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CN113922397A - 一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法 - Google Patents

一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法 Download PDF

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杨可
何欣欣
薛志恒
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Abstract

本发明公开了一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法，包括风力发电、光伏发电、水力发电；所述的风力发电和水力发电产生的是交流电，当并入直流母线时，加入AC/DC整流器，实现交流电转变为直流电；所述的光伏发电产生的电能是直流电，当并入直流母线时，应保证相同的电压并入电网，加入DC/DC变换器；所述的直流母线上的电能传递到用电负载时，加入DC/AC逆变器，实现直流电转变为交流电。本发明可以提高分布式能源的利用率，降低风、光、水等新能源发电的间歇性对电网运行的影响，提升分布式能源的供电质量和可靠性。

Description

一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法
技术领域
本发明属于分布式能源混合储能技术领域，具体涉及一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法。
背景技术
分布式发电能够充分利用新型的可再生能源，是实现我国节能减排的重要举措。当分布式能源并网时，由于风能和光能的随机性和间接性，使得电网频率波动，而分布式能源的大量并网使用了大量的电子设备，也造成了谐波污染、电网负荷冲击大，恶化了电网的性能质量。
常见的储能方式有电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、抽水储能、飞轮储能等方式。这些储能方式在能量转换效率、储能容量、响应时间、功率密度、能量密度和寿命等方面均存在差异。若按照能量存储和释放的外部特征划分，分布式储能又分为功率型和能量型两种。前者适用于短时间内功率需求较高的场合，应用于改善电能质量和快速功率支撑的场合；后者适用于能量需求较高的场合，能提供长时间的能量支撑。功率型的储能技术具有响应速度快、功率密度高的特点，包括超级电容、超导储能、飞轮储能等。能量型的储能技术具有能量密度高、充放电时间长，如压缩空气储能、钠硫电池、铅酸蓄电池、锂电池等。合理的储能技术不仅能提高供电系统的稳定性，而且还减少了系统的投入成本，提高可再生能源的稳定性。随着储能技术的发展，使得储能的成本逐渐降低，容量越来越大。如蓄电池在储能系统中伴随着能量的转换，是相对薄弱的环节，蓄电池的寿命长短直接影响到系统的总成本，如蓄电池达不到预期寿命，将提前进入抛锚状态，当前主流的蓄电池有开口蓄电池、阀控铅酸蓄电池、镍钙、镍氢、镉镍和锂电池等。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统及方法，可以提高分布式能源的利用率，降低风、光、水等新能源发电的间歇性对电网运行的影响，提升分布式能源的供电质量和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统，包括风力发电、光伏发电、水力发电；
所述的风力发电和水力发电产生的是交流电，当并入直流母线时，加入AC/DC整流器，实现交流电转变为直流电；
所述的光伏发电产生的电能是直流电，当并入直流母线时，应保证相同的电压并入电网，加入DC/DC变换器；
所述的直流母线上的电能传递到用电负载时，需要采用DC/AC逆变器，实现直流电转变为交流电；
微型燃机连接AC/DC整流器，将产生的交流电转化为直流电，微型燃机的进气采用天然气和氢气混合，在燃烧室中燃烧，高温高压的燃气在透平中膨胀做功，通过转子带动发电机转化为电能；
所述的直流母线上连接的DC/DC变换器，将整流后的电能进行电解水的方式产生氢气，储存在储氢罐中，产生的氧气储存在储氧罐中，待需要时，氢气再进入微型燃气轮机中转化为电能；
