CN204407890U - 一种可再生能源冷热电微网系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可再生能源冷热电微网系统，包括：电模块和冷/热模块；电模块包括：太阳能发电系统依次串联DC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，风力发电系统依次串联AC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，燃气内燃发电系统直接接入交流母线，蓄电池组经双向DC-AC变换器后接入交流母线，可变功率电储热水箱与交流母线相连，交流母线经PCC与配电网相连接。本实用新型有益效果：冷热电微网采用清洁可再生能源沼气、风能、太阳能为能量来源，对环境无任何污染，且运行成本很低，适用范围较广。多微源供能方式，可解决单一供能系统容量配置冗余问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及可再生能源发电技术领域，特别是一种多种能源驱动的可再生能源冷热电微网系统。
背景技术
1、冷热电微网系统是建立在能量梯级利用和各微源相互协调运行的基础上，多能源形式相互配合，可同时向用户提供冷、热、电三种能量，不仅可以提高系统的运行效率，减少能源浪费，还可以大大提高系统运行的稳定性。
2、我国冷热电联供系统大多利用燃气轮机作为原动机，但当容量较小时(如30kW～50kW等级)，内燃机相比微型燃气轮机无论是在效率和性能上还是在成本上都具有明显的优势。内燃机发电机组的电效率一般在30％以上，明显高于燃气轮机，运行负荷特性好，价格低廉，启动迅速，易于国产化和大规模推广。因此，内燃机在小型分布式供能系统中具有得天独厚的优势和广泛的应用前景。
3、用内燃机作为原动机驱动同步发电机发电，会有约三分之二的能量转化为热量依附于烟气和缸套水之中。如果仅仅考虑电能的使用，高温烟气和缸套热水中的热量排放于环境之中，则造成大量热能浪费。而冷热电联供系统可以利用内燃发电机组产生电能，配合使用余热回收装置、溴化锂吸收式制冷机等，充分利用内燃机排出的高温烟气和缸套热水产生冷水和热水，满足用户冷、热、电负荷需求。
4、通过对现有专利进行检索，发现公布号为CN 103034204A的实用新型专利：一种冷热电联供系统及调度方法，该系统由以天然气为燃料，采用燃气轮机驱动发电机供电，由电空调、蓄冰空调供冷，余热回收装置供热。该系统能量来源单一，配置容量时若考虑峰值负荷，存在系统配置冗余问题；缺少储热装置，电热完全耦合，容易造成能源的浪费；采用电制冷方式，夏季时热负荷需求较小，大量热能被浪费，系统能源利用率较低。公开号CN101055121A的实用新型专利，微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其热能主要来源于太阳能集热器，系统受天气因素制约，有效运行时间较短。
通过对现有系统和专利的分析，目前冷热电联供系统，供能单元主要是燃气轮机、内燃机或太阳能集热器。然而采用太阳能集热器作为热量来源，系统受天气因素制约严重，无法保证系统的运行时间和能量稳定输出。而单一的燃气轮机或燃气内燃机做系统原动机，系统通常采用“以热定电”或“以电定热”模式。由于内燃发电机组电、热输出具有强耦合性，无论采用何种运行模式，都无法保证电、热的全部利用。并且两种模式都需要实时调整燃气轮机或内燃机出力，因此系统可靠性较差，机组不能始终运行于高效区，能源利用率较低，而且还会影响内燃机寿命。
目前的微电网系统大多仅仅考虑电能的控制和使用，然而仅由光电、风电、储能组成的微网系统受天气影响较大，若不能上网，还会造成电能的浪费。而配置内燃发电机单元的微网系统往往不考虑余热回收，造成大量热能损失。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了一种可再生能源冷热电微网系统，利用太阳能、风能与清洁燃气发电相结合，配置换热器、溴化锂吸收式制冷机、储热、储冷水箱等，通过各系统单元的相互配合，为负荷提供冷、热、电三种形式的能源，有利于系统运行的稳定性与经济性，保证系统的可靠运行。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种可再生能源冷热电微网系统，包括：电模块和冷/热模块；所述电模块连接在交流母线上，冷/热模块由储热水箱作为能量中转装置；系统能够根据实际需要运行于冷热电三联供运行模式或者热电联供模式；
