CN114336745A - 一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法。本发明目的是为了在园区用能中减少消耗公用电网电能，降低对电网的依赖，集中于电网低谷用电，为电网削峰填谷，实现碳中和，提供一种将新能源发电电源技术、电网技术、储能技术、冷热电转化系统与计算机、互联网技术的结合，进行源网荷储物联网融合，实现新能源发电、电网、储能、冷热电转化系统与环境以及源网荷储的多能互补状态信息实时的共享，实现智能化的源网荷储多能互补系统数据收集、传递、处理、执行，在园区用能中增加可再生能源成份，同时参与电网削峰填谷，使园区用户成本最低的源网荷储的多能互补供给系统及控制方法。

Description

一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智慧能源领域，尤其涉及一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法。

背景技术

“源网荷储一体化”围绕负荷需求，通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧、储能侧资源要素，以储能等先进技术和体制机制创新为支撑，以安全、绿色、高效为目标，创新电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代电力系统探索发展路径，实现源、网、荷、储的深度协同。充分发挥负荷侧的调节能力，进一步加强电源侧、电网侧、负荷侧、储能侧的多向互动，通过一体化管理模式聚合分布式电源、充电站和储能等负荷侧资源组成虚拟电厂，参与市场交易，为系统提供调节支撑能力。实现就地就近、灵活坚强发展，增加本地电源支撑，提升电源供电保障能力、调动负荷响应能力，推进局部电力就地就近平衡，降低对大电网电力调节支撑需求，提升重要负荷中心的应急保障能力，降低一次能源转化、输送、分配、利用等各环节的损耗，提高电力基础设施的利用效率。平能有效促进了源网荷储资源灵活互动，促进新能源消纳，合理削峰填谷，减少电网建设投资成本。

源网荷储一体化主要包括“区域（省）级源网荷储一体化”、“市（县）级源网荷储一体化”、“园区（居民区）级源网荷储一体化”等具体模式。区域（省）级源网荷储一体化，依托区域（省） 级电力辅助服务市场、电力中长期和现货市场等市场体系建设，以完善区域（省）级主网架为基础，公平、无歧视引入电源侧、负荷侧、独立电储能等市场主体，同时依托现代信息通讯及智能化技术，加强全网统一调度，研究建立源网荷储灵活高效互动的电力运行与市场体系，充分发挥区域电网的调节作用，落实各类电源、电力用户、储能、虚拟电厂参与市场的机制。市（县）级源网荷储一体化，以保障重点城市清洁可靠用能、支持县域经济高质量发展和满足人民多元化美好用能需求为出发点，开展市（县）级源网荷储一体化。结合清洁取暖和清洁能源消纳工作开展市（县）级源网荷储一体化研究与示范，研究通过热电联产机组、新能源、灵活运行电热负荷一体化运营方案，实现能源的安全高效清洁利用，达到多能互补效果。园区（居民区）级源网荷储一体化，以现代信息通讯技术、大数据、人工智能、储能等新技术为依托，充分调动负荷侧的调节响应能力，在城市商业区、商业综合体，依托光伏发电、并网型微电网和电动汽车充电基础设施建设等，开展分布式发电与电动汽车灵活充放电相结合的园区（居民区）级源网荷储一体化建设研究。在工业负荷规模大、新能源资源条件好的地区，进行分布式电源就近接入消纳，研究源、网、荷、储的综合优化配置方案，促进与多能互补与智慧综合能源服务的融合，提高系统平衡能力，减少对大电网调峰和容量备用需求。

微网传统运营模式为“自发自用，余量上网”。微网的源网荷储优化控制运行模式为，减少弃风弃光率，降低微网运行成本，促进节能减排，实现技术、经济、环境等综合效益最大化。微网运营主体满足微网内部的负荷需求，对状态偏离、设备故障等事件具有不平衡校正能力，实现微网内部源网荷储各元件的自适应主动控制，符合电、热、气多种能源供应的安全可靠性和质量要求，实现微网独立/并网运行模式的平滑切换，有效减少微网和外部电网并联/脱离冲击。

