一种基于电气转换储能的电气联合系统及在线调控方法与流程

本发明涉及电气联合系统技术领域，尤其涉及一种基于电气转换储能的电气联合系统及在线调控方法。

背景技术：

我国现在是世界上最大的风力发电市场，截止到2016年，我国风力发电容量占全球风力发电容量的35％。尽管风电的渗透性日益增强，我国仍然面临着严重的风力削减问题，特别是在北方省份。风电消纳的主要障碍是电力系统的灵活性不够。然而，在我国北方地区，60％以上的发电机组是热电联产(chp)机组，为了保证供暖需求，热电联产机组采用“以热定电”的运行模式。热电联产机组“以热定电”的运行模式压缩了风电上网空间，加剧了弃风现象。

随着新能源的使用受到了人们的广泛重视，风电等新能源发电系统装机容量在不断并增加，预计到2020年风机装机容量将达到2亿千瓦。但是由于风电场和电网建设不同步、风电特性和电网调峰能力不匹配等原因，在一些地区出现了弃风现象，造成了能源浪费和经济损失。综合能源系统架构集成可再生能源是提高可再生能源利用率的重要手段之一。基于天然气和电力供能的微网系统是典型用户侧综合能源系统形态，通过对微网中天然气和电力环节进行协调优化，可以提高可再生能源利用率；此外，也可以在耦合系统中发展储气、储电和储势等技术，提高可再生能源的利用率，最终形成多元消纳技术和多元储能技术减少弃风现象。由于电力大量存储会存在高成本等问题，而储气成本相对较低，因此，可以在微网中大力发展储气技术。例如，通过电转气技术将多余的风电转化为天然气进行存储，减小弃风、弃光等现象。

电转气技术是在负荷低谷、可再生能源出力高峰时段，将富裕的电能转化为天然气或氢气，存储在天然气管网或天然气存储设备中；在电力短缺时段，将存储的气体转化为电能或者热能提供给用户，从而提高了微网在负荷低谷时段消纳可再生能源的能力。电转气技术也增加了电–气联合环节的耦合作用，增强电力网络与天然气网络系统之间的功能稳定性。

电转气将电能转化为化学能，通过氢气或天然气存储起来。根据电转气的最终产物不同，可以将电转气技术分为电解氢和甲烷化二个阶段。首先，将多余的电能通过电解水产生氢气，其能量将多余的电能电解水生产氢气，直接用于工业生产或者在安全约束下进行燃气发电，化学方程式为：

2h2o→2h2+o2(1)

电解产生的氢气可以直接利用，但是由于氢气存储和传输困难，一般采用电解天然气的形式，即甲烷化。天然气较氢气有更高的单位能量密度，并且可以直接注入现有天然气网络进行大规模存储和远距离传输。电转天然气是在电解氢气的基础上，利用二氧化碳和氢气在高温高压环境下反应生成甲烷，化学方程式为：

co2+4h2→ch4+2h2o(2)

甲烷化过程是一个放热催化反应，反应所需的二氧化碳可来源于工业生产过程中产生的废气、化石燃料燃烧发电、生物质和空气等。甲烷化后的天然气后可注入天然气网络存储，天然气一般存储在废弃油气田、含水层或盐穴中。天然气存储容量巨大，可达几百兆立方米，相当于存储电能达到tw·h级别。电负荷高峰时段通过燃料电池或燃气轮机将天然气转化为电能，以此形成电–气–电的循环储能系统，传统的储能设备电转气存储容量小、放电时间短，无法有效消纳大规模的风电，且无法实现能量的长时间、大范围时空平移；传统的储能设备都为单时间的断面优化，导致调控缺少灵活性；

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于电气转换储能的电气联合系统及在线调控方法，通过电转气设备、燃气轮机、燃气热电联产机组、燃气锅炉和储气罐间的有序配合，增强了电气联合系统运行的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种基于电气转换储能的电气联合系统，包括能量源信息采集单元、能量转换单元和负荷单元；

所述负荷单元包括电负荷单元和热负荷单元，所述电负荷单元用于为负载的用电设备提供电负荷，所述热负荷单元用于负载的用户提供热能；

所述能量源信息采集单元包括能量信息采集器和天然气母线；能量信息采集器分别与风电机组、电网以及能量转换单元相连接，所述天然气母线与天然气网络相连接；

所述能量转换单元包括：电转气设备、燃气轮机、燃气热电联产机组、燃气锅炉和储气罐；所述电转气设备的输入端与电母线相连接，电母线与电负荷单元相连接；所述电转气设备的输出端与储气罐的输入端相连接；所述储气罐的输出端与燃气轮机的输入端相连接；所述燃气轮机的输出端与电母线相连接；能量信息采集器分别与燃气热电联产机组和燃气锅炉相连接；所述燃气锅炉的输入端与天然气母线相连接；所述燃气锅炉的输出端与热负荷单元相连；所述燃气热电联产机组的输入端与天然气母线相连接；所述燃气热电联产机组的输出端分别与热负荷单元的输入端和电母线相连；