所述电模块包括：太阳能发电系统、风力发电系统、燃气内燃发电系统、蓄电池组以及可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ；太阳能发电系统依次串联DC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，风力发电系统依次串联AC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，燃气内燃发电系统直接接入交流母线，蓄电池组经双向DC-AC变换器后接入交流母线，可变功率电储热水箱与交流母线相连，交流母线经PCC与配电网相连接。
所述冷/热模块包括：太阳能集热器、燃气内燃机、可变功率电储热水箱Ⅰ、可变功率电储热水箱Ⅱ、储冷水箱、烟-水换热器、水-水换热器Ⅰ、水-水换热器Ⅱ、蓄水池以及热水型溴化锂制冷机；燃气内燃机与烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别连通，所述烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通，所述太阳能集热器与蓄水池连通后，分别与烟-水换热器、水-水换热器Ⅰ、可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通；
所述热水型溴化锂制冷机与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ分别连通，所述热水型溴化锂制冷机一端依次串联连接水-水换热器Ⅱ、储冷水箱后接入空调系统，热水型溴化锂制冷机另一端与冷却塔连通。
所述溴化锂制冷机冷冻水经水-水换热器Ⅱ后回流，形成A侧循环；所述水-水换热器Ⅱ与储冷水箱连通，形成B侧循环。
所述热水型溴化锂制冷机的驱动热水由可变功率电储热水箱Ⅰ提供，通过热水型溴化锂制冷机的热水做功后温度变低，通入可变功率电储热水箱Ⅱ以提供生活卫生热水或者再次加热升温。
系统运行于冷热电三联供运行模式时，风力发电系统与太阳能发电系统始终工作于最大功率输出状态；燃气内燃发电系统在并网运行时采用PQ控制，在离网运行时，由燃气内燃发电系统和蓄电池组共同为系统提供电压频率支撑，其中以燃气内燃发电系统为主，蓄电池组起辅助过渡作用；
将烟-水换热器输出热水温度在设定温度A以上的通入可变功率电储热水箱Ⅰ存储；将太阳能集热器输出的设定温度A以上的热水通入可变功率电储热水箱Ⅰ存储，将太阳能集热器输出的设定温度[B，A]范围内的热水通入可变功率电储热水箱Ⅱ存储；将燃气内燃发电系统经水-水换热器Ⅰ产生的设定温度B以上的热水通入可变功率电储热水箱Ⅱ存储；
可变功率电储热水箱Ⅰ向溴化锂制冷机提供驱动热水，同时根据负荷状况提供生活卫生热水，可变功率电储热水箱Ⅱ提供生活卫生热水。
系统运行于热电联供模式时，溴化锂制冷机停止运行，联供系统仅提供电、热两种能量形式；与冷热电三联供运行模式相同，风力发电系统与太阳能发电系统始终工作于最大功率输出状态；燃气内燃发电系统在并网状态下采用PQ控制，在离网状态下，由燃气内燃发电机组与蓄电池组共同为系统提供电压频率支撑，其中以内燃发电机为主，蓄电池组为辅；
可变功率电储热水箱Ⅰ顶端为热水入口，底端经管道连接可变功率电储热水箱Ⅱ顶端，可变功率电储热水箱Ⅰ满水时，可变功率电储热水箱Ⅱ才有热水进入，热水的使用顺序则是优先使用可变功率电储热水箱Ⅱ中的热水。
本实用新型的有益效果是：
1、冷热电微网采用清洁可再生能源沼气、风能、太阳能为能量来源，对环境无任何污染，且运行成本很低，适用范围较广。多微源供能方式，可解决单一供能系统容量配置冗余问题。
2、采用双储热水箱，可以将热水按温度范围分开存储，实现不同温度热水的能量梯级利用，相比单一分层式储热水箱储能效果更好。
3、储热水箱具有电加热功能，且功率连续可调。离网运行时可根据负荷及发电量的变化实时调节电加热功率，能够作为可变负荷保持系统功率平衡，从而保证系统电压频率的稳定，能够避免频繁调节内燃发电机组的出力，提高发电机组运行寿命和运行效率。此外，储热水箱作为系统消纳多余电能的新途径，可减少微网中蓄电池的配置容量，降低系统成本。而并网运行时，同样可根据负荷需要及峰谷电价，在选定时间段内对水箱进行加热，提高系统经济性。