所述的储氧罐和储氢罐的输出端连接燃料电池，燃料电池采用的是质子交换膜燃料电池，燃料电池用于实现在用电负载较大供电不足时，为直流母线提供电能；
所述的超级电容、蓄电池和燃料电池与用电负载之间通过DC/AC逆变器连接，用于将储能装置的直流电转变为交流电。
一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统的使用方法，包括以下步骤；
当用电负载低于直流母线的供电时，在直流母线上电压会升高，多余的电能首先会储存在超级电容和铅酸蓄电池中，当铅酸蓄电池和超级电容达到容量上限时，多余的电能用于电解水，用于制氢和制氧，产生的氢气和氧气分别储存在氢气罐和氧气罐中，氢气可用于燃料电池发电，还可用于燃气轮机燃料掺氢燃烧，实现能源的清洁化；
当用电负载高于直流母线的供电时，混合储能装置将提供电能，蓄电池、超级电容和燃料电池释放电能，通过DC/AC逆变器将产生的直流电转变为交流电，为用电负载提供电能，燃机进口是氢气和天然气混合物，在燃烧室中与空气混合燃烧，高温燃气进入透平中膨胀做功，产生的电能经过AC/DC整流器转变为直流电，通过控制燃机的发电功率实现为分布式能源发电系统提供一个功率可控的发电系统，消除了风、光、水等分布式能源波动性和间歇性对供电系统的影响，维持了分布式能源发电系统的稳定性。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种基于混合储能装置的分布式能源发电系统，由于风、光、水等分布式能源发电系统具有间歇性和波动性，为解决这一问题，本发明提出一种功率可控的混合储能分布式能源发电系统，充分利用燃料电池和超级电容响应速度快，铅酸蓄电池能量密度高的优点。当用电负载低于直流母线的供电时，在直流母线上电压会升高，此时，多余的电能首先会储存在超级电容和铅酸蓄电池中，当铅酸蓄电池和超级电容达到容量上限时，多余的电能用于电解水，产生氢气和氧气，分别出存在氢气罐和氧气罐中，氢气可用于燃料电池发电，还可用于燃气轮机燃料掺氢燃烧，实现能源的清洁化；当用电负载高于直流母线的供电时，混合储能装置将提供电能，氢气罐中的氢气将为燃料电池和微型燃机提供燃料，微型燃机做为功率可控的发电系统，维持了分布式能源发电系统的稳定性。
附图说明
图1为分布式能源储能装置发电系统。
图2为燃料电池简化模型。
图3为燃料电池等效电路模型。
图4为蓄电池等效电路模型。
图5为超级电容简化模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种功率可控的分布式能源混合储能发电系统，可以解决风、光、水等新能源发电的波动性、间歇性问题，充分发挥各种储能技术的优势，并为分布式能源提供一种功率可控的燃机掺氢发电方式，通过快速改变做工能力，实现调整直流母线上的电压稳定。
参见图1，该图为分布式能源储能装置发电系统，包括风力发电、光伏发电、水力发电、AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、直流母线、超级电容、蓄电池、燃料电池、微型燃机和用电负载。风力发电和水力发电产生的是交流电，当并入直流母线时，需要加入AC/DC整流器，实现交流电转变为直流电；光伏发电产生的电能是直流电，当并入直流母线时，应保证相同的电压并入电网，因此加入DC/DC变换器，直流母线上的电能传递到用电负载时，需要采用DC/AC逆变器，实现直流电转变为交流电。当用电负载低于直流母线的供电时，在直流母线上电压会升高，多余的电能首先会储存在超级电容和铅酸蓄电池中，当铅酸蓄电池和超级电容达到容量上限时，多余的电能用于电解水，用于制氢和制氧，产生的氢气和氧气分别出存在氢气罐和氧气罐中，氢气可用于燃料电池发电，还可用于燃气轮机燃料掺氢燃烧，实现能源的清洁化；当用电负载高于直流母线的供电时，混合储能装置将提供电能，蓄电池、超级电容和燃料电池释放电能，通过DC/AC逆变器将产生的直流电转变为交流电，为用电负载提供电能，除此外，燃机进口是氢气和天然气混合物，在燃烧室中与空气混合燃烧，高温燃气进入透平中膨胀做功，带动发电机产生交流电，当并入直流电网时，需要采用AC/DC整流器，将交流电转变为直流电，并送入直流电网。通过控制燃机的发电功率实现为分布式能源发电系统提供一个功率可控的发电系统，益于维持直流母线电压的稳定性，消除了风、光、水等分布式能源波动性和间歇性对供电系统的影响，维持了分布式能源发电系统的稳定性。
风力发电是一种无污染、可再生、分布广发的自然资源，风力发电具有明显的周期性和波动性，风机主要由搭架、风轮和机舱等三个部分组成，风能中蕴含的功率与风速的三次方成正比，风机的安装位置、安装高度和安装角度都合适，能够最大限度的发挥风力资源的作用，风力发电输出的电流是交流电，在AC/DC整流器的作用下转化为直流电，送至直流母线上；