微网的源网荷储一体化运营主体更加保障微网内能源供需实时平衡，保障微网的统一自治。源网荷储一体化优化控制运行、微平衡市场交易、内外两级购售电、网对网辅助服务、内外两级需求响应和新型备用容量机制的源网荷储一体化运营模式，为微网提供合理的投资回报途径。源网荷储一体化，将创新电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代电力系统探索发展路径，在这过程中有诸多技术问题需要创新和解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法。本发明目的是为了在园区用能中减少消耗公用电网电能，降低对电网的依赖，集中于电网低谷用电，为电网削峰填谷，实现碳中和，提供一种将新能源发电电源技术、电网技术、储能技术、冷热电转化系统与计算机、互联网技术的结合，进行源网荷储物联网融合，实现新能源发电、电网、储能、冷热电转化系统与环境以及源网荷储的多能互补状态信息实时的共享，实现智能化的源网荷储多能互补系统数据收集、传递、处理、执行，在园区用能中增加可再生能源成份，同时参与电网削峰填谷，使园区用户成本最低的源网荷储的多能互补供给系统及控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，包括新能源发电系统、储电系统、储热系统、燃料储存系统、燃料电池系统、电极锅炉系统、制冷系统和智慧能源管理系统，智慧能源管理系统分别通过信息网连通控制新能源发电系统、储电系统、储热系统、燃料储存系统、燃料电池系统、电极锅炉系统、制冷系统，并通过厂区内热网、电网、冷网、燃气网和信息网反馈并作用于客户端。

作为优选，所述新能源发电系统包括光伏发电机组、风力发电机组和并网逆变器，光伏发电机组和风力发电机组通过并网逆变器给厂区内电网供电。

作为优选，所述储电系统包括液流电池、PCS双向逆变器和电池管理系统，在谷电时段通过PCS双向逆变器进行充电，在非谷电时通过PCS双向逆变器进行放电，充放电过程由智慧能源管理系统控制。

作为优选，所述储热系统包括储热罐，电加热熔盐炉、换热器和水电加热器，电加热熔盐炉与水电加热器通过配电柜与厂区内电网连接，冷水管路通过三通阀分别进入水电加热器和换热器，产生蒸汽进入厂区热网供汽；同时换热器与燃料电池系统双向连接换热。

作为优选，所述燃料储存系统包括气体燃料储罐、气体压缩机，气体压缩机连接厂区内电网，用于压缩燃料电池系统产生的氢气，压缩后氢气储存于气体燃料储罐中，储存的氢气可供厂区内燃气网使用，或者进入燃料电池系统中进行发电。

作为优选，所述燃料电池系统通过配电柜与厂区内电网双向连接，燃料电池系统与厂区内燃气网连接，同时与燃料存储系统双向连接。

作为优选，所述电极锅炉系统通过配电柜与厂区内电网连接，产生的热水进入厂区内热网供厂区用户使用。

作为优选，所述制冷系统包括溴化锂机组和空调冷风机，溴化锂机组接收来自厂区内热网的蒸汽制冷，空调冷风机通过配电柜接通厂区内电网进行制冷，为厂区内用户提供冷源。

作为优选，所述智慧能源管理系统包括厂区内所有能源生产、储存、转化、利用设备的监测及控制系统、数据分析储存系统、反馈调节系统、显示平台。

一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统的控制方法，方法步骤为：

S1：电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电系统是否能为其供电，如果为是，接着判断负荷用电是否超过新能源供电量，如果仍为是，则进行新能源发电系统、储电系统、燃料电池系统的组合发电模式；如果负荷用电没有超过新能源供电量，则先判断储电系统的储电装置及燃料电池系统的燃料电池是否到达上限，如果为是，则新能源发电系统为负荷供电，且剩余电量并网，如果为否，则继续判断此时是否为低谷电时段，若仍为是，则利用低谷电为储电装置进行充电，为燃料电池储能，若此刻不是低谷电时段，则利用新能源发电系统为其充电；更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供电；

S2：电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电是否能为其供电，如果为否，接着判断储电装置、燃料电池是否能进行放电，如果为是，则利用其进行供电；如果为否，则判断此刻是否为低谷电时段，若为是，则此刻为储电装置进行充电，若为否，则使用燃料电池为负荷供电；更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供电；

S3：热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为是，接着判断热负荷在非低谷电时段是否超过熔盐储能供热量，若为是，则进行熔盐储热，电加热，电极锅炉加热的组合模式；若为否，采用熔盐储热为厂区供热；更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供热；

S4：热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为否，接着判断此时是否为低谷电时段，若为是，则采用低谷电为熔盐加热，同时供热切换为电加热或者电极锅炉加热；若为否，采用新能源供电系统、储电系统及燃料电池系统供电，用于电加热及电极锅炉供热，更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供热。

