基于光伏‑风电‑甲烷的农村家庭能源系统及控制方法

摘要

本发明涉及新能源微电网技术，旨在提供一种基于光伏‑风电‑甲烷的农村家庭能源系统及控制方法。该系统以沼气池作为中间设备将甲烷产生器、微型燃气轮机和家庭燃灶连接起来，并将微型燃气轮机和家庭燃灶产生的二氧化碳反馈至甲烷产生器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，以甲烷产生器作为可控负荷，以微型燃气轮机作为可控电源，由能量管理设备对微型燃汽轮机和甲烷产生器进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性。整个循环过程实现最低的碳排放和对可再生能源的最大化利用，保护环境并帮助农村居民节省电费开支。

说明书

技术领域

本发明属于新能源微电网技术，具体涉及一种基于光伏-风电-甲烷混合的农村家庭能源系统及其控制方法。

背景技术

农村居民用电属于三类负荷，在电力系统用电高峰期常常出现电力供应不足的情况，此外广大的农村地区有丰富的光资源和风资源，所以利用好这些可再生资源可以帮助改善农村居民用电问题。此外，光伏、风电等可再生能源的发展，可以减少化石能源的消耗，减少碳排放，保护环境。但是可再生能源的波动性对电网的规划，及其对可再生能源本身的消纳带来了巨大的挑战。

为促进可再生能源的消纳，储能电池，制氢等技术可作为能量缓冲来平移可再生能源的波动性。储能电池在可再生能源出力充足时充电存储电能，在可再生能源出力欠缺时发电补偿电能，可控性好，响应速度快，但是由于造价高昂，使用寿命短等缺点，不太适合于经济型场合使用；制氢技术可在可再生能源出力充足时利用多余的电能电解水制成氢气存储起来，在可再生能源出力欠缺时利用氢气进行发电，制氢技术价格低廉实惠，但是其对电能质量要求较高，不适应可再生能源的较大波动，所以发展也受到一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中农村居民对可再生能源利用的不足，提供一种基于光伏-风电-甲烷混合的农村家庭能源系统及其控制方法。

为解决技术问题，本发明的具体技术方案如下：

提供一种基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源系统，包括沼气池，以及接至室内母线的家庭用电器；该系统还包括分别通过管路连接至沼气池的甲烷产生器和微型燃气轮机，甲烷产生器将生成的甲烷送至沼气池储存，微型燃气轮机以沼气池提供的甲烷为燃料进行发电；沼气池还通过管路向家庭燃灶提供甲烷，家庭燃灶和微型燃气轮机分别通过管路连接至甲烷产生器，将燃烧后产生的二氧化碳作为甲烷产生器生产甲烷的原料；

该系统还包括设在室外的风力发电机或光伏发电机中的至少一种，与所述甲烷产生器、微型燃气轮机分别通过电缆接至室内母线；在风力发电机、光伏发电机、甲烷产生器、微型燃气轮机、沼气池，以及室内母线与配网母线连接的PCC点(Point of CommonCoupling，即为公共连接点)处，分别设有用于采集各设备的功率信息和沼气池气压的信号采集装置，各信号采集装置分别通过CAN总线连接至能量管理设备。

本发明中，所述甲烷产生器包含整流装置和二氧化碳存储罐，家庭燃灶和微型燃气轮机分别通过管路连接至二氧化碳存储罐。

本发明进一步提供了基于前述系统的农村家庭能源系统控制方法，是以沼气池作为中间设备将甲烷产生器、微型燃气轮机和家庭燃灶连接起来，并将微型燃气轮机和家庭燃灶产生的二氧化碳反馈至甲烷产生器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，以甲烷产生器作为可控负荷，以微型燃气轮机作为可控电源，由能量管理设备对微型燃汽轮机和甲烷产生器进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性。

