[发明专利]一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种能源系统及其方法，尤其是涉及了一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构及其控制方法，提高能源利用效率。

背景技术

传统能源的逐渐枯竭以及环境污染的日益加剧已严重威胁着人类的可持续发展，因此，可再生能源的并离网发电成为全球争相研究的热点。风能作为一种可再生能源，因其储量丰富、清洁环保、便于规模化开发等优点受到广泛关注。然而，由于风能具有间歇性和波动性，当风速发生变化时，风电机组输出的功率也随之变化，从而影响电网的电能质量，因而必须将这些风电切出电网，而这又会造成风能的浪费。此外，由于风力发电的供给和需求很难协调，不利于实现灵活的电能调度，使得风力发电的年有效利用小时数远远不及常规发电厂，且维持电网稳定运行的能力十分有限。因此，风电一直被认为是一种垃圾电。为推进风电的大规模应用，解决电网对风电的消纳问题，必须发展含有储能系统的新型风力发电系统，以便在风电富余时将多余电能储存，在风电质量较差或不足时，将存储的电能供给重要负荷。

储能系统可以有多种选择，如抽水蓄能、飞轮储能、蓄电池、超级电容器等。其中，基于质子交换膜电解池的氢储能系统因其循环利用、清洁环保等特点而具有较高的应用前景。随着技术的不断进步和示范工程的广泛开展，为以氢能形式存储多余风电并在必要时通过燃料电池发电的混合发电系统的实现提供了可能。然而，如何进行风电机组、水电解池和燃料电池组成的协调控制，从而实现风能的高效利用，提升风电并网质量还有待研究。

因此，现有技术中缺少实现风-氢-水-电混合能源系统的拓扑结构及其协调控制方法，能有效提高能源综合利用效率和并网电能质量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构及其控制方法，提高能源利用效率，以达到减少风能的浪费，提高并网电能的电能质量，提高能源的综合利用效率，实现风能、氢能、水和电能的能源互补运行能力的目的。

本发明的技术方案采用如下步骤：

一、一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构，如图1所示：

包括永磁同步风力发电机、储水罐、电解池、燃料电池和负荷；

包括进行风力发电的永磁同步风力发电机，永磁同步风力发电机经背靠背双PWM变流器输出，背靠背双PWM变流器输出端经总控制开关连接电网；

包括用于接收永磁同步风力发电机产生电能进行电解的电解池，背靠背双PWM变流器输出端依次经电解池控制开关、电解池整流器后连接到电解池；

包括用于氢气和氧气反应合成电能的燃料电池，电解池输出的氢气存储罐和氧气存储罐均输入到燃料电池，燃料电池输出端依次经燃料电池逆变器、燃料电池控制开关连接负荷；

包括协调控制永磁同步风力发电机、电解池和燃料电池之间运行的中央控制器，中央控制器分别连接永磁同步风力发电机、电解池、燃料电池、总控制开关、电解池控制开关和燃料电池控制开关。

所述的步骤1)中的永磁同步风力发电机由风力机与永磁同步发电机组成，所述的电解池为质子交换膜电解池，所述的燃料电池为质子交换膜燃料电池，所述的负荷为电阻型三相交流负荷。

二、一种风-氢-水-电混合能源系统控制方法，包括：

构建所述风-氢-水-电混合能源系统；

当永磁同步风力发电机输出电能质量和电量满足电网要求时，永磁同步风力发电机并网运行，永磁同步风力发电机进行发电并对电网供电，系统在风电并网发电运行模式或者盈余风电制氢运行模式下工作并利用中央控制器实现对应模式下永磁同步风力发电机和电解池的协调控制；

当永磁同步风力发电机输出电能质量和电量不满足电网要求时，永磁同步风力发电机离网运行，永磁同步风力发电机进行发电对电解池供电，系统在弃风制氢运行模式或者燃料电池发电运行模式下工作并利用中央控制器实现对应模式下永磁同步风力发电机和电解池、燃料电池的协调控制。

当所述永磁同步风力发电机的发电量相对于电网不存在多余风电，则系统采用风电并网发电运行模式并利用中央控制器实现该模式下永磁同步风力发电机和电解池的协调控制。

当所述永磁同步风力发电机的发电量相对于电网存在多余风电，则系统采用盈余风电制氢运行模式并利用中央控制器实现该模式下永磁同步风力发电机和电解池的协调控制。

当风速满足所述永磁同步风力发电机的启动条件，则永磁同步风力发电机工作，系统采用弃风制氢运行模式并利用中央控制器实现该模式下永磁同步风力发电机、燃料电池和电解池的协调控制。