一種風-氫-水-電混合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及了一種能源系統(tǒng)及其方法，尤其是設(shè)及了一種風-氨-水-電混合能 源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，提高能源利用效率。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭W及環(huán)境污染的日益加劇已嚴重威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展， 因此，可再生能源的并離網(wǎng)發(fā)電成為全球爭相研究的熱點。風能作為一種可再生能源，因其 儲量豐富、清潔環(huán)保、便于規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。然而，由于風能具有間歇性和 波動性，當風速發(fā)生變化時，風電機組輸出的功率也隨之變化，從而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量， 因而必須將運些風電切出電網(wǎng)，而運又會造成風能的浪費。此外，由于風力發(fā)電的供給和需 求很難協(xié)調(diào)，不利于實現(xiàn)靈活的電能調(diào)度，使得風力發(fā)電的年有效利用小時數(shù)遠遠不及常 規(guī)發(fā)電廠，且維持電網(wǎng)穩(wěn)定運行的能力十分有限。因此，風電一直被認為是一種垃圾電。為 推進風電的大規(guī)模應用，解決電網(wǎng)對風電的消納問題，必須發(fā)展含有儲能系統(tǒng)的新型風力 發(fā)電系統(tǒng)，W便在風電富余時將多余電能儲存，在風電質(zhì)量較差或不足時，將存儲的電能供 給重要負荷。
[0003] 儲能系統(tǒng)可W有多種選擇，如抽水蓄能、飛輪儲能、蓄電池、超級電容器等。其中， 基于質(zhì)子交換膜電解池的氨儲能系統(tǒng)因其循環(huán)利用、清潔環(huán)保等特點而具有較高的應用前 景。隨著技術(shù)的不斷進步和示范工程的廣泛開展，為W氨能形式存儲多余風電并在必要時 通過燃料電池發(fā)電的混合發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了可能。然而，如何進行風電機組、水電解池 和燃料電池組成的協(xié)調(diào)控制，從而實現(xiàn)風能的高效利用，提升風電并網(wǎng)質(zhì)量還有待研究。
[0004] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中缺少實現(xiàn)風-氨-水-電混合能源系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及其協(xié)調(diào)控 制方法，能有效提高能源綜合利用效率和并網(wǎng)電能質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種風-氨-水-電混合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控 制方法，提高能源利用效率，W達到減少風能的浪費，提高并網(wǎng)電能的電能質(zhì)量，提高能源 的綜合利用效率，實現(xiàn)風能、氨能、水和電能的能源互補運行能力的目的。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案采用如下步驟：
[0007] 一、一種風-氨-水-電混合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示：
[0008] 包括永磁同步風力發(fā)電機、儲水罐、電解池、燃料電池和負荷；
[0009] 包括進行風力發(fā)電的永磁同步風力發(fā)電機，永磁同步風力發(fā)電機經(jīng)背靠背雙PWM 變流器輸出，背靠背雙PWM變流器輸出端經(jīng)總控制開關(guān)連接電網(wǎng)； 陽010] 包括用于接收永磁同步風力發(fā)電機產(chǎn)生電能進行電解的電解池，背靠背雙PWM變 流器輸出端依次經(jīng)電解池控制開關(guān)、電解池整流器后連接到電解池；
[0011] 包括用于氨氣和氧氣反應合成電能的燃料電池，電解池輸出的氨氣存儲罐和氧氣 存儲罐均輸入到燃料電池，燃料電池輸出端依次經(jīng)燃料電池逆變器、燃料電池控制開關(guān)連 接負荷；
[0012] 包括協(xié)調(diào)控制永磁同步風力發(fā)電機、電解池和燃料電池之間運行的中央控制器， 中央控制器分別連接永磁同步風力發(fā)電機、電解池、燃料電池、總控制開關(guān)、電解池控制開 關(guān)和燃料電池控制開關(guān)。
[0013] 所述的步驟1)中的永磁同步風力發(fā)電機由風力機與永磁同步發(fā)電機組成，所述 的電解池為質(zhì)子交換膜電解池，所述的燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池，所述的負荷為電 阻型S相交流負荷。
[0014] 二、一種風-氨-水-電混合能源系統(tǒng)控制方法，包括：
[0015] 構(gòu)建所述風-氨-水-電混合能源系統(tǒng)；