另一方面，本发明提供一种基于电气转换储能的在线调控方法，通过所述的一种基于电气转换储能的电气联合系统实现，包括以下步骤：

步骤1：以1小时作为一个调度时段，以24个调度时段作为一个调度周期t，获取电气联合系统能量信息采集器获取的当前时段t的能量源信息、能量转换单元中储气罐气压ps和负荷单元中当前时段t的负荷信息；所述能量源信息包括燃气热电联产机组的耗气功率pgas,chp和燃气锅炉的耗气功率pgas,gb，风电机组出力pf，向电网购电量pgrid；所述负荷信息包括电负荷pe和热负荷ph；

步骤2：对电气联合系统中能量源信息采集器中当前时段t的风电机组出力pf和负荷单元中当前时段t的电负荷pe和热负荷ph的变化量进行监测，判断电气联合系统是否发生能量更新，若是，则执行步骤3，若否则维持原来运行状态并执行步骤1；

其中，触发能量更新的情况包括：

1)风电机组出力的变化量超过阈值εpf(t-1)：|pf-pf(t-1)|>εpf(t-1)；

2)负荷单元能量需求的变化量超过阈值τl(t-1)：|l-l(t-1)|>τl(t-1)；

式中，l＝pe+ph，ε、τ为参数，其取值是根据实际的负荷情况产生的上下调控范围；t-1表示上一时段，t表示当前时段；

步骤3：当电气联合系统发生能量更新时，采用电气转换储能的在线调控策略，所述调控策略为当燃气热电联产机组供应能够满足系统需求时则维持现状，燃气热电联产机组供应不能满足系统需求时优先采用燃气热电联产机组满足热负荷的需求，燃气锅炉作为备用热源，电量根据用户优先级原则进行再分配；然后判断电负荷是否满足系统需求；若满足且电能过剩，则系统采用电转气装置，将多余的风电出力转化为天然气，并将天然气存储在储气罐中；若不满足，则电转气装置储气罐放气，采用燃气轮机将天然气转化为电能供给系统电负荷或向电网购电pgrid；

步骤4：判断电气联合系统当前时段t是否小于调度周期t，如果t<t，则本调度时段结束，令t＝t+1后，执行步骤1；如果t＝t，则结束本周期的调度。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：优先采用燃气热电联产机组满足热负荷的需求，燃气锅炉作为备用热源；

判断电气联合系统中热负荷ph由燃气热电联产机组供应是否满足系统需求，其中确定满足热负荷需求的标志为：

式中，wl＝1时表示满足热负荷需求，wl＝0时表示不满足热负荷需求；pchp,h为燃气热电联产机组的产热功率；其中，燃气热电联产机组的产热功率为：

pchp,h＝ηchp,hpgas,chp

式中，ηchp,h表示燃气热电联产机组的热转换效率；pgas,chp表示燃气热电联产机组的耗气功率；

若wl＝1时，即燃气热电联产机组供应能够满足系统需求，锅炉不启动工作，维持现有工作状态；

若wl＝0时，即燃气热电联产机组供应不能满足系统需求，燃气锅炉作为燃气热电联产机组的热备用启动，与燃气热电联产机组联合工作满足热负荷需求：

pchp,h+pgb,h≥ph；

其中，燃气锅炉的产热功率：

pgb,h＝ηgbpgas,gb

式中，pgb,h为燃气锅炉的产热功率；ηgb表示燃气锅炉效率；pgas,gb表示燃气锅炉的耗气功率；

步骤3.2：根据当前时段风电机组出力pf，燃气热电联产机组电出力pchp和电负荷pe，判断t时段电负荷是否满足系统需求；系统满足电负荷需求的标志：

式中，ut＝1时表示电能过剩，ut＝0时表示电能不足；

其中，燃气热电联产机组的发电功率为:

pchp＝ηchppgas,chp

式中，ηchp表示燃气热电联产机组的电转换效率。

如果ut＝1时，即t时段电负荷能够满足系统需求，且电能过剩，则进行步骤3.3，如果ut＝0时，即t时段电负荷不能满足系统需求，则跳转至步骤3.4；

步骤3.3：若发电量过大，满足基础电负荷后仍有余量，系统采用电转气装置，将多余的风电出力转化为天然气，并将天然气存储在储气罐中，判断电转气设备储气罐存储容量是否满足储气条件：

