CN115001009A - 一种风光网储一体化智能供电调节控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源供电技术领域，公开了一种风光网储一体化智能供电调节控制系统及方法，该控制系统包括直流母线、电网、热储能系统、控制模块，还包括分别与所述直流母线电相连的用电装置、光伏阵列、风力发电机、电池、加热器、整流/逆变双向变流装置，所述整流/逆变双向变流装置与所述电网电相连，所述加热器、所述热储能系统、所述电网依次电相连，所述整流/逆变双向变流装置与所述控制模块电相连。本发明解决了现有技术存在的电力供应波动性大、电力稳定性较低、自动化调节程度低等问题。

Description

一种风光网储一体化智能供电调节控制系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源供电技术领域，具体是一种风光网储一体化智能供电调节控制系统及方法。

背景技术

光伏、风能发电受制于光资源和风资源的供应波动性，导致发电电力供应波动性大，同时电网公司希望用户通过调节用电负荷，储能等手段在用户侧对风、光电的波动性进行消纳。

氢作为一种绿色的二次能源，被认为时全球可再生能源大规模发展的重要载体。但是氢的缺点也较为明显：易泄漏，易爆炸，液化需低温，高压储氢安全性低等问题，不易运输。将氢气同氮气混合为合成气储存，再进一步合成氨将很大程度降低危险性，提高安全性并降低运输难度。

锂电池储能已开始大规模应用，可以部分解决风光新能源削峰填谷和电网一次调频问题。单受制于电池储能的高成本，以及生产电池需要的矿产资源的限制，过于大规模的电池储能会让项目投资激增，盈利能力大幅降低。

熔盐光热发电已经可以实现较为稳定的持续发电。但光热发电效率低，光镜阵列占地面积大投资高。过于大规模的应用经济效益不高。

中国专利CN111934348A提出了一种光伏电站分散式制氢于共享式储能直流侧接入系统，但该方案采用直接储氢的方案不能解决储氢安全性问题，该方案仅采用电池一种储能手段。

中国专利CN110880788A提出了一种大规模风光储互补微电网并网系统及其控制方法，但该方案并未同步考虑调节用电侧的用电功率。

中国专利CN113346563A提出了一种风光储氢交直流混联配电能量路由控制方法，但是该方案未结合光热熔盐或导热油的储能方式。

现有技术存在电力供应波动性大、电力稳定性较低、自动化调节程度低等问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种风光网储一体化智能供电调节控制系统及方法，解决现有技术存在的电力供应波动性大、电力稳定性较低、自动化调节程度低等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，包括直流母线、电网、热储能系统、控制模块，还包括分别与所述直流母线电相连的用电装置、光伏阵列、风力发电机、电池、加热器、整流/逆变双向变流装置，所述整流/逆变双向变流装置与所述电网电相连，所述加热器、所述热储能系统、所述电网依次电相连，所述整流/逆变双向变流装置与所述控制模块电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述控制模块电相连的光伏变流调功装置，所述光伏阵列、所述光伏变流调功装置、所述直流母线依次电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述控制模块电相连的整流装置，所述风力发电机、所述整流装置、所述直流母线依次电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括电池储能调功装置，所述电池、所述电池储能调功装置、所述直流母线依次电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述控制模块电相连的电加热调功装置，所述加热器、所述电加热调功装置、所述直流母线依次电相连。

作为一种优选的技术方案，所述加热器为熔盐加热器或导热油加热器。

作为一种优选的技术方案，所述热储能系统包括斯特林发电机组、热媒介罐、冷媒介罐、蒸汽发生器、溴化锂制冷机组，加热器、热媒介罐、斯特林发电机组、电网依次连接，热媒介罐、蒸汽发生器、溴化锂制冷机组依次连接，斯特林发电机组还与蒸汽发生器、冷媒介罐依次连接，冷媒介罐还与加热器电连接。

作为一种优选的技术方案，所述用电装置为制氢电解槽。

一种风光网储一体化智能供电调节控制方法，基于所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，控制模块的功率控制目标等式为：

P₁+P₂＝(P₃+P₄)+L₂₁+L₂₂，

其中，P₁为采集的光伏阵列发出的有功功率；P₂为采集的风力发电机发出的有功功率；L₂₁为并入电网的有功功率；L₂₂为送入用电装置的有功功率；P₃为实时调节的锂电池的储能有功功率；P₄为实时调节的热储能装置的有功功率；P₁、P₂不可调节,P₃、P₄、L₂₁、L₂₂可以调节。

