一种多源复合型超导微电网系统及其能量管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超导微电网技术领域，特别涉及一种多源复合型超导微电网系统及其能量管理方法。
【背景技术】
[0002]近年来包括风能、太阳能等在内的多种自然能源被直接用作大容量并网发电。在自然能源丰富的地域直接建设大容量自然能源发电站，并接入至外来的公用电网中，再通过传统的高压输电线路输送至分布在不同地区的电力用户群。传统的高压输电线路采用铜或铝导线来传输电能，不可避免地产生大量的电能损耗。而采用高温超导线制备的超导直流、交流电缆具备近似零损耗的技术优势，可以代替传统的高压输电线路用于大容量电能传输。但是，由于超导直流、交流电缆要求工作在低温环境中，其实际应用需要增设额外的制冷设备。一种现有的解决方案是将超导直流、交流电缆安装在液氢传输管道内部，由液氢提供其低温工作环境。但是，由于液氢是一种极其低温(-253Γ、一个大气压)的液体，具有低温、绝热结构的液氢传输管道仍不可避免地产生一定的热泄露。而且，超导直流、交流电缆之间的电能变换往往采用将二者分别从液氢传输管道内部引出连接在设置在室温环境中的直流-交流变流器的方案，这将不可避免地造成大量的热泄露。
[0003]此外，由于风能、太阳能等在内的多种自然能源具有间歇性、不稳定性等技术问题，自然能源发电站的输出功率和电压存在较剧烈的动态波动性，其并网运行需要增设额外的电力储能设备，并通过动态的电能吸收或补偿操作以完成持续、稳定的电能供用。现有的电力储能设备主要为蓄电池、燃料电池等，但是其动态响应速度较慢，无法实现快速的电能吸收或补偿，且其功率密度较低，存在最大输入/输出功率不足的技术缺陷。具备动态响应速度快、输入/输出功率大的技术优势的超导磁储能磁体可以弥补蓄电池、燃料电池等电力储能设备的技术缺陷，但是其能量密度较低、研制成本昂贵。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种多源复合型超导微电网系统及其能量管理方法。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种多源复合型超导微电网系统，其包括公用电网子系统、可再生能源发电子系统、直流母线、液氢主管道、液氧主管道、电能存储与利用子系统、复合能源传输与利用子系统、能量状态监测器和能量管理控制器；其中，
[0006]所述公用电网子系统和所述可再生能源发电子系统分别将电能输入至所述直流母线，所述能量状态监测器用于监测所述直流母线的电能状态信息以及所述电能存储与利用子系统的储能状态信息，并由能量管理控制器控制电能存储与利用子系统存储所述直流母线上过剩的电能、所述液氢主管道中过剩的液氢以及所述液氧主管道中过剩的液氧，或者补偿所述直流母线上不足的电能、所述液氢主管道中不足的液氢以及所述液氧主管道中不足的液氧。
[0007]根据一种具体的实施方式，所述电能存储与利用子系统包括电解水设备、氢气液化设备、氧气液化设备、液氢存储罐、液氧存储罐、燃料电池发电站、超导磁储能磁体、第一直流斩波器和第二直流斩波器、液氢栗、液氧栗；其中，
[0008]所述电解水设备、所述氢气液化设备和所述氧气液化设备在所述能量管理控制器的控制下启动工作并且由所述直流母线供电，所述电解水设备将其产生的氢气和氧气分别通入所述氢气液化设备和所述氧气液化设备；
[0009]所述氢气液化设备产生的液氢经所述液氢主管道的分流，将一部分液氢输入至所述复合能源传输与利用子系统，其余部分输入至所述燃料电池发电站；
[0010]所述氧气液化设备产生的液氧经所述液氧主管道的分流，将一部分液氧输入至所述复合能源传输与利用子系统，其余部分输入至所述燃料电池发电站；
[0011]所述液氢存储罐通过所述液氢栗与所述液氢主管道连接，所述液氢栗在所述能量管理控制器的控制下，将所述液氢主管道中过剩的液氢存储至所述液氢存储罐中或将所述液氢存储罐中存储的液氢用来补偿所述液氢主管道中不足的液氢，或者所述液氢存储罐维持当前的液氢存储量不变；
[0012]所述液氧存储罐通过所述液氧栗与所述液氧主管道连接，所述液氧栗在所述能量管理控制器的控制下，将所述液氧主管道中过剩的液氧存储至所述液氧存储罐中或将所述液氧存储罐中存储的液氧用来补偿所述液氧主管道中不足的液氧，或者所述液氧存储罐维持当前的液氧存储量不变；
