定磁场可以有效提高发酵菌种的繁殖数量和代谢速率，可提高厌氧发酵过程的产气效率。
所述协调控制器7通过无线数据传输模块对能源发生端与能源过渡端进行控制，实现稳定运行。
还包括能源消耗端10，所述能源消耗端10包括民、工、农三种需求负荷，例如工业园区、居民社区、农业大棚。
所述供电线与能源消耗端10连接，为能源消耗端10供电。
所述生物燃气储气罐5设有第三出气端口，所述第三出气端口连接至能源消耗端10，为能源消耗端10供气。
所述协调控制器7接收能源发生端与能源过渡端的数据反馈信号，根据内置的互补运行策略算法生成控制指令，通过无线数据传输模块使用无线数据传输(Wifi、4G、5G、433MHz、LoRa)将控制信号传输至能源发生端与能源过渡端。
能源发生端与能源过渡端之间的输气管道采用10-15cm聚氨酯发泡保温。
风力发电机1将捕获的风能转化为电能，输入到输电母线11；光伏电池2将太阳能转化为电能，输入到输电母线11；蓄电池13与输电母线11连接，实现充电及放电功能；生物质材料在厌氧发酵装置3中经过厌氧发酵过程转化为生物燃气和有机肥料，有机肥料运送到农业大棚实现再利用；生物燃气经过气体净化装置4完成脱水脱硫，输送到燃气储气罐储存；燃气储气罐向能源消耗端10部分实现燃气供应，用于烹饪和燃气供暖；燃气储气罐向储热器6供气，储热器6燃烧生物燃气产生热能进行储存，并向厌氧发酵装置3供热；燃气储气罐向燃气发电机9供气，燃气发电机9工作发电输入到输电母线11，补偿所需电能，维持系统供电稳定；输电母线11向能源消耗端10供电。
风力发电机1、光伏板分别将风能、太阳能转化为电能进行供应；生物质原料在发酵装置中经过高效厌氧发酵反应产生生物燃气及有机肥料，生物燃气由储气装置储存，一方面直接供应到能源消耗端10，另一方面供应给燃气发电机9；燃气发电机9接收协调控制指令，为系统或储热器6供电；蓄电池13充电消纳系统多余电能，放电实现电能供应；储热器6利用电热装置将系统多余电能转换热能进行储存，为厌氧发酵装置3供热，以自供能方式维持厌氧发酵反应温度，确保合适的反应温度。储热器6、蓄电池13及储气装置作为联合储能装置发挥作用。
一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，包括以下步骤：
S1：根据负载功率调度需求以及非燃气发电机9的实际功率按照下式计算得到系统功率差余值；
N＝Pl-Pno-gas
式中，N为系统功率差余值，Pl为负载功率调度需求，Pno-gas为非燃气发电机9的实际功率；
所述非燃气发电机9的实际功率按照下式计算：
Pno-gas＝Pwind+Ppv
式中，Pwind为风力发电机1的实际功率，Ppv为光伏电池2的实际功率；
所述风力发电机1的实际功率按照下式计算：
Figure BDA0003383708340000071
式中，Pw为风力发电机1的额定功率，V为风力发电机1的预测风速，Vo为风力发电机1的启动风速，V1为风力发电机1的额定风速，V 2为风力发电机1的极限风速；
所述风力发电机1的额定功率按照下式计算：
Figure BDA0003383708340000072
式中，ρair为空气密度，r为风轮半径，Ct为风能利用系数，V1为风力发电机1的额定风速；
所述光伏电池2的实际功率按照下式计算：
Ppv＝Keff*ηg*Ag
式中，Keff为预测有效辐照强度；ηg为光伏电池2的效率；Ag为光伏电池2的有效面积；
S2：设置系统功率差余值的阈值；
所述阈值包括NC +(正大)、NB +(正中)、NA +(正小)、N0 +(正调整死区)、N0 -(负调整死区)、NA -(负小)、NB -(负中)以及NC -(负小)。
由阈值形成的阈值区间表示不同程度的功率波动情况。
S3：根据阈值与系统功率差余值进行控制；
(1)当N0 -≤N≤N0 +(系统波动处于调节死区内)时，计算蓄电池13荷电状态并根据蓄电池13荷电状态判断是否需要燃气发电机9对蓄电池13充电；检测储热器6的温度并根据储热器6的温度判断是否需要燃气发电机9对储热器6进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器6向发酵装置供热；
所述蓄电池13荷电状态的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000073