本发明中，所述风力发电机和光伏发电机能够运行于MPPT，即最大功率点跟踪模式(Maximum Power Point Tracking，MPPT))。

本发明所述方法具体包括以下步骤：

(1)系统开始运行时，风力发电机和光伏发电机处于MPPT运行模式，甲烷产生器的输入功率P_m和微型燃汽轮机的输出功率P_c均为0；

(2)根据甲烷的储存容量V，确定甲烷产生器的输入功率范围为[0,P_imax·f(V)]；

其中P_imax是甲烷产生器的额定最大输入功率，f(V)是单调递减函数，且f(0)＝1，f(V_max)＝0，V_max为沼气池的最大容量；

根据甲烷的储存容量V，确定微型燃气轮机的输出功率范围为[0,P_omax·h(V)]；

其中P_omax是微型燃气轮机的额定最大输出功率，h(V)是单调递增函数，且h(0)＝0，h(V_max)＝1，V_max为沼气池的最大容量；

(3)当检测到微型燃汽轮机的输出功率P_c≥0而甲烷产生器的输入功率P_m＝0时，进入以下步骤：

检测室内母线与配网母线连接的PCC点处的功率P_s；

a.若P_s<0或者P_c≥P_s≥0，则增加微型燃汽轮机的输出功率P_c，使得在其输出功率范围之内尽可能让P_s为0；此时甲烷产生器的输入功率P_m仍然为0，停止制甲烷，也即

其中，s为拉普拉斯算子，k_Pc为微型燃气轮机的PI控制器的比例系数，k_Ic为微型燃气轮机的PI控制器的积分系数；函数g(x)为限幅函数，限幅为0和P_omax·h(V)，即当x>P_omax·h(V)时，g(x)＝P_omax·h(V)；当0<x<P_omax·h(V)时，g(x)＝x；当x<0时，g(x)＝0；

b.若P_s>P_c>0，则降低微型燃气轮机的输出功率P_c至0，通过增加甲烷产生器的输入功率P_m，使得在其输入功率范围之内尽可能的让P_s为0，开始制甲烷，也即

其中，s为拉普拉斯算子，k_Pm为甲烷产生器的PI控制器的比例系数，k_Im为甲烷产生器的PI控制器的积分系数；函数g(x)为限幅函数，限幅为0和P_imax·f(V)，即当x>P_imax·f(V)时，g(x)＝P_imax·f(V)；当0<x<P_imax·f(V)时，g(x)＝x；当x<0时，g(x)＝0；

执行完a或者b，返回步骤(2)；

(4)检测到微型燃汽轮机的输出功率P_c＝0而甲烷产生器的输入功率P_m>0，则进入以下步骤：

检测PCC点处的功率P_s，

a.若P_s>0或者-P_m≤P_s≤0，则增加甲烷产生器的输入功率P_m，使得在其输入功率范围之内尽可能让P_s为0，此时微型燃汽轮机的输出功率P_c仍然为0，也即

b.若P_s≤-P_m≤0，则降低甲烷产生器的输入功率P_m至0，停止制甲烷，通过增加微型燃汽轮机的输出功率P_c，使得在其输出功率范围之内尽可能让P_s为0，也即

执行完a或者b，返回步骤(2)。

本发明中，所述的甲烷产生器的输入功率范围是根据沼气池中甲烷的存储容量动态变化的；甲烷的存储容量越大则允许的最大输入功率越小，甲烷的储存容量越小允许的最大输入功率越大；允许的最小输入功率为0，函数f(V)根据实际运行的效果来试凑以确定具体形式。例如多项式型，f(V)＝1-V/V_max，等。

本发明中，所述的微型燃气轮机的输出功率范围是根据沼气池中甲烷的存储容量动态变化的；甲烷的存储容量越大则允许的最大输出功率越大，甲烷的储存容量越小则允许的最大输出功率越小；允许的最小输出功率为0，函数h(V)根据实际运行的效果来试凑以确定具体形式。如多项式型，h(V)＝V/V_max，h(V)＝(V/V_max)²等。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以在农村广泛推广的沼气池等设备为基础，构建以甲烷为主的能量缓冲系统，当可再生能源出力充足时，用多余的电能来产生甲烷；当可再生能源出力短缺时，甲烷燃烧又能发电，这样减少可再生能源波动对电网造成的影响。该系统中，沼气池能够将人畜粪便，厨余垃圾搜集起来进行发酵产生甲烷，甲烷的产生和消耗之间实现碳的最大化循环利用，能有效的降低碳排放，保护环境。此外，以甲烷为载体，可扩展能源的其他形式的利用，如家庭燃灶等。对该家庭能源系统进行有效地控制，能够帮助农村居民节省电费开支并且提高用电质量。

本发明的整个循环过程实现最低的碳排放和对可再生能源的最大化利用，保护环境并帮助农村居民节省电费开支。

附图说明

图1光伏-风电-甲烷混合的农村家庭能源系统。

图2光伏-风电-甲烷混合的农村家庭能源系统控制算法流程图。

图中附图标记：风力发电机 01、光伏发电机 02、甲烷产生器 03、沼气池 04、微型燃气轮机 05、家庭用电器 06、家庭燃灶 07、室内母线 08、PCC点 09、LBC(低带宽通信总线) 10、能量管理设备 11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如附图1所示，系统的电气、燃气和信息互联拓扑结构介绍如下：