作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：

如P₁和P₂发生变化时，控制模块按照P₃－＞P₄－＞L₂₂－＞L₂₁的先后顺序调节功率。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明采用智能联合调节系统，检测风、光实时发电功率后，调节电化学储能，热储能功率大小，和电解水制氢的用电功率，使得合成氨等化工装置的供电基本稳定，与电网的电力交换幅度降低保持基本稳定；电力供应波动性小、电力稳定性高、自动化调节程度高；

(2)本发明采用工作流程较短的斯特林循环发电机组将熔盐储备的热能转化为电能；比传统蒸汽轮机发电机组启动速度快，调节能力强，且无需配置大规模的水系统；适合风、光资源丰富但水资源相对缺乏的广大北方地区；

(3)本发明将两种储能系统结合，既满足快速小规模的储、释能得需求，又满足中长期，中大规模的储能需求；

(4)本发明将储备的热能充分利用，既可以转换为电能，也可以通过蒸汽发生器，为厂区和居民区供暖；还可以经溴化锂制冷机组利用蒸汽供冷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、光伏阵列，2、光伏变流调功装置，3、风力发电机，4、整流装置，5、直流母线，6、用电装置，7、电池储能调功装置，8、加热调功装置，9、加热器，10、整流/逆变双向变流装置，21、电网，22、斯特林发电机组，23、热媒介罐，24、冷媒介罐，25、蒸汽发生器，26、溴化锂制冷机组，27、电池。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，研究了一种系统将光伏电、风电、电网电和光热储能发电结合到一起，采用先进的跟踪控制策略，以稳定和少用电网电为目标，为电解水制氢和合成氨等化工装置提供了一种稳定、可靠的的风、光、网、储联合供电系统和调节控制网络。

以一台制氢电解槽为基本的新能源单元，每个单元含光伏阵列1、光伏变流调功装置(本实施例为DC/DC光伏调功装置)、风力发电机3、整流装置4、电池储能调功装置7(本实施例为电化学储能装置)、电池27(本实施例为锂电池)、加热调功装置8(本实施例为DC/DC电加热调功装置)、加热器9(本实施例为熔盐/导热油电加热器)，通过直流母线5结合为一个整体，再通过整流/逆变双向变流装置10(IGBT整流/逆变双向变流装置)与电网21和化工配电网联接。

熔盐/导热油电加热器9、斯特林发电机组22、热媒介罐23、冷媒介罐24、蒸汽发生器25构成热储能系统。溴化锂制冷机组26可替代传统空调系统。

多个新能源单元与热储能系统及其控制系统组成基于新能源供电和化工装置耦合的风光网储一体化智能供电网络。

本发明的运行基本原理如下：

1、本装置采用直流母线汇流，汇流后的直流电提供给制氢电解槽作为碱水制氢的电解电源。制氢电解槽(用电装置6)、风力发电机3分布式布置入光伏阵列1中。

2、附近光伏电场的光伏阵列1产生的直流电经过光伏变流调功装置2进行稳压调节后汇入直流母线。

3、利用大型可控硅整流装置4将风力发电机3产生的交流电整流为直流电汇入直流母线5。

4、利用IGBT整流/逆变双向变流装置，在光伏阵列1和风力发电机3无法为制氢电解槽提供足够的电量时，将电网的交流电整流为直流电补入直流母线5。当大于制氢电解槽用电时，多余电能通过IGBT整流/逆变双向变流装置逆变为交流电，给化工装置及辅机提供动力电或回送至电网。IGBT整流/逆变双向变流装置可整流、逆变双向工作。

5、电网电源保证了化工装置电源的可靠性，达到了国家标准的要求。

6、直流母线5给为熔盐或导热油电加热器9提供直流电源。电加热器经由DC/DC电加热器调功装置调节后给熔盐或导热油加热，并经管道送至热媒介罐23进行热储能。调整DC/DC电加热调功装置可以调节熔盐/导热油加热器9的加热功率。进而控制热储能装置的储能电力大小。

7、热熔盐或导热油储存的热能经斯特林发电机组22释放为交流电供应至交流电系统，还可以通过蒸汽发生器25，在冬季将水转化为化工生产和居民采暖所需的蒸汽；在夏季，蒸汽驱动溴化锂制冷机组26供为化工厂区和居民区供冷，替代了传统的电驱动空调系统可节约大量电能。