式中，SOC0为蓄电池13初始荷电状态；Cbat为蓄电池13容量；Pbat为蓄电池13工作功率。
若蓄电池13荷电状态SOC≤充电阈值，需要对蓄电池13充电，启动燃气发电机9为蓄电池13供电；若蓄电池13荷电状态SOC＞充电阈值，则不需要对蓄电池13充电。
充电阈值为80％
燃气发电机9对蓄电池13充电时燃气发电机9的输出功率的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000081
式中，
Figure BDA0003383708340000082
为蓄电池13自适应充电系数；
Figure BDA0003383708340000083
为蓄电池13最大放电功率。
蓄电池13自适应充电系数的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000084
式中，SOC为蓄电池13荷电状态，SOCmin为蓄电池13荷电状态的允许最小值，本实施例取20％；SOCl为蓄电池13荷电状态较低值，本实施例取40％；SOCmax为蓄电池13荷电状态的允许最大值，本实施例取80％；a、b、c为调节系数，本实施例中分别取3、20、0.15。
当储热器6的温度低于预设值时，计算储热器6储热所需发电功率并根据储热器6储热所需发电功率启动燃气发电机9为储热器6供电。
开启电动调节阀8，将生物燃气输送到燃气发电机9，启动燃气发电机9为储热器6的电热转换装置供电，电热转换装置将电能转换为热能，储热器6储热使储热器6的温度恢复到预设值。
储热器6储热所需发电功率的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000085
式中，cw为水的比热容，取4.2×103J/(kg℃)；mw为储热器6中水的质量；Tr为储热器6预设温度；Tt为储热器6实际温度；t为发电机向电热转换装置供电时长；η为电热转换转置工作效率。
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器6向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间。
最佳反应温度区间为35±2℃。
(2)当N0 +≤N≤NA +时，系统波动幅度较小，控制蓄电池13放电快速补充功率缺额；检测储热器6的温度并根据储热器6的温度判断是否需要燃气发电机9对储热器6进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器6向发酵装置供热；
所述蓄电池13放电功率的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000091
式中，
Figure BDA0003383708340000092
为蓄电池13自适应放电系数；
Figure BDA0003383708340000093
为蓄电池13最大放电功率。
所述蓄电池13自适应放电系数的计算公式为：
Figure BDA0003383708340000094
式中，SOC为蓄电池13荷电状态，SOCh为蓄电池13荷电状态较高值，本实施例取60％；SOCmax为蓄电池13荷电状态的允许最大值，本实施例取80％；d、e、f为调节系数，本实施例中分别取-3、20、0.75。
当储热器6的温度低于预设值时，计算储热器6储热所需发电功率并根据储热器6储热所需发电功率启动燃气发电机9为储热器6供电。
开启电动调节阀8，将生物燃气输送到燃气发电机9，启动燃气发电机9为储热器6的电热转换装置供电，电热转换装置将电能转换为热能，储热器6储热使储热器6的温度恢复到预设值。
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器6向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间。
(3)当NA +≤N≤NB +时，根据系统功率差余值确定燃气发电机9的发电功率并控制燃气发电机9发电补充功率缺额；检测储热器6的温度并根据储热器6的温度判断是否需要提高燃气发电机9发电功率对储热器6进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器6向发酵装置供热；