[0016] 當永磁同步風力發(fā)電機輸出電能質(zhì)量和電量滿足電網(wǎng)要求時，永磁同步風力發(fā)電 機并網(wǎng)運行，永磁同步風力發(fā)電機進行發(fā)電并對電網(wǎng)供電，系統(tǒng)在風電并網(wǎng)發(fā)電運行模式 或者盈余風電制氨運行模式下工作并利用中央控制器實現(xiàn)對應模式下永磁同步風力發(fā)電 機和電解池的協(xié)調(diào)控制；
[0017] 當永磁同步風力發(fā)電機輸出電能質(zhì)量和電量不滿足電網(wǎng)要求時，永磁同步風力發(fā) 電機離網(wǎng)運行，永磁同步風力發(fā)電機進行發(fā)電對電解池供電，系統(tǒng)在棄風制氨運行模式或 者燃料電池發(fā)電運行模式下工作并利用中央控制器實現(xiàn)對應模式下永磁同步風力發(fā)電機 和電解池、燃料電池的協(xié)調(diào)控制。
[0018] 當所述永磁同步風力發(fā)電機的發(fā)電量相對于電網(wǎng)不存在多余風電，則系統(tǒng)采用風 電并網(wǎng)發(fā)電運行模式并利用中央控制器實現(xiàn)該模式下永磁同步風力發(fā)電機和電解池的協(xié) 調(diào)控制。
[0019] 當所述永磁同步風力發(fā)電機的發(fā)電量相對于電網(wǎng)存在多余風電，則系統(tǒng)采用盈余 風電制氨運行模式并利用中央控制器實現(xiàn)該模式下永磁同步風力發(fā)電機和電解池的協(xié)調(diào) 控制。
[0020] 當風速滿足所述永磁同步風力發(fā)電機的啟動條件，則永磁同步風力發(fā)電機工作， 系統(tǒng)采用棄風制氨運行模式并利用中央控制器實現(xiàn)該模式下永磁同步風力發(fā)電機、燃料電 池和電解池的協(xié)調(diào)控制。
[0021] 當風速不滿足所述永磁同步風力發(fā)電機的啟動條件，則永磁同步風力發(fā)電機不工 作，系統(tǒng)采用燃料電池發(fā)電運行模式并利用中央控制器實現(xiàn)該模式下燃料電池和電解池的 協(xié)調(diào)控制。
[0022] 所述的風電并網(wǎng)發(fā)電運行模式具體為：永磁同步風力發(fā)電機進行發(fā)電并輸出電能 對電網(wǎng)供電，永磁同步風力發(fā)電機不向電解池供電，電解池和燃料電池不工作；永磁同步風 力發(fā)電機采用定子磁鏈定向矢量控制方法和電網(wǎng)電壓矢量控制方法分別進行勵磁電流和 輸出電流的控制，總控制開關(guān)導通，電解池控制開關(guān)和燃料電池控制開關(guān)關(guān)斷。
[0023] 所述的盈余風電制氨運行模式具體為：
[0024] 永磁同步風力發(fā)電機輸出電能質(zhì)量和電量不僅滿足電網(wǎng)要求，而且還存在多余風 電，永磁同步風力發(fā)電機進行發(fā)電并輸出電能向電網(wǎng)和電解池供電，利用電解池將永磁同 步風力發(fā)電機相對于電網(wǎng)供電的多余輸出電能將水轉(zhuǎn)換為氨氣和氧氣存儲，可實現(xiàn)棄風存 儲并在需要時轉(zhuǎn)換為電能，燃料電池不工作；永磁同步風力發(fā)電機采用定子磁鏈定向矢量 控制方法和電網(wǎng)電壓矢量控制方法分別進行勵磁電流和輸出電流的控制，電解池采用電網(wǎng) 電壓矢量控制方法控制輸入電流，總控制開關(guān)和電解池控制開關(guān)導通，燃料電池控制開關(guān) 關(guān)斷。
[00巧]所述的棄風制氨運行模式具體為：永磁同步風力發(fā)電機進行發(fā)電并輸出電能向電 解池供電，利用電解池將永磁同步風力發(fā)電機的輸出電能將水制取氨氣和氧氣存儲，實現(xiàn) 棄風存儲，電解池向燃料電池供氨氣和氧氣，利用燃料電池消耗儲氨為負荷供能；永磁同步 風力發(fā)電機采用定子磁鏈定向矢量控制方法和功率下垂控制方法分別進行勵磁電流與輸 出電壓幅值和頻率的控制，電解池采用電壓閉環(huán)反饋控制方法進行輸入電流的控制，燃料 電池采用電壓閉環(huán)反饋控制方法進行輸出電流的控制，電解池控制開關(guān)和燃料電池控制開 關(guān)導通，總控制開關(guān)關(guān)斷。
[00%] 所述的燃料電池發(fā)電運行模式具體為：永磁同步風力發(fā)電機不工作處于停機狀 態(tài)，電解池利用已存儲的氨氣和氧氣向燃料電池供能，使燃料電池輸出電能為負載提供電 能，使得負荷正常運行，燃料電池采用電壓閉環(huán)反饋控制方法進行輸入電流的控制，燃料電 池控制開關(guān)導通，總控制開關(guān)和電解池控制開關(guān)關(guān)斷。
[0027] 所述的輸出電能質(zhì)量包括電流諧波、電壓波動、電壓閃變和S相電壓不平衡。
[0028] 本發(fā)明具有的有益的效果是： 陽029]本發(fā)明能減少風能的浪費，提高棄風利用能力；提高并網(wǎng)電能的電能質(zhì)量，減小電 網(wǎng)中的諧波污染；提高能源的綜合利用效率，實現(xiàn)風能、氨能、水和電能的能源互補運行能 力。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明方法的拓撲結(jié)構(gòu)。
[0031] 圖2為實施例模式1的數(shù)據(jù)截圖。
[0032] 圖3為實施例模式2的數(shù)據(jù)截圖。
[0033] 圖4為實施例模式3、4的數(shù)據(jù)截圖。
[0034] 圖5為實施例模式3、4的數(shù)據(jù)截圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0036] 本發(fā)明系統(tǒng)的四種工作模式區(qū)分如下表1:<