8、电化学储能装置由锂电池作为储能元件，通过直流母线储能或释能。电化学储能装置在装置技术能力范围内，可以即时储能或释放电能，调节储能和释能的电力大小。

9、电网调频异常需要调频时，如果电网频率高于基准频率，先调大熔盐或导热油加热器的功率吸收富裕能量，电化学储能装置具备储能空间投入储能，如频率较长时间没有恢复时，增加制氢装置功率提高制氢装置的生产率直至储氢装置储满，再进一步提高合成氨等化工装置的生产率，增加整个化工厂用电，减少注入电网的电力以起到调频的作用。如果电网频率低于基准频率，先调小熔盐或导热油加热器的功率，电化学储能装置如储备有能量投入释能，仍不足时储备的熔盐/导热油热能可经斯特林发电机组释放。如频率较长时间没有恢复时，联合控制系统还将降低化制氢装置的生产率直至储备的氢气不足时，再进一步减少合成氨等化工装置的生产率，以降低用电。

调频的原则：热储能在调频时主要作用时吸能，通过改变自己的吸能大小来调节送入电网的电力；电化学储能为释放额外电能的主要手段；斯特林发电机为释放额外电能的备用手段。调节制氢装置的生产率主要用于大电量，时间不长的电力调整。改变合成氨等化工装置的产能是迫不得已，较长时间的电力调整通常维持一周。

10、工厂正常运行时，日间通过调节储能装置吸收能量功率，根据电网新能源生产调度的要求。吸收掉风光发电的波峰电力，维持上网电力的基本稳定，遇到日间阴雨、低风天气，发电大幅降低时，依次减小或停止电化学储能，熔盐/导热油储能，仍然达不到发电和用电平衡时，释放电化学储能，投入斯特林发电机组，再调低制氢电解槽的用电来来达到平衡。合成氨等化工装置的生产以提前储备的合成气罐供给。夜间通过调节储能装置释放能量的功率，根据电网对新能源生产调度的要求。填补风光发电的波谷电力，维持下网电力的基本稳定。

11、智能耦合调节系统的应用场景：a.风光资源充足，且瞬时发电电力有波动但都大幅大于化工用电时。通过在发电波峰处调大电化学储能系统和热储能系统的功率，吸收大部分不稳定的波峰电量并存储，使得电解槽的直流供电稳定，再配合调节IGBT整流逆变交直流双向变流装置，将直流电逆变为交流电向电网稳定反馈电力。b.在风光资源略不足，风光发电瞬时电力大多数时间小幅大于化工用电，少量短时低于化工装置用电时，在波谷处调小储能系统的功率，减小波谷的幅值，并通过AC/DC电网少量补充电力缺口。c.在风光资源短时不足，电力较大幅度低于化工装置用电时，储能装置根据发电情况，电化学储能装置首先放电释能，热储能装置释放热能使斯特林发电机组工作发电，不足部分再通过交流供电系统从电网补充。d.在风光资源长时间不足，达到储能系统保障最大时长，同时电力系统无法保障化工厂全产能运行时，综合控制系统调低化工装置生产率减少对电网的电力依赖。e.在风光资源长时间充足，达到储能装置上限时，综合控制系统提升化工生产率至最大减少新能源电力对电网冲击。

12、控制系统的控制方案：

实时采集得到光伏阵列光发电功率P₁和风力发电机功率P₂。

功率控制目标等式为：

P₁+P₂＝(P₃+P₄)+L₂₁+L₂₂；

上式中:P₁为采集的光伏阵列发出的有功功率；P₂为采集的风力发电机发出的有功功率；L₂₁为并入电网的功率；L₂₂为送入制氢电解槽的功率；P₃为实时调节的锂电池的储能功率；P₄为实时调节的热储能装置的功率。

其中P₁和P₂不可调节,P₃、P₄、L₂₁、L₂₂可以调节。

假定某时刻控制目标等式刚好平衡；如发生P₁和P₂变化时，控制系统按照P₃－＞P₄－＞L₂₂－＞L₂₁的顺序调节各系统功率；

P1和P2的发电变化量：ΔE＝|(P₁₁+P₂₁)-(P₁₂+P₂₂)|；

其中P₁₁和P₂₂为P₁和P₂在某时刻功率值，P₁₂和P₂₂为P₁和P₂在增加Δt时间后的功率值。

发电变化率％E＝ΔE/Δt，锂电池每Δt时间最大可调节的储能电功率为ΔE_p3max，电池储能功率最大变化率％E_p3max＝ΔE_p3max/Δt；熔盐每Δt时间最大可调节的储能有功功率为ΔE_p4max，熔盐储能有功功率最大变化率％E_p4max＝ΔE_p4max/Δt。制氢装置每Δt时间可调节的有功功率为ΔE_L22max,制氢装置最大有功功率变化率％E_L22max＝ΔE_L22max/Δt。