基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源系统，包括沼气池04，以及接至室内母线的家庭用电器06；以及，分别通过管路连接至沼气池04的甲烷产生器03和微型燃气轮机05，甲烷产生器03将生成的甲烷送至沼气池04储存，微型燃气轮机05以沼气池04提供的甲烷为燃料进行发电；沼气池04还通过管路向家庭燃灶07提供甲烷，家庭燃灶07和微型燃气轮机05分别通过管路连接至甲烷产生器03，将燃烧后产生的二氧化碳作为甲烷产生器03生产甲烷的原料；该系统还包括设在室外的风力发电机01和光伏发电机02，与所述甲烷产生器03、微型燃气轮机05分别通过电缆接至室内母线08；在风力发电机01、光伏发电机02、甲烷产生器03、微型燃气轮机05、沼气池04，以及室内母线08与配网母线连接的PCC点09处，分别设有用于采集各设备的功率信息和沼气池04气压的信号采集装置，各信号采集装置分别通过以CAN总线技术为基础形成的LBC10连接至能量管理设备11。

本发明中，能量管理设备11可以使用工控机或具备运算与控制能力的单片机。甲烷产生器03包含整流装置和二氧化碳存储罐，家庭燃灶07和微型燃气轮机05分别通过管路连接至二氧化碳存储罐。微型燃气轮机05是额定功率为30kW的燃气轮机，例如可市购获得的航天能源公司的C30型Capstone微燃机产品。风力发电机01和光伏发电机02能够运行于MPPT，即最大功率点跟踪模式。

本发明中基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源系统的控制方法，是以沼气池04作为中间设备将甲烷产生器03、微型燃气轮机05和家庭燃灶07连接起来，并将微型燃气轮机05和家庭燃灶07产生的二氧化碳反馈至甲烷产生器03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，以甲烷产生器03作为可控负荷，以微型燃气轮机05作为可控电源，由能量管理设备11对微型燃汽轮机05和甲烷产生器03进行功率调度，将甲烷作为能量缓冲以保证用电的平稳性。

具体应用示例：

在家庭屋顶安装光伏发电机02，在开阔场地安装风力发电机01，将他们直接连接到室内母线08上，作为发电设备；在靠近沼气池的地方安装甲烷产生器03和微型燃气轮机05，甲烷产生器03包含整流装置和二氧化碳存储罐，微型燃气轮机05以甲烷产生器03产生的甲烷为燃料。两者分别消耗电能产生甲烷和燃烧甲烷产生电能，都直接连接到室内母线08上，其中甲烷产生器03可视作为可控负荷，微型燃气轮机05可视作为可控电源；家庭用电器06如电视、空调等也直接连接到室内母线上，作为用电负荷。通过室内母线08，光伏发电机02、风力发电机01、甲烷产生器03、微型燃气轮机05和家庭用电器06形成电气互联。

甲烷产生器03、微型燃气轮机05、家庭燃灶07之间通过沼气池04连接起来，其中沼气池04含有气压传感器，能够测量池内的气压，从而间接的测算出沼气的含量。同时微型燃气轮机05和家庭燃灶07产生的二氧化碳通过管道反馈到甲烷产生器03的二氧化碳存储罐，作为原料用于产生甲烷，实现了甲烷的产生，存储、消耗以及废气反馈的完整链，形成燃气互联。

能量管理设备11以CAN总线技术为基础形成低带宽通信总线LBC10，连接风力发电机01、光伏发电机02、甲烷产生器03、沼气池04、微型燃汽轮机05以及室内母线和配网母线连接的PCC点09，分别采集输出功率、输入功率和甲烷的含量等信息，形成信息互联。能量管理设备11根据以软件功能模块的形式嵌入(或安装)在其内部的能量管理算法，对作为可控设备的甲烷产生器03和微型燃气轮机05下发控制指令进行相应的功率控制。

如附图2所示，能量管理设备中的能量管理算法介绍如下：

能量管理设备11中的能量管理算法是以甲烷作为能量缓冲，当可再生能源出力充足的时候可用来制甲烷，当可再生能源出力短缺的时候甲烷燃烧又能发电，保证用电的平稳性，极大地减少由于可再生能源波动对电网造成的影响。光伏发电机01、风力发电机运行02在MPPT模式下，最大化的利用太阳能和风能进行发电；甲烷产生器03和微型燃气轮机05接受能量管理设备的调度，根据需要来消耗或者产生电能，平移可再生能源出力的波动。甲烷产生器03的原料二氧化碳来自家庭燃灶07和微型燃气轮机05，家庭燃灶07和微型燃气轮机05以沼气池04产生或储存的甲烷为燃料，他们之间实现碳的最大化循环利用，能够降低碳的排放，保护环境。