本发明的有益效果是：

将基于新能源发电系统、多种储能系统、冷热电转化系统等不同能源子系统有机耦合，综合利用太阳能、风能、天然气、电能等多种能源，智慧供应冷、热、电、气等多种能源介质，实现多能互补，提高系统能源利用效率、供能安全性和可靠性。该系统具备突出的技术效果、潜在经济效益和应用场景，主要体现在以下几点：

（1）整套系统具备多能储存系统与转化系统，能源输入来自于低谷电、新能源与清洁燃料，可满足园区/厂区冷热电等综合用能需求，且随着技术成熟与应用，该系统可逐步实现离网自供能，作为零碳园区供能解决方案；

（2）新能源等多种清洁能源的综合利用，多能储存系统增强供能系统的可靠性，进一步提高能源综合利用效率；

（3）适应冷、热、电多种能源需求，通过多能互补、储能调控和削峰填谷，有效调节供能系统输出、适应不同能源负荷的波动性，同时降低用能成本，具有良好的经济性；

（4）通过储能系统与各能源系统有机组合，可实现削峰填谷、并离网转换，降低和缓冲对电网的波动性影响，同时可作为燃料电池启动电源与热源，提高系统的稳定性和可靠性；

（5）通过智慧能源管理系统，整体式监测所有能源设备运行状况，获得能源出力与供能数据，分析预测供能与用能趋势，获得最优供能运行方案，并反馈控制各个能源供给、储能、转化设备，实现园区/厂区智能产能与耗能。

附图说明

图1为本发明的系统图

图2为本发明的能量来源输入示意图；

图3为本发明的储电系统示意图；

图4为本发明的储热系统示意图；

图5为本发明的供电系统的控制方法流程图；

图6为本发明的供热系统的控制方法流程图；

附图标记：1、新能源发电系统，11、光伏发电机组，12、风力发电机组，13、并网逆变器，2、储电系统，21、液流电池， 22、PCS双向逆变器，23、电池管理系统，3、储热系统，31、储热罐，32、电加热熔盐炉，33、换热器，34、水电加热器，4、燃料储存系统，41、气体燃料储罐，42、气体压缩机，5、固体氧化物燃料电池系统，6、电极锅炉系统，7、制冷系统，71、溴化锂机组，72、空调冷风机，8、智慧能源管理系统。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如图1-图2所示，一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统及控制方法，该基于源网荷储的多能互补智慧能源系统包含新能源发电系统1、储电系统2、储热系统3、燃料储存系统4、燃料电池系统5、电极锅炉系统6、制冷系统7、智慧能源管理系统8、通过各系统有机耦合配置，构建多能互补，多能供应的“零碳园区/工厂”。

所述新能源发电系统1包含了光伏发电机组11、风力发电机组12、并网逆变器13，所述发电机组通过并网逆变器13与配电控制系统连接。根据运行及负荷状况选择并网或者储存于储电系统2。

所述储电系统2，如图3所示，包含液流电池21、PCS双向逆变器22、电池管理系统23。在谷电时段通过逆变器22进行充电，在非谷电时储电系统进行放电。充放电控制由智慧能源管理系统8控制。液流电池内设置有冷却余热回收系统，冷却余热回收系统的冷却水来自厂区供暖回水网，吸收低品位热源后根据温度注入园区热网，循环使用。

所述储热系统3，如图4所示，包含了储热罐31，电加热熔盐炉32、换热器33、水电加热器34，其中电加热熔盐炉32与水电加热器34通过配电柜与厂区内电网连接，冷水管路通过三通阀分别进入水电加热器和换热器，产生蒸汽进入厂区热网供汽；同时换热器33与固体氧化物燃料电池5双向连接换热。

所述燃料储存系统4包括了气体燃料储罐41、气体压缩机42，其中气体压缩机连接内电网，用于压缩燃料电池5（逆反应制氢）产生的氢气，压缩后氢气储存于气体燃料储罐41，其中储存的氢气可供内燃气网使用，或者进入燃料电池5中进行发电。

所述燃料电池系统5，其将具备发电与制氢双向功能，通过配电柜与内电网双向连接，可内输/外供，其燃料系统与内燃气网连接，同时与燃料系统双向连接。反应后的高温尾气管道接入储热系统3，进行尾气余热回收，电解水制氢的蒸汽来自储热系统产生的蒸汽。