4、内燃机缸套热水，溴化锂制冷机冷冻水通过换热器置换出热水、冷水。外在负荷变化时，利用水箱的缓冲、存储作用，保证内燃机和制冷机在高效区运行。
5、内燃发电机组的输出功率采用“阶梯控制”方式，以X(kW)为单位(X的数值可由负荷曲线变化率确定)，系统电功率超出负荷需求的部分由电储热水箱消纳。这种控制方式可以解决内燃发电机组运行滞后的难题，同时大大降低了内燃发电机组控制难度和控制频率，有效提高了机组寿命。
附图说明
图1为本实用新型可再生能源冷热电微网系统夏季运行结构图；
图2为本实用新型可再生能源冷热电微网系统冬季运行结构图；
图3为本实用新型可再生能源冷热电微网系统春秋季运行结构图；
图4为本实用新型允许电能输送大电网(即上网状态)情况下系统控制流程图；
图5为本实用新型不允许电能输送大电网(即不上网状态)情况下系统控制流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：
冷热电微网系统由电模块和冷/热模块两大部分构成。
电模块包括太阳能电池板、风力发电机、燃气内燃发电机组、蓄电池组、电储热水箱、电负荷等。各发电、储能单元由交流母线(380V、50Hz)连接在一起。具体连接方式如图1所示：太阳能发电系统经DC-DC-AC变换后连接于交流母线，风力发电机经AC-DC-AC变换后连接于交流母线，燃气内燃发电机组直接接入交流母线，蓄电池组经双向DC-AC变换器与交流母线相连。交流母线经PCC与配电网相连接。电储热水箱与交流母线相连，并且功率连续可调。
系统冷/热模块主要包括太阳能集热器、燃气内燃发电机组、储热水箱、储冷水箱、换热器、热水型溴化锂制冷机。其它组件包括管道、水泵、阀门、蓄水池、风机盘管等。
燃气内燃发电系统与烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别连通，烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通，太阳能集热器与蓄水池连通后，与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通；热水型溴化锂制冷机与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ分别连通，热水型溴化锂制冷机一端依次串联连接水-水换热器Ⅱ、储冷水箱后接入空调系统，热水型溴化锂制冷机另一端与冷却塔连通。
燃气内燃发电机组产生的高温烟气通入烟-水换热器，置换出的热水选择性通入可变功率电储热水箱Ⅰ或可变功率电储热水箱Ⅱ，换热后的烟气直接排入大气。内燃机缸套热水通入水水换热器Ⅰ，回水流入内燃机，B侧经换热后通入可变功率电储热水箱Ⅱ。太阳能集热器在出水温度达到设定值时，选择性通入可变功率电储热水箱Ⅰ或可变功率电储热水箱Ⅱ。太阳能集热器和烟—水换热器入水可以来自蓄水池，也可以来自电储热水箱。热水型溴化锂制冷机驱动热水来自可变功率电储热水箱Ⅰ，通过制冷机的热水做功后温度变低，通入可变功率电储热水箱Ⅱ以提供生活卫生热水或者再次加热升温。溴化锂制冷机冷冻水经水-水换热器Ⅱ后回流，形成A侧循环，储冷水箱与水-水换热器Ⅱ形成B侧循环。溴化锂制冷机的冷却水通入冷却塔冷却。整个系统的空调冷、热风由冷、热水通入风机盘管提供。
冷热电微网系统只有在夏季运行于冷热电三联供模式，其它季节运行于热电联供模式。
冷热电三联供运行模式：系统中风力发电与光伏发电始终工作于最大功率输出状态，保证可再生能源的最大利用率。蓄电池根据系统并离网状态，考虑系统负荷情况，以及峰谷电价等因素进行充电或者放电运行。燃气内燃发电机组在并网运行时采用PQ控制，并且避免频繁改变输出功率，提高机组使用寿命。离网运行时，由内燃发电机组和蓄电池组为系统提供电压、频率支撑，其中以内燃发电机组为主，因内燃发电机组输出具有滞后性，蓄电池组起过渡辅助作用。
如图1所示，夏季运行时，通过控制烟-水换热器B侧流量，使其输出热水在90℃以上，通入可变功率电储热水箱Ⅰ存储；太阳能集热器输出热水温度在90℃以上时，通入可变功率电储热水箱Ⅰ存储，若由于天气原因无法达到90℃但高于50℃时，则通入可变功率电储热水箱Ⅱ。内燃机缸套热水经水-水换热器Ⅰ产生50℃以上热水通入可变功率电储热水箱Ⅱ。在夏季运行时，可变功率电储热水箱Ⅰ即可向溴化锂制冷机提供驱动热水，也可以根据负荷状况提供生活卫生热水，可变功率电储热水箱Ⅱ则仅提供生活卫生热水。