当％E＞％E_p3max+％E_p4max+％E_L22ma时，电池储能、熔盐储能及制氢装置，按照各自最大的变化率％E_p3max+％E_p4max+ΔE_L22max调节功率。富裕电功率调节通过增大L₂₁，提高送往电网的电能。

当％E_p3max+％E_p4max+％E_L22m＞％E＞％E_p3max+％E_p4max时，电池储能，熔盐储能以各自最大变化率％E_p3max+％E_p4max调节，制氢装置按变化率％E_L22－1调节。使得电池、熔盐、制氢功率变化率和与发电变化率一致即％E＝％E_L22－1+％E_P3max+％E_P4max。

当％E_p3max+％E_p4max＞％E＞％E_p3max时，电池储能以最大变化率％E_p3max调节，熔盐储能装置按变化率％E_P4－1调节。使得电池、熔盐储能功率变化率和与发电变化率一致，即％E＝％E_P3max+％E_P4－1。

当％E_p3max＞％E时，电池储能以变化率％E_p3－1调节，使得电池储能功率变化率和与发电变化率一致，即％E＝％E_P3－1。

本发明有以下特点：

1.采用对DC/DC调功装置对发电设备的功率和电加热器功率进行调节。

2.采用电加热器加热熔盐或导热油实现热储能。

3.采用IGBT整流逆变双向装置，实现既可以给电网送电也可以从电网取电。

4.采用斯特林发动机驱动发电机发电实现热储能向电能的转换。

5.热储能释放生产的蒸汽推动溴化锂制冷机组替代传统制冷空调。

6.制氢装置和热储能加热装置分布式布置入风光电场。

7.采用智能联合调节系统，检测风、光实时发电功率后，调节电化学储能，热储能功率大小，和电解水制氢的用电功率，使得合成氨等化工装置的供电基本稳定，与电网的电力交换幅度降低保持基本稳定。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，包括直流母线(5)、电网(21)、热储能系统、控制模块，还包括分别与所述直流母线(5)电相连的用电装置(6)、光伏阵列(1)、风力发电机(3)、电池(27)、加热器(9)、整流/逆变双向变流装置(10)，所述整流/逆变双向变流装置(10)与所述电网(21)电相连，所述加热器(9)、所述热储能系统、所述电网(21)依次电相连，所述整流/逆变双向变流装置(10)与所述控制模块电相连。

2.根据权利要求1所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，还包括与所述控制模块电相连的光伏变流调功装置(2)，所述光伏阵列(1)、所述光伏变流调功装置(2)、所述直流母线(5)依次电相连。

3.根据权利要求2所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，还包括与所述控制模块电相连的整流装置(4)，所述风力发电机(3)、所述整流装置(4)、所述直流母线(5)依次电相连。

4.根据权利要求3所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，还包括电池储能调功装置(7)，所述电池(27)、所述电池储能调功装置(7)、所述直流母线(5)依次电相连。

5.根据权利要求4所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，还包括与所述控制模块电相连的电加热调功装置(8)，所述加热器(9)、所述电加热调功装置(8)、所述直流母线(5)依次电相连。

6.根据权利要求5所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，所述加热器(9)为熔盐加热器或导热油加热器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，所述热储能系统包括斯特林发电机组(22)、热媒介罐(23)、冷媒介罐(24)、蒸汽发生器(25)、溴化锂制冷机组(26)，加热器(9)、热媒介罐(23)、斯特林发电机组(22)、电网(21)依次连接，热媒介罐(23)、蒸汽发生器(25)、溴化锂制冷机组(26)依次连接，斯特林发电机组(22)还与蒸汽发生器(25)、冷媒介罐(24)依次连接，冷媒介罐(24)还与加热器(9)电连接。

8.根据权利要求7所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，其特征在于，所述用电装置(6)为制氢电解槽。

9.一种风光网储一体化智能供电调节控制方法，其特征在于，基于权利要求5至8任一项所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制系统，控制模块的功率控制目标等式为：

P₁+P₂＝(P₃+P₄)+L₂₁+L₂₂，

其中，P₁为采集的光伏阵列(1)发出的有功功率；P₂为采集的风力发电机(3)发出的有功功率；L₂₁为并入电网(21)的有功功率；L₂₂为送入用电装置(6)的有功功率；P₃为实时调节的锂电池的储能有功功率；P₄为实时调节的热储能装置的有功功率；P₁、P₂不可调节,P₃、P₄、L₂₁、L₂₂可以调节。

10.根据权利要求9所述的一种风光网储一体化智能供电调节控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如P₁和P₂发生变化时，控制模块按照P₃－＞P₄－＞L₂₂－＞L₂₁的先后顺序调节功率。

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