所述电极锅炉系统6，通过配电柜与内电网连接，产生的热水进入内热网供厂区用户使用。

所述制冷系统7包括了溴化锂机组71、空调冷风机72，溴化锂机组71接来自热网蒸汽制冷，空调冷风机72通过配电柜接内电网进行制冷，为园区提供冷源。

所述智慧能源管理系统8包括了园区所有能源生产、储存、转化、利用设备的监测及控制系统、数据分析储存系统、反馈调节系统、显示平台。在保证区域内各能源系统的安全、经济、稳定运行前提下，一体化综合能源管理技术根据能源负荷需求、各分布式能源发电情况、天气情况、电价和气价信息，以分布式能源系统最小的运行成本、排放成本、网损成本以及停电成本为目标函数，以可靠性、网损、系统电压电流、设备容量、供电平衡技术为运行约束川，为分布式能源、储能以及负荷等提供合理的参考运行点，统一协调各分布式能源和负荷等设备，调控区域内分布式能源系统与大电网的电量交换。

根据园区冷热电负荷统计以及未来增降区间，设置系统中能源生产、储存、转化、利用设备的规模及参数，原则上，园区外供能源来自于新能源发电系统1、外电网谷电以及燃气网进行调节补充。

在具体实施时，本智慧能源系统及控制方法的流程如下：

如图5所示，电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电系统是否能为其供电，如果为是，接着判断负荷用电是否超过新能源供电量，如果仍为是，则进行新能源发电系统、储电系统、燃料电池系统的组合发电模式。如果负荷用电没有超过新能源供电量，则先判断储电装置及燃料电池是否到达上限，如果为是，则新能源为负荷供电，且剩余电量并网，如果为否，则继续判断此时是否为低谷电时段，若仍为是，则利用低谷电为储电装置进行充电，为燃料电池储能，若此刻不是低谷电时段，则利用新能源发电为其充电。更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，该智慧能源系统持续为园区进行供电。

电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电是否能为其供电，如果为否，接着判断储电装置、燃料电池装置是否能进行放电，如果为是，则利用其进行供电；如果为否，则判断此刻是否为低谷电时段，若为是，则此刻为储电装置进行充电，若为否，则使用燃料电池为负荷供电。更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，该智慧能源系统持续为园区进行供电。

如图6所示，热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为是，接着判断热负荷是否超过熔盐储能供热量（非低谷电时段），若为是，则进行熔盐储热，电加热，电极锅炉加热的组合模式；若为否，采用熔盐储热为厂区供热。更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，该智慧能源系统持续为园区进行供热。

热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为否，接着判断此时是否为低谷电时段，若为是，则采用低谷电为熔盐加热，同时供热切换为电加热或者电极锅炉加热；若为否，采用新能源供电、储电系统及燃料电池供电，用于电加热及电极锅炉供热。更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，该智慧能源系统持续为园区进行供热。

本实例中新能源发电系统1将太阳能、风能转换为电能，电能通过并网逆变器13转换为交流电力，接入配电控制系统5，供园区用电负荷，新能源发电系统发电应用尽用。

本实例中低谷电时段，厂区除新能源供电外，其余用电全部使用外电网调峰电力，同时对储电系统2进行充电、对储热系统3进行电加热储热同时供蒸汽，燃料电池5利用低谷电进行电解水蒸气制氢，氢气储存于燃料储存系统4中。

本实例中尖峰与平价时段时，用电离网，园区用电来自于新能源发电系统1、储电系统2放电、燃料电池5将燃料储存系统中氢气转化为电能，发电量不够时，将燃气网中燃气通入燃料电池5中进行发电。

本实例中储电系统2中，通入热网回水进行低品位热源回收；在谷电时段对储热系统3加热时，电加热熔盐与电加热水蒸气可用于谷电时段蒸汽供应。谷电时段燃料电池5电解水制氢的水蒸气来源于储热系统3；尖电时段燃料电池5放电时，产生的高温气进入储热系统3与熔盐换热储存在熔盐中，实现余热回收。