溴化锂制冷机可用驱动热水温度为75℃以上，热水来源为可变功率电储热水箱Ⅰ，由于冷负荷的变化波动性较大，而且较难预测，因此系统中加入储冷水箱起到冷水存储作用，溴化锂制冷机冷冻水通入水-水换热器Ⅱ形成A侧循环，B侧循环为储冷水箱一侧。这种循环方式有两大优势，溴化锂冷冻水间接制冷，冷冻水可添加特殊物质，防止溴化锂制冷机内部出现水垢，降低维护成本，增加其使用寿命；通过控制换热器2的B侧流量，借助储冷水箱的缓冲、存储作用，可保证溴化锂冷冻水出口温度为7℃、入口温度在12℃以下，使溴化锂制冷机在高效区运行。
系统运行中光伏电池、风力发电机输出电功率受天气影响，波动性较大。在并网情况下，多余电能可以输送给电网，或者减少电网购电量，处理比较简单。而在离网情况下，光伏电池或风力发电输出功率会影响系统的频率、电压，从而影响微网内的电能质量。传统方法多是采用改变内燃发电机出力、用电池储能或者直接用卸荷装置消耗多余电能。然而内燃发电机组出力具有滞后性，并且很难连续精确控制其功率输出；频繁对蓄电池充放电又会影响其使用寿命；卸荷装置则造成电能的浪费。本系统中可变功率电储热水箱的加入，可很好地解决传统系统中的缺点。在电负荷不变的情况下，系统输出功率增加，则相应增加电储热水箱加热功率；系统输出功率减小则减少电储热水箱电加热功率，当减小为零时仍不能满足系统负荷要求，则调节内燃发电机组，增加其输出功率。系统中内燃发电机组的输出功率采用“阶梯控制”方式，以X(kW)为单位，可变功率电加热储热水箱以及蓄电池起到能量消纳、功率缓冲作用。这种控制策略，不仅增加了系统运行稳定性，还可以降低内燃发电机组的控制难度，大大降低其控制频率，增加其使用寿命。
并网模式时，根据负荷及电价情况，也可以设定合适的电功率进行水箱加热储能，以及设定蓄电池的充放电时间，以提高系统的经济性，起到“削峰填谷”作用。
如图2所示，热电联供模式：制冷机停止运行，系统运行于热电联产方式，提供生活热水和冬季供暖热水。可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ串联，具体连接方式为：可变功率电储热水箱Ⅰ顶端为热水入口，底端经管道连接可变功率电储热水箱Ⅱ顶端，两水箱顶部高度基本一致(Ⅰ号水箱略高)，Ⅰ号水箱满水时，Ⅱ号水箱才有热水进入，热水的使用顺序则是优先使用Ⅱ号水箱中热水。这种两水箱串联方式相比单一分层式储热水箱有更好的保温效果。各微源电功率的调节与夏季运行时相同。
图3为春秋季运行结构图，系统同样工作于热电联供模式，水箱的连接方式与图2相同，联供系统无供暖热水需求，仅需提供生活卫生热水，风机盘管在春秋季不工作。
具体控制策略如图4和图5所示：
定义：内燃发电机输出电功率P1，光伏输出电功率P2，风机输出电功率P3，可变功率电储热水箱电功率P4，蓄电池输出(输入)电功率P5，电负荷输出热功率PL；发电机输出热功率Q1，太阳能输出热功率Q2，系统冷热负荷输出热功率QL。
一、未考虑峰谷电价情况
1、并网运行模式
1)并网上网模式：
系统运行采用“以热定电”模式，由于系统配置有储热水箱，可使内燃发电机组按热负荷预测平均值(减去光热部分)运行。Q1+Q2>QL时，多余热量可存储于储热水箱；Q1+Q2<QL时，不足热量由储热水箱补充，仍不足时，增加内燃机出力或启动储热水箱电加热功能。内燃机控制原则为，避免频繁调节内燃机输出功率，机组尽可能在高效区运行。蓄电池组不工作，多余电能输送至配电网；电能不足时由大电网补充。
2)并网不上网模式：
(1)PL保持不变，蓄电池SOC≤50％，若P2+P3增加ΔP，则采用蓄电池储能；若ΔP≥1.2X，且持续时间T≥Tset，则调节内燃机发电机组，使其输出功率减少X。当蓄电池达到饱和状态，则控制方法如(2)所述。
(2)PL保持不变，蓄电池SOC>50％，若P2+P3增加ΔP，则相应调节储热水箱电加热功率；若ΔP≥1.2X，且持续时间T≥Tset，则调节内燃机发电机，使其输出功率减少X，剩余电功率由电储热水箱消纳。
(3)PL保持不变，若P2+P3减小ΔP。此时，若P4>0,首先相应减小P4，若P4减小至零仍无法补偿ΔP，则从电网购电P＝ΔP-P4。若P>0.8X，且持续时间T≥Tset，P1未达到最大值，则P1输出增加X，多余电能由电储热水箱消纳。