所述的水力发电系统主要由压力引水管道、水轮发电机组和辅助系统三个部分组成，当水流过水轮发电机时，将水能转化为机械能，水轮机的转轴带动发电机的转子，又将机械能转化为电能输出。
所述的光伏发电是利用半导体材料接收光照时所产生的光生伏特效应，太阳能的光伏发电实际上是利用多个PN结构生成，在太阳光照下，部分光以光子的形式与多个PN结的原子价电子发生碰撞，产生电子和空穴，电子和空穴分别移向金属线的N区和P区，当构成闭合回路时，即可产生电能。
所述的微型燃机掺氢发电系统，微型燃机的进气采用天然气和氢气混合，在燃烧室中燃烧，高温高压的燃气在透平中膨胀做功，通过转子带动发电机转化为电能。分布式能源发电系统中加入微型燃机的优势一方面是，在分布式能源发电系统中加入功率可控的发电系统，益于维持直流母线电流、电压的稳定；另一方面在于，当直流母线上有过多的电能时，通过电解水的方式，电解产生氢气，储存在储氢罐中，待需要时，氢气再进入微型燃气轮机中转化为电能。
参见图2，该图为燃料电池和电解水简化模型，燃料电池采用的是质子交换膜燃料电池，电解质采用非常薄的塑料制成，功率/质量比值较大，工作温度要求不高，燃料电池在阳极上氢气失去电子，阴极上氧气与氢离子生成水，当用电负荷高于直流母线供电时，燃料电池将产生直流电，通过DC/AC逆变器将产生的直流电转变为交流电，为用电负荷供电。其中燃料电池阴极和阳极发生的反应如下：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：
Figure BDA0003301747380000071
参见图3，该图为燃料电池等效电路，燃料电池的等效电路模型与电化学理论充分结合，将燃料电池过电压损耗以电路元件的形式表达，Enemst为可逆开路电压，又可表示为“能斯特电压”。在燃料电池建模中采用等效电容Cd，用于模拟燃料电池的双层效应引起的活化效应和浓度过电压的延迟特性，燃料电池的输出电压可用下式进行表达：
UFC＝Enerst-Uohm-Uact-Ucon
其中，Uohm、Uact、Ucon分别表示欧姆过电压、活化过电压和浓度过电压，用上式表达更加直接反映出燃料电池的电化学特性。
参见图4，该图为铅酸蓄电池的等效电路。采用该模型建立铅酸蓄电池的简化模型一方面考虑了温度和负荷状态对模型参数的影响，还对铅酸蓄电池的自放电效应进行了描述，能够准确的展示铅酸蓄电池在较大时间尺度内的动态过程。为了确定等效电路中模型参数值，首先需要确定荷电状态和电解液温度。荷电状态用充电深度DOC(Depth ofcharge)和充电容量SOC(Storage of charge)来描述。在电池内部电解液中，内部各部分温度均不相同，建立模型时可以考虑采用等效温度来表示整个电解质的温度场。
参见图5，该图为超级电容简化模型，超级电容主要由极化电极、隔膜、电解质、集电极、端板、引线和封装版等组成，超级电容具有双层电容的结构，双层电容通过电解质的化学极化来实现储能，过程属于物理变化，并未发生电化学反应，超级电容的充电和放电过程是可逆的。在充电时，电子通过外电源从阳极移动至阴极，同时电解质中正负离子通过电解液分别移动至电极表面；在放电时，电子通过外负载移动至阳极，电极表明的电子分别脱离电极表面，并返回至电解液中。
综上，本发明提出了一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能装置系统，微型燃机掺氢作为一种功率可控的发电系统，氢燃料的来源利用电解水产生，氢气还可为燃料电池提供原料。由于风、光、水等分布式能源波动性和间歇性较大，直接并入电网将严重恶化电网的安全性，因此，采用混合储能装置，充分利用各种储能技术的优点，保证直流母线上的电流电压的稳定。
分布式能源储能技术的多样化发展，任何单独的储能手段都无法兼顾功率密度、能量密度、效率、寿命和成本等多方面。因此，混合储能技术应运而生，采用不循环寿命等。在很多应用场景下，分布式储能系统需要与其他分布式能源共同实同的储能方式，充分利用各种储能技术的优点，同时兼顾储能容量、放电深度、现既定的目标，对较为分散的小容量储能系统尽可能统一调度，将有助于发挥储能的应用潜力，提高利用效率和经济性。
综上，本发明充分利用混合储能技术的优势，提高分布式能源的利用率，减小间歇性电源接入大电网造成的不良影响，改善电网的协调运行水平，提升系统的供电质量和可靠性。