本实例中电极锅炉6可将电能转化为热能为园区供热水，制冷系统7可以将蒸汽与电能分别转化为冷负荷，供园区使用，根据冷热电负荷，调节溴化锂与空调冷风机出力状态。

本实例中智慧能源管理系统8包括了园区所有能源生产、储存、转化、利用设备的监测及控制系统、数据分析储存系统、反馈调节系统、显示平台。在保证区域内各能源系统的安全、经济、稳定运行前提下，一体化综合能源管理技术根据能源负荷需求、各分布式能源发电情况、天气情况、电价和气价信息，以分布式能源系统最小的运行成本、排放成本、网损成本以及停电成本为目标函数，以可靠性、网损、系统电压电流、设备容量、供电平衡技术为运行约束川，为分布式能源、储能以及负荷等提供合理的参考运行点，统一协调各分布式能源和负荷等设备，调控区域内分布式能源系统与大电网的电量交换，以达到经济运行，节能减排的目的。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，其包括新能源发电系统、储电系统、储热系统、燃料储存系统、燃料电池系统、电极锅炉系统、制冷系统和智慧能源管理系统，智慧能源管理系统分别通过信息网连通控制新能源发电系统、储电系统、储热系统、燃料储存系统、燃料电池系统、电极锅炉系统、制冷系统，并通过厂区内热网、电网、冷网、燃气网和信息网反馈并作用于客户端。

2.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述新能源发电系统包括光伏发电机组、风力发电机组和并网逆变器，光伏发电机组和风力发电机组通过并网逆变器给厂区内电网供电。

3.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述储电系统包括液流电池、PCS双向逆变器和电池管理系统，在谷电时段通过PCS双向逆变器进行充电，在非谷电时通过PCS双向逆变器进行放电，充放电过程由智慧能源管理系统控制。

4.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述储热系统包括储热罐，电加热熔盐炉、换热器和水电加热器，电加热熔盐炉与水电加热器通过配电柜与厂区内电网连接，冷水管路通过三通阀分别进入水电加热器和换热器，产生蒸汽进入厂区热网供汽；同时换热器与燃料电池系统双向连接换热。

5.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述燃料储存系统包括气体燃料储罐、气体压缩机，气体压缩机连接厂区内电网，用于压缩燃料电池系统产生的氢气，压缩后氢气储存于气体燃料储罐中，储存的氢气可供厂区内燃气网使用，或者进入燃料电池系统中进行发电。

6.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述燃料电池系统通过配电柜与厂区内电网双向连接，燃料电池系统与厂区内燃气网连接，同时与燃料存储系统双向连接。

7.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述电极锅炉系统通过配电柜与厂区内电网连接，产生的热水进入厂区内热网供厂区用户使用。

8.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述制冷系统包括溴化锂机组和空调冷风机，溴化锂机组接收来自厂区内热网的蒸汽制冷，空调冷风机通过配电柜接通厂区内电网进行制冷，为厂区内用户提供冷源。

9.根据权利要求1所述一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统，其特征是，所述智慧能源管理系统包括厂区内所有能源生产、储存、转化、利用设备的监测及控制系统、数据分析储存系统、反馈调节系统、显示平台。

10.根据权利要求1所述的一种基于源网荷储的多能互补智慧能源系统的控制方法，其特征是，其方法步骤为：

S1：电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电系统是否能为其供电，如果为是，接着判断负荷用电是否超过新能源供电量，如果仍为是，则进行新能源发电系统、储电系统、燃料电池系统的组合发电模式；如果负荷用电没有超过新能源供电量，则先判断储电系统的储电装置及燃料电池系统的燃料电池是否到达上限，如果为是，则新能源发电系统为负荷供电，且剩余电量并网，如果为否，则继续判断此时是否为低谷电时段，若仍为是，则利用低谷电为储电装置进行充电，为燃料电池储能，若此刻不是低谷电时段，则利用新能源发电系统为其充电；更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供电；

S2：电负荷接入时需先获取负荷信息，判断新能源发电是否能为其供电，如果为否，接着判断储电装置、燃料电池是否能进行放电，如果为是，则利用其进行供电；如果为否，则判断此刻是否为低谷电时段，若为是，则此刻为储电装置进行充电，若为否，则使用燃料电池为负荷供电；更新各系统供电及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供电；

S3：热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为是，接着判断热负荷在非低谷电时段是否超过熔盐储能供热量，若为是，则进行熔盐储热，电加热，电极锅炉加热的组合模式；若为否，采用熔盐储热为厂区供热；更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供热；

S4：热负荷接入时需先获取负荷信息，判断熔盐储热是否满足热负荷，如果为否，接着判断此时是否为低谷电时段，若为是，则采用低谷电为熔盐加热，同时供热切换为电加热或者电极锅炉加热；若为否，采用新能源供电系统、储电系统及燃料电池系统供电，用于电加热及电极锅炉供热，更新各系统供热及运行信息，信息反馈优化，持续为园区进行供热。

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