(4)PL增大。首先相应减小P4，P4＝0时仍无法满足，则由电网购电，购电量P＝PL-P4，若P>0.8X，且持续时间T≥Tset，P1未达到最大值，则P1按“阶梯控制”方式增加，增加量大于P，多余电能由电储热水箱消纳。
(5)PL减小。首先相应增加储热水箱电功率P4，P4≥1.2X时，且持续时间T≥Tset，则按照“阶梯控制”方式减小内燃机发电机组出力，P4相应减小，直至P4<1.2X。
2.离网运行模式
(1)PL保持不变，蓄电池SOC≤60％，若P2+P3增加ΔP，则采用蓄电池储能，直至蓄电池充满。蓄电池充满后多余电能由电储热水箱消纳，若此时ΔP≥1.2X，且持续时间T≥Tset，则采用阶梯控制方法减小内燃发电机组出力，使P4<1.2X。
(2)PL保持不变，蓄电池SOC>60％，若P2+P3增加ΔP，则相应增加储热水箱电加热功率；若ΔP≥1.2X，且持续时间T≥Tset，则调节内燃发电机组，使其输出功率减少X，剩余电功率由电储热水箱消纳。
(3)PL增加或P2+P3减小ΔP。首先相应减小储热水箱电加热功率，若ΔP>P4,由蓄电池组迅速响应，补充不足电功率。之后采用阶梯控制方法增加内燃发电机组出力，蓄电池起到过渡作用。若P1输出已是最大值，则按负荷分级原则逐级切除负荷。
(4)PL减小。蓄电池SOC≤60％时，首先对蓄电池进行充电，直至充满。蓄电池充满后，多余电能由电储热水箱消纳，若此时ΔP≥1.2X，且持续时间T≥Tset，则采用阶梯控制方法减小内燃发电机组出力，使P4<1.2X。SOC>60％时，跳过蓄电池充电环节。
二、考虑峰谷电价情况
若考虑峰谷电价，并网网运行时，可以在电价较高时使内燃发电机组满发，向电网出售多余电能。电价较低时，减小内燃发电机组出力，增加购电量，同时增加电储热水箱功率，以热水形式进行储能。考虑到系统中所配置蓄电池寿命和容量因素，不考虑电价峰值放电、电价谷值充电情况。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种可再生能源冷热电微网系统，其特征是，包括：电模块和冷/热模块；所述电模块连接在交流母线上，冷/热模块由储热水箱作为能量中转装置；系统能够根据实际需要运行于冷热电三联供运行模式或者热电联供模式；
所述电模块包括：太阳能发电系统、风力发电系统、燃气内燃发电系统、蓄电池组以及可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ；太阳能发电系统依次串联DC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，风力发电系统依次串联AC/DC变换器和DC/AC变换器后接入交流母线，燃气内燃发电系统直接接入交流母线，蓄电池组经双向DC-AC变换器后接入交流母线，可变功率电储热水箱与交流母线相连，交流母线经PCC与配电网相连接。
2.如权利要求1所述的一种可再生能源冷热电微网系统，其特征是，所述冷/热模块包括：太阳能集热器、燃气内燃机、可变功率电储热水箱Ⅰ、可变功率电储热水箱Ⅱ、储冷水箱、烟-水换热器、水-水换热器Ⅰ、水-水换热器Ⅱ、蓄水池以及热水型溴化锂制冷机；燃气内燃机与烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别连通，所述烟-水换热器和水-水换热器Ⅰ分别与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通，所述太阳能集热器与蓄水池连通后，分别与烟-水换热器、水-水换热器Ⅰ、可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ连通；
所述热水型溴化锂制冷机与可变功率电储热水箱Ⅰ和可变功率电储热水箱Ⅱ分别连通，所述热水型溴化锂制冷机一端依次串联连接水-水换热器Ⅱ、储冷水箱后接入空调系统，热水型溴化锂制冷机另一端与冷却塔连通。
3.如权利要求2所述的一种可再生能源冷热电微网系统，其特征是，所述溴化锂制冷机冷冻水经水-水换热器Ⅱ后回流，形成A侧循环；所述水-水换热器Ⅱ与储冷水箱连通，形成B侧循环。
4.如权利要求2所述的一种可再生能源冷热电微网系统，其特征是，所述热水型溴化锂制冷机的驱动热水由可变功率电储热水箱Ⅰ提供，通过热水型溴化锂制冷机的热水做功后温度变低，通入可变功率电储热水箱Ⅱ以提供生活卫生热水或者再次加热升温。
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