Claims (5)

1.一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统，其特征在于，包括风力发电、光伏发电、水力发电；
所述的风力发电和水力发电产生的是交流电，当并入直流母线时，加入AC/DC整流器，实现交流电转变为直流电；
所述的光伏发电产生的电能是直流电，当并入直流母线时，应保证相同的电压并入电网，加入DC/DC变换器
所述的直流母线上的电能传递到用电负载时，需要采用DC/AC逆变器，实现直流电转变为交流电。
2.根据权利要求1所述的一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统，其特征在于，所述的水力发电上的AC/DC整流器连接微型燃机，所述微型燃机的进气采用天然气和氢气混合，在燃烧室中燃烧，高温高压的燃气在透平中膨胀做功，通过转子带动发电机转化为电能，所述直流母线上连接的DC/DC变换器通过电解水的方式产生氢气，储存在储氢罐中，产生的氧气储存在储氧罐中，待需要时，氢气再进入微型燃气轮机中转化为电能。
3.根据权利要求2所述的一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统，其特征在于，所述的储氧罐和储氢罐的输出端连接燃料电池，所述的燃料电池采用的是质子交换膜燃料电池，所述的燃料电池用于实现在用电负载较大供电不足时，为直流母线提供电能。
4.根据权利要求1所述的一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统，其特征在于，所述的燃料电池和超级电容、蓄电池与用电负载之间通过DC/AC逆变器连接，用于将储能装置的直流电转变为交流电。
5.基于权利要求1-4任一项所述的一种风、光、水等分布式能源发电的混合储能系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤；
当用电负载低于直流母线的供电时，在直流母线上电压会升高，多余的电能首先会储存在超级电容和铅酸蓄电池中，当铅酸蓄电池和超级电容达到容量上限时，多余的电能用于电解水，用于制氢和制氧，产生的氢气和氧气分别出存在氢气罐和氧气罐中，氢气可用于燃料电池发电，还可用于燃气轮机燃料掺氢燃烧，实现能源的清洁化；
当用电负载高于直流母线的供电时，混合储能装置将提供电能，蓄电池、超级电容和燃料电池释放电能，通过DC/AC逆变器将产生的直流电转变为交流电，为用电负载提供电能，燃机进口是氢气和天然气混合物，在燃烧室中与空气混合燃烧，高温燃气进入透平中膨胀做功，产生的电能经过AC/DC整流器转变为直流电，通过控制燃机的发电功率实现为分布式能源发电系统提供一个功率可控的发电系统，消除了风、光、水等分布式能源波动性和间歇性对供电系统的影响，维持了分布式能源发电系统的稳定性。
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