式中，vt＝1时表示可以储气，vt＝0时表示为不可以储气；ss为电转气储气罐当前调度时段的存储容量，ss,min为电转气储气罐内最小存储容量，ss,max为电转气储气罐内最大存储容量。

电转气设备储气罐的存储容量为：

△p＝ps-p0

式中，k为储气罐内压缩机单位时间耗气量；pa为电转气储气罐安装所在地的海拔高度的大气压；△p为当前调度时段电转气储气罐气压ps与最低送出气压p0的变化量；kl为当前调度时段内电转气储气罐内压力综合参数；q为当前调度时段内电转气储气罐输出气流量；

当vt＝0时，即电转气设备储气罐存储容量不满足储气条件，则跳转至步骤4；如果vt＝1时，表示电转气储气罐容量满足储气条件，则将多余的风电转化的天然气存储在储气罐中，然后跳转至步骤3.5；

其中，电转气设备消耗的电能为：

式中，pp2g表示电转气设备的耗电功率；hg表示天然气的热值；ηp2g表示电转气设备的转换效率；

步骤3.4：:若t时段电负荷无法满足系统基础电负荷需求时，判断电转气装置储气罐存储容量是否满足放气条件；若是，则电转气装置储气罐放气，采用燃气轮机将天然气转化为电能供给系统电负荷，然后跳转至步骤3.5；若否，则向电网购电pgrid；

所述放气条件为：

式中,xt＝1时表示可以放气，xt＝0时表示为不可以放气；

其中，储气罐不可以放气时向电网购电量：

pgrid＝pe-pchp-pf

式中,pgrid表示储气罐不可以放气时向电网的购电量；

燃气轮机的发电功率：

pgt＝ηgtqhg

式中，pgt表示燃气轮机的发电功率；ηgt表示燃气轮机的转换效率；

步骤3.5：判断当前时段t是否达到电能平衡状态：

式中，如果yt＝1时，即达到电能平衡状态，则跳转至步骤4；如果yt＝0时，即无法达到电能平衡状态，则向电网购电pgrid，直到电能平衡后返回步骤4；

其中，电能处于平衡状态时向电网购电量：

pgrid＝pe-pchp-pf-pgt

式中,pgrid表示为达到电能平衡时向电网购电量。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于电气转换储能的电气联合系统及在线调控方法，本系统对电–气联合系统进行单元化处理，使其便于控制和执行在线调控策略，为了平抑风电出力、负荷需求的波动性，本发明提出了在线调控策略，该策略利用电转气设备提高了电–气互联综合能源系统风电消纳能力，同时在电负荷低谷和风电出力高峰时段能够有效减缓了负荷的波动；通过电转气设备和燃气轮机实现了电力网络与天然气网络间双向能量流动，增强电–气网络的耦合，提高了能源利用效率从而提高了系统的稳定性。通过电-气转换储能的在线调控策略对能量进行分配，使系统具有良好的灵活的调控作用。本方法较传统的储能设备，电转气存储容量大、放电时间长，可有效消纳大规模风电并实现能量的长时间、大范围时空平移；燃气轮机组与电转气技术实现了电力网络与天然气网络间双向能量流动，增强电–气网络的耦合，提高了能源利用效率从而提高了系统稳定性；

附图说明

图1为本发明实施例提供的电气转换储能的电气联合系统结构图；

图2为本发明实施例提供的电气转换储能的在线调控方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的方法如下所述。

一方面，本发明提供一种基于电气转换储能的电气联合系统，如图1所示，包括能量源信息采集单元、能量转换单元和负荷单元；

所述负荷单元包括电负荷单元和热负荷单元，所述电负荷单元用于为负载的用电设备提供电负荷，所述热负荷单元用于为负载的用户提供热能；

所述能量源信息采集单元用于采集风电机组输出端信息、电网和天然气母线上的信息；包括能量信息采集器和天然气母线；能量信息采集器分别与风电机组、电网以及能量转换单元相连接，所述天然气母线与天然气网络相连接；

所述能量转换单元包括：电转气设备(p2g)、燃气轮机、燃气热电联产机组(chp)、燃气锅炉和储气罐；所述电转气设备的输入端与电母线相连接，电母线与电负荷单元相连接；所述电转气设备的输出端与储气罐的输入端相连接；所述储气罐的输出端与燃气轮机的输入端相连接；所述燃气轮机的输出端与电母线相连接；能量信息采集器分别与燃气热电联产机组和燃气锅炉相连接；所述燃气锅炉的输入端与天然气母线相连接；所述燃气锅炉的输出端与热负荷单元相连；所述燃气热电联产机组的输入端与天然气母线相连接；所述燃气热电联产机组的输出端分别与热负荷单元的输入端和电母线相连；

