[发明专利]基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于光伏和甲烷互补的城市能源互联网系统，包括与城市天然气管道相连的家庭燃灶，以及接至室内母线的家庭用电器；其特征在于，该系统还包括甲烷电解槽、甲烷存储槽和燃料电池；甲烷电解槽将生成的甲烷送至甲烷存储槽，甲烷存储槽通过管路分别与城市天然气管道和燃料电池相连，燃料电池以甲烷存储槽提供的甲烷为燃料进行发电；家庭燃灶和燃料电池还通过管路连接至甲烷电解槽，将燃烧后产生的二氧化碳作为甲烷电解槽生产甲烷的原料；

该系统还包括设在室外的光伏发电设备，与所述甲烷电解槽、燃料电池分别通过电缆接至室内母线；在光伏发电设备、甲烷电解槽、燃料电池、甲烷存储槽，以及室内母线与配网母线连接的PCC点处，分别设有用于采集各设备功率信息和甲烷存储槽气压的信号采集装置，各信号采集装置分别通过以太网连接至中央控制器；

所述家庭燃灶、家庭用电器、甲烷电解槽、甲烷存储槽、燃料电池、光伏发电设备和中央控制器通过管路和电缆共同组成家庭能源单元；若干个家庭能源单元基于配电网线路和城市天然气管道实现并联。

2.基于权利要求1所述系统的城市能源互联网系统控制方法，其特征在于，是以甲烷存储槽作为中间设备将甲烷电解槽、燃料电池和家庭燃灶连接起来，并将燃料电池和家庭燃灶产生的二氧化碳反馈至甲烷电解槽作为产生甲烷的原料，实现甲烷的产生、存储、消耗以及废气反馈的完整链，形成燃气互联；同时，以甲烷电解槽作为可控负荷，以燃料电池作为可控电源，由中央控制器对燃料电池和甲烷电解槽进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性；多个家庭能源单元通过城市天然气管道和配电网线路实现互联后，与在网的发电厂、工厂、天然气存储站相连；多个家庭能源单元之间，以及家庭能源单元和工厂、天然气存储站之间能够进行能量交易。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光伏发电设备能够运行于MPPT即最大功率点跟踪模式；或者根据指令运行在有功或无功模式下；所述燃料电池和甲烷电解槽的运行功率是可控的，并能根据指令运行在有功或无功模式下。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由中央控制器基于互联网获取电力和天然气的交易价后，按照经济最优原则对甲烷和电能进行最优组合，并对相关设备进行控制；具体包括以下步骤：

(1)获取当前电力和天然气的上行买电、买气交易价P_eu和P_gu，下行售电、售气交易价P_ed和P_gd，通常情况下，P_eu<P_ed，P_gu<P_gd；

所有的交易价都是折算以后的统一价，即天然气的上行价格P_gu为天然气自然上行价格除以甲烷电解槽产生单位天然气所需的电能数量；天然气的下行价格P_gd为天然气自然下行价格乘以燃料电池产生单位电能所需的天然气数量；

(2)光伏发电充裕的时候，若P_eu>P_gu，则多余的光伏发电直接上送到配电网线路，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；否则，通过甲烷电解槽电解产生甲烷送入城市天然气管道，以供其它家庭能源单元或者工厂使用；

(3)家庭能源单元根据能源交易价格用不同的能源进行互补：

若用电高峰用气低谷且气转电盈利，即P_ed>P_eP且P_gd<P_gV且P_eu>P_gd，其中P_eP为高峰电价阈值，当下行售电价格高于P_eP时，表明是用电高峰期，P_gV为低谷气价，当下行售气价格低于P_gV时，表明是用气低谷期，此时家庭能源单元通过燃料电池消耗甲烷产生电能并输送到配电网线路，保障电能的供给和天然气的最大化利用；

若用气高峰用电低谷且电转气盈利，即P_gd>P_gP且P_ed<P_eV且P_gu>P_ed，其中P_gP为高峰气价阈值，当下行售气价格高于P_gP时，表明是用气高峰期，P_eV为低谷电价，当下行售电价格低于P_eV时，表明是用电低谷期，此时家庭能源单元通过甲烷电解槽消耗电能产生甲烷，输送到城市天然气管道，保障天然气的供给和电能的最大化利用。