开启电动调节阀8，将生物燃气输送到燃气发电机9，燃气发电机9工作完成电能补偿。
当储热器6的温度低于预设值时，计算储热器6储热所需发电功率并根据储热器6储热所需发电功率提高燃气发电机9的发电功率为储热器6供电。
开启电动调节阀8，将生物燃气输送到燃气发电机9，启动燃气发电机9为储热器6的电热转换装置供电，电热转换装置将电能转换为热能，储热器6储热使储热器6的温度恢复到预设值。
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器6向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间。
所述储热器6的温度不低于预设值时，燃气发电机9的发电功率的计算公式为：
Pgas＝N
式中，Pgas为燃气发电机9的发电功率，N为系统功率差余值；
所述储热器6的温度低于预设值时，燃气发电机9的发电功率的计算公式为：
Pgas＝N+Pheat
式中，Pgas为燃气发电机9的发电功率，N为系统功率差余值，Pheat为储热器6储热所需发电功率；
(4)当NB +≤N≤NC +时，负载功率缺额较大，蓄电池13与燃气发电机9不能及时满足调度需求，为避免系统停止运行，停止部分能源消耗端10的运行；检测储热器6的温度并根据储热器6的温度判断是否需要燃气发电机9对储热器6进行供电；
切断优先级低的能源消耗端10以保证系统运行。
当储热器6的温度低于预设值时，计算储热器6储热所需发电功率并根据储热器6储热所需发电功率启动燃气发电机9为储热器6供电。
开启电动调节阀8，将生物燃气输送到燃气发电机9，启动燃气发电机9为储热器6的电热转换装置供电，电热转换装置将电能转换为热能，储热器6储热使储热器6的温度恢复到预设值。
(5)当N≥NC +时，系统功率波动已经严重超出可调整范围，为保护系统各电气单元，避免安全事故发生，切断开关，一种电-热-气-肥联产系统停止运行。
(6)当N0 -≥N≥NB +时，能源发生端的发电功率高于负载调度需求，控制蓄电池13和储热器6分别以电能和热能的方式进行联合储能，消纳一种电-热-气-肥联产系统中多余电能；
1)计算蓄电池13荷电状态；
2)当蓄电池13荷电状态未达到充电阈值，则由蓄电池13进行储能；
当蓄电池13荷电状态达到充电阈值，则由储热器6进行储能，储热器6通过内置电热转换装置将电能转换为热能进行储存。
由于厌氧发酵过程对于温度有着严格要求，尤其在冬季气温过低对供热需求非常大，因此储热器6有足够能力消纳此部分多余电能。
(7)当NB -≥N≥NC -时，能源发生端的发电功率超过蓄电池13和储热器6的消纳能力，部分能源发生端停止工作，保证系统稳定运行。
(8)当NC -≥N时，能源发生端的发电功率已严重超过可调范围，为保护系统各电气单元，避免安全事故发生，切断开关，停止一种电-热-气-肥联产系统运行。
所述协调控制器7按照一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法对能源发生端与能源过渡端进行控制；通过计算能源消耗端10的负载功率调度需求以及非燃气发电机9的实际功率得到系统功率差余值，结合系统功率差余值和蓄电池13荷电状态SOC进行综合研判，发出控制指令，通过自供能方式保证高寒气候条件下厌氧发酵反应温度维持在适宜区间，实现电-热-气-肥稳定联产。
一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法依据蓄电池13荷电状态设定蓄电池13的充电阈值，设计自适应调整系数，实现蓄电池13基于SOC的充放电功率调整，保证蓄电池13平滑出力并防止过充/过放。
储热器6根据发酵装置的内部温度与最佳反应温度区间实现供热功能，若发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间，储热器6供热保证发酵装置的内部温度维持在最佳反应温度区间。
为了保证蓄电池13出力曲线的平滑并防止过充/过放，引入自适应调整系数实现蓄电池13基于SOC充放电功率调整。