[0013]所述燃料电池发电站利用液氢、液氧而产生的直流电能通过所述第一直流斩波器后输送至所述直流母线，用于补偿所述直流母线上不足的电能；
[0014]所述超导磁储能磁体设置在所述液氢存储罐内部并通过所述第二直流斩波器与所述直流母线电连接，所述液氢存储罐内的液氢为所述超导磁储能磁体提供低温工作环境，所述超导磁储能磁体在所述能量管理控制器的控制下，将所述直流母线上过剩的电能转换为磁能存储或将其存储的磁能转换为电能来补偿所述直流母线上不足的电能，或者所述超导磁储能磁体维持当前的磁能存储量不变。
[0015]根据一种具体的实施方式，所述复合能源传输与利用子系统包括液氧传输管道、液氢传输管道、超导直流电缆、超导交流电缆、液氢杜瓦容器、直流-交流变流器、连接在所述超导直流电缆上的直流负载、连接在所述超导交流电缆上的交流负载、与所述液氢传输管道接通的液氢负载和与所述液氧传输管道接通的液氧负载；其中，
[0016]所述超导直流电缆与所述直流母线电连接，用于传输所述直流母线上的直流电會κ ;
[0017]所述液氧传输管道与所述液氧主管道接通，用于传输液氧并提供给液氧负载使用；
[0018]所述液氢传输管道与所述液氢主管道接通，用于传输液氢并提供给液氢负载使用；
[0019]并且，所述液氢传输管道、所述超导直流电缆和超导交流电缆均设置在所述液氧传输管道内，所述超导直流电缆和超导交流电缆均与所述液氢传输管道同轴设置，并且所述超导直流电缆和超导交流电缆位于所述液氢传输管道的内部；
[0020]所述直流-交流变流器设置在所述液氢杜瓦容器内部，并且所述液氢杜瓦容器分别通过前端节点通道和后端节点通道与所述液氢传输管道接通，所述超导直流电缆通过前端节点通道与所述直流-交流变流器电连接，所述超导交流电缆通过后端节点通道与所述直流-交流变流器电连接，使所述超导直流电缆传输的直流电能转换为由所述超导交流电缆传输的交流电能。
[0021]根据一种具体的实施方式，所述液氢杜瓦容器连接有液氢泄压控制系统，所述液氢泄压控制系统包括氢气回收站、泄压控制电路和氢气压力传感器；其中，
[0022]所述氢气回收站通过氢气回收管道与所述液氢杜瓦容器连接，所述氢气回收管道上设置有氢气阀门；所述泄压控制电路根据所述氢气压力传感器检测出所述液氢杜瓦容器内氢气的压力，当压力高于氢气压力阈值时，开启所述氢气阀门，使所述液氢杜瓦容器中的氢气进入所述氢气回收站，直至压力不高于所述氢气压力阈值。
[0023]根据一种具体的实施方式，所述超导直流电缆和所述超导交流电缆由BSCC0高温超导导线或ReBCO高温超导导线绕制而成。
[0024]根据一种具体的实施方式，所述公用电网子系统包括公用交流电网、第一交流-直流变流器和第三直流斩波器；其中，
[0025]所述公用交流电网传输的交流电能，经所述第一交流-直流变流器转化为直流电后，再通过所述第三直流斩波器输送至所述直流母线。
[0026]根据一种具体的实施方式，所述可再生能源发电子系统包括风力发电站、第二交流-直流变流器、第四直流斩波器、光伏发电站和第五直流斩波器；其中，
[0027]所述风力发电站利用风能而产生的交流电能，经所述第二交流-直流变流器转化为直流电后，再通过所述第四直流斩波器输送至所述直流母线；
[0028]所述光伏发电站利用光能而产生直流电能并通过所述第五直流斩波器输送至所述直流母线。
[0029]一种多源复合型超导微电网系统的能量管理方法，该方法为:由能量状态监测器监测直流母线上的母线电压Udc、液氢主管道中的液氢流速Sh和液氧主管道中的液氧流速So ；
[0030]由能量管理控制器根据母线电压Udc，控制超导磁储能磁体工作为电能-磁能状态，用于及时存储所述直流母线上过剩的电能，以及控制电解水设备、氢气液化设备和氧气液化设备启动工作，用于持续吸收所述直流母线上过剩的电能；或者控制超导磁储能磁体工作为磁能-电能状态，用于及时补偿所述直流母线上不足的电能，以及控制燃料电池发电站启动工作，用于持续补偿所述直流母线上不足的电能；或者控制超导磁储能磁体工作为磁能存储状态，以及控制电解水设备、氢气液化设备和氧气液化设备启动工作，用于维持所述超导磁储能磁体的磁能存储量不变，并维持所述直流母线上的母线电压在预设的上、下阈值之间；
[0031]由能量管理控制器根据所述液氢主管道中的液氢流速Sh及所述液氧主管道中的液氧流速So，控制所述液氢栗、所述液氧栗工作为正向转动状态，用于持续吸收所述液氢主管道中过剩的液氢和所述液氧主管道中过剩的液氧，并存储至所述液氢存储罐、所述液氧存储罐中；