根据附图2所示的程序流程图所示，具体按照下述控制算法进行能量管理控制：

1、系统开始运行时，让风力发电机01和光伏发电机02处于MPPT运行模式，让甲烷产生器03的输入功率P_m和微型燃汽轮机05的输出功率P_c均为0；

2、确定甲烷产生器03的输入功率P_m和微型燃气轮机05的输出功率P_c的范围。

甲烷产生器03的输入功率范围，被设计成动态变化的，根据沼气池04中甲烷的存储容量V来变化。当甲烷的存储容量越大，允许的最大输入功率越小，当甲烷的储存容量越小，允许的最大输入功率越大；

确定甲烷产生器03的输入功率范围为[0,P_imax·f(V)]，其中P_imax是甲烷产生器03的额定最大输入功率，f(V)是单调递减函数，且f(0)＝1，f(V_max)＝0，V_max为沼气池04的最大容量，允许的最小输入功率为0，函数f(V)可根据实际运行的效果来试凑确立具体形式，如多项式型，f(V)＝1-V/V_max，等；

微型燃气轮机05的输出功率范围，被设计成动态变化的，根据沼气池04中甲烷的存储容量V来变化。当甲烷的存储容量越大，允许的最大输出功率越大；当甲烷的储存容量越小，允许的最大输出功率越小。

确定微型燃气轮机05的输出功率范围为[0,P_omax·h(V)]，其中P_omax是微型燃气轮机05的额定最大输出功率，h(V)是单调递增函数，且h(0)＝0，h(V_max)＝1，V_max为沼气池的最大容量允许的最小输出功率为0，函数h(V)可根据需根据实际运行的效果来试凑确立具体形式，如多项式型，h(V)＝V/V_max，h(V)＝(V/V_max)²等；

3、判断系统的运行区间。

检测到微型燃汽轮机05的输出功率P_c≥0而甲烷产生器03的输入功率P_m＝0，则进入以下步骤：

检测PCC点处的功率P_s，

a.若P_s<0或者P_c≥P_s≥0，则增加微型燃汽轮机05的输出功率P_c，使得在其输出功率范围之内尽可能让P_s为0，此时将甲烷产生器03的输入功率P_m仍然为0，停止制甲烷，也即

其中s为拉普拉斯算子，k_Pc为微型燃气轮机05的PI控制器的比例系数，k_Ic为微型燃气轮机05的PI控制器的积分系数；函数g(x)为限幅函数，限幅为0和P_omax·h(V)，即当x>P_omax·h(V)时，g(x)＝P_omax·h(V)；当0<x<P_omax·h(V)时，g(x)＝x；当x<0时，g(x)＝0。

b.若P_s>P_c>0,则降低微型燃气轮机05的输出功率P_c至0，通过增加甲烷产生器03的输入功率P_m，使得在其输入功率范围之内尽可能的让P_s为0，开始制甲烷，也即

其中s为拉普拉斯算子，k_Pm为甲烷产生器03的PI控制器的比例系数，k_Im为甲烷产生器03的PI控制器的积分系数；函数g(x)为限幅函数，限幅为0和P_imax·f(V)，即当x>P_imax·f(V)时，g(x)＝P_imax·f(V)；当0<x<P_imax·f(V)时，g(x)＝x；当x<0时，g(x)＝0。

本次执行结束，即执行完a或者b，返回步骤2；

4、判断系统的运行区间。

检测到微型燃汽轮机05的输出功率P_c＝0而甲烷产生器03的输入功率P_m>0，则进入以下步骤：

检测PCC点处的功率P_s，

a.若P_s>0或者-P_m≤P_s≤0，则增加甲烷产生器03的输入功率P_m，使得在其输入功率范围之内尽可能让P_s为0，此时微型燃汽轮机05的输出功率P_c仍然为0，也即

b.若P_s≤-P_m≤0，则降低甲烷产生器03的输入功率P_m至0，停止制甲烷，通过增加微型燃汽轮机05的输出功率P_c，使得在其输出功率范围之内尽可能让P_s为0，也即

本次执行结束，即执行完a或者b，返回步骤2。