一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法，将可再生能源(生物能、光能、风能)组成能源系统并保证生物能发酵反应(尤其是在高寒地区)的稳定进行。以风能、太阳能和生物质能作为系统的输入能源，采用多能互补运行方式，有效提高能源转化效率，输出电能、生物燃气、有机肥料，具有良好的环境效益、经济效益与应用前景；采用蓄电池13与储热器6作为系统联合储能装置，提高安全性与经济性，降低运维成本，将系统多余电能转化为热能进行储存，提高了能源利用率，为厌氧发酵装置3供热，克服了在高寒环境下厌氧消化装置保温问题，使系统在高寒环境下仍可高效运作。
针对高寒地区冬季系统工作环境温度低、昼夜温差大的特点，一种电-热-气-肥联产系统及其协调控制方法在风力发电、光伏发电、燃气发电及磁场强化厌氧发酵技术基础上，采用蓄电池13、储热器6及储气装置实现联合储能，结合自适应充放电技术提高蓄电池13运行安全及工作寿命，通过系统自供能方保证高寒气候条件下厌氧发酵反应温度，实现稳定的电-热-气-肥多级联产。
针对能源消耗端10电力、燃气及有机肥料供能问题，结合风力发电、光伏发电及燃气发电实现电能供应，采用厌氧发酵装置3通过高效厌氧发酵反应可直接生物燃气，通过燃烧系统生产的生物燃气或将系统产生的多余电能转化成热能同时解决了厌氧发酵保温问题和系统多余电能的利用问题。此外，采用储电-储热-储气联合储能技术，相比于传统单一电池储能更为经济安全，针对可再生能源特点，可实现更为高效的能源互补供给。
依据生物质能与风能和光能良好的互补特性，以风能和光能不可控输出作为基础，联合可控的生物燃气作为系统的补充能源，有效提高系统应变速率，实现稳定，快速的多能互补供应；
采用储热器6、蓄电池13及储气罐作为系统联合储能装置，成本更低、寿命更长，安全性更高，其中储热器6可将产生的多余电能转化为热能储存，并为厌氧发酵装置3提供热量，以维持其合适的工作温度，可在环境低温条件下保证系统正常运行，解决了厌氧发酵保温问题；
引入基于SOC的蓄电池13自适应调整系数，使蓄电池13充放电功率随SOC进行调整，可以有效延长蓄电池13使用寿命，避免电池安全事故发生；
根据系统功率差余值调整系统运行策略，电能过盈储热，电能缺额补偿，实现系统多能互补稳定运行，并保证了高寒气候条件下厌氧发酵装置3温度维持在适宜区间。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电-热-气-肥联产系统，其特征在于：包括能源发生端、能源过渡端以及协调控制器；
所述能源发生端与能源过渡端均由协调控制器控制；
所述能源发生端包括非燃气发电机、发酵装置及燃气发电机；
所述能源过渡端包括燃气净化装置、储热器及生物燃气储气罐；
所述非燃气发电机以及燃气发电机均电连接至供电线；
所述供电线连接储热器的电输入端，所述生物燃气储气罐设有第一出气端口，所述第一出气端口连接储热器的进气端口，所述储热器的供热输出端连接发酵装置；
所述发酵装置的出气端口经燃气净化装置连接到生物燃气储气罐的进气端口；所述生物燃气储气罐设有第二出气端口，所述第二出气端口连接到燃气发电机的进气端口。
2.根据权利要求1所述的一种电-热-气-肥联产系统，其特征在于：所述能源过渡端还包括蓄电池；所述蓄电池连接至供电线。
3.根据权利要求1或2所述的一种电-热-气-肥联产系统，其特征在于：所述供电线为输电母线；所述非燃气发电机包括风力发电机与光伏电池；
所述风力发电机的输出端连接到输电母线，所述光伏电池的输出端连接到输电母线，所述燃气发电机的输出端连接到输电母线。
4.根据权利要求1或2所述的一种电-热-气-肥联产系统，其特征在于：所述发酵装置为厌氧发酵装置；
所述厌氧发酵装置的出气端口连接到燃气净化装置的进气端口，所述燃气净化装置的出气端口连接到生物燃气储气罐的进气端口。
5.根据权利要求4所述的一种电-热-气-肥联产系统，其特征在于：所述厌氧发酵装置为两相厌氧反应器，所述两相厌氧反应器内置温度传感器，所述温度传感器实时监测两相厌氧反应器的内部反应温度，并将内部反应温度的信号反馈给协调控制器。
6.一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据负载功率调度需求以及非燃气发电机的实际功率按照下式计算得到系统功率差余值；
N＝Pl-Pno-gas
式中，N为系统功率差余值，Pl为负载功率调度需求，Pno-gas为非燃气发电机的实际功率；
S2：设置系统功率差余值的阈值；
S3：根据阈值与系统功率差余值进行控制。
7.根据权利要求6所述的一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，其特征在于：所述阈值包括NC +、NB +、NA +、N0 +、N0 -、NA -、NB -以及NC -。
8.根据权利要求7所述的一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，其特征在于：所述步骤S3中根据阈值与系统功率差余值进行控制的方法包括以下几种策略：
策略(1)当N0 -≤N≤N0 +时，计算蓄电池荷电状态并根据蓄电池荷电状态判断是否需要燃气发电机对蓄电池充电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(2)当N0 +≤N≤NA +时，控制蓄电池放电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(3)当NA +≤N≤NB +时，根据系统功率差余值确定燃气发电机的发电功率并控制燃气发电机发电；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要提高燃气发电机发电功率对储热器进行供电；检测发酵装置的内部温度并根据发酵装置的内部温度判断是否由储热器向发酵装置供热；
策略(4)当NB +≤N≤NC +时，停止部分能源消耗端的运行；检测储热器的温度并根据储热器的温度判断是否需要燃气发电机对储热器进行供电；
策略(5)当N≥NC +时，一种电-热-气-肥联产系统停止运行。
策略(6)当N0 -≥N≥NB +时，控制蓄电池和储热器分别以电能和热能的方式进行联合储能；
策略(7)当NB -≥N≥NC -时，部分能源发生端停止工作；
策略(8)当NC -≥N时，停止一种电-热-气-肥联产系统运行。
9.根据权利要求8所述的一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，其特征在于：所述策略(1)中，若蓄电池荷电状态≤充电阈值，需要对蓄电池充电，启动燃气发电机为蓄电池供电；若蓄电池荷电状态＞充电阈值，则不需要对蓄电池充电；
当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(2)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(3)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率提高燃气发电机的发电功率为储热器供电；
当发酵装置的内部温度低于最佳反应温度区间时，由储热器向发酵装置供热，使发酵装置的内部温度恢复到最佳反应温度区间；
所述策略(4)中，当储热器的温度低于预设值时，计算储热器储热所需发电功率并根据储热器储热所需发电功率启动燃气发电机为储热器供电；
所述策略(6)中，先计算蓄电池荷电状态；然后当蓄电池荷电状态未达到充电阈值，则由蓄电池进行储能；当蓄电池荷电状态达到充电阈值，则由储热器进行储能。
10.根据权利要求6所述的一种电-热-气-肥联产系统的协调控制方法，其特征在于：所述非燃气发电机的实际功率按照下式计算：
Pno-gas＝Pwind+Ppv
式中，Pwind为风力发电机的实际功率，Ppv为光伏电池的实际功率；
所述风力发电机的实际功率按照下式计算：
Figure FDA0003383708330000031
式中，Pw为风力发电机的额定功率，V为风力发电机的预测风速，Vo为风力发电机的启动风速，V1为风力发电机的额定风速，V2为风力发电机的极限风速；
所述风力发电机的额定功率按照下式计算：
Figure FDA0003383708330000032
式中，ρair为空气密度，r为风轮半径，Ct为风能利用系数，V1为风力发电机的额定风速；
所述光伏电池的实际功率按照下式计算：
Ppv＝Keff*ηg*Ag
式中，Keff为预测有效辐照强度；ηg为光伏电池的效率；Ag为光伏电池的有效面积。
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