所述能量转换单元，作为电气联合系统的能量枢纽，计及了电转气设备和燃气轮机两种耦合形式。通过监测当前时段储气罐气压ps，来决定储气罐的运行状态。电转气将多余的风电转化为天然气，注入储气罐中储存。相反，燃气轮机通过消耗储气罐中天然气，将获得的电能汇集到电母线上，实现了电力网络与天然气网络间双向能量流动。

另一方面，本发明提供一种基于电–气转换储能的在线调控方法，通过所述的一种基于电气转换储能的电气联合系统实现，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：以1小时作为一个调度时段，以24个调度时段作为一个调度周期t，获取电–气联合系统能量源信息采集器中当前时段t的能量源信息、能量转换单元中储气罐气压ps和负荷单元中当前时段t的负荷信息；所述能量源信息包括燃气热电联产机组的耗气功率pgas,chp和燃气锅炉的耗气功率pgas,gb，风电机组出力pf，向电网购电量pgrid；所述负荷信息包括电负荷pe和热负荷ph；

步骤2：对电–气联合系统中能量源信息采集器中当前时段t的风电机组出力pf和负荷单元中当前时段t的电负荷pe和热负荷ph的变化量进行监测，判断电–气联合系统是否发生能量更新，若是，则执行步骤3，若否则维持原来运行状态并执行步骤1；

其中，触发能量更新的情况包括：

1)风电机组出力的变化量超过一定阈值：|pf-pf(t-1)|>εpf(t-1)；

2)负荷单元能量需求的变化量超过一定阈值：|l-l(t-1)|>τl(t-1)；

式中，l＝pe+ph,ε,τ为参数，ε,τ的取值是根据实际的负荷情况产生的上下调控范围；t-1表示上一时段，t表示当前时段；l(t-1)＝pe(t-1)+ph(t-1)；

步骤3：当电–气联合系统发生能量更新时，采用一种基于电–气转换储能的在线调控策略，所述调控策略为当燃气热电联产机组供应能够满足系统需求时则维持现状，燃气热电联产机组供应不能满足系统需求时优先采用燃气热电联产机组满足热负荷的需求，燃气锅炉作为备用热源，电量根据用户优先级原则进行再分配；然后判断电负荷是否满足系统需求；若满足且电能过剩，则系统采用电转气装置，将多余的风电出力转化为天然气，并将天然气存储在储气罐中；若不满足，则电转气装置储气罐放气，采用燃气轮机将天然气转化为电能供给系统电负荷或向电网购电pgrid；具体步骤如下：

步骤3.1：由于热负荷和电负荷中固定部分都具有不可调控性，优先采用燃气热电联产机组满足热负荷的需求，燃气锅炉作为备用热源；

判断电–气联合系统中热负荷ph由燃气热电联产机组供应是否满足系统需求，其中确定满足热负荷需求的标志为：

式中，wl＝1时表示满足热负荷需求，wl＝0时表示不满足热负荷需求；pchp,h为燃气热电联产机组的产热功率；其中，燃气热电联产机组的产热功率为：

pchp,h＝ηchp,hpgas,chp

式中，ηchp,h表示燃气热电联产机组的热转换效率；pgas,chp表示燃气热电联产机组的耗气功率；

若wl＝1时，即燃气热电联产机组供应能够满足系统需求，锅炉不启动工作，维持现有工作状态；

若wl＝0时，即燃气热电联产机组供应不能满足系统需求，燃气锅炉作为燃气热电联产机组的热备用启动，与燃气热电联产机组联合工作满足热负荷需求：

pchp,h+pgb,h≥ph；

其中，燃气锅炉的产热功率：

pgb,h＝ηgbpgas,gb

式中，pgb,h为燃气锅炉的产热功率；ηgb表示燃气锅炉效率；pgas,gb表示燃气锅炉的耗气功率；

步骤3.2：根据当前时段风电机组出力pf，燃气热电联产机组电出力pchp和电负荷pe，判断t时段电负荷是否满足系统需求；系统满足电负荷需求的标志：

式中，ut＝1时表示电能过剩，ut＝0时表示电能不足；

其中，燃气热电联产机组的发电功率为:

pchp＝ηchppgas,chp

式中，ηchp表示燃气热电联产机组的电转换效率。

如果ut＝1时，即t时段电负荷能够满足系统需求，且电能过剩，则进行步骤3.3，如果ut＝0时，即t时段电负荷不能满足系统需求，则跳转至步骤3.4；

步骤3.3：若发电量过大，满足基础电负荷后仍有余量，系统采用电转气装置，将多余的风电出力转化为天然气，并将天然气存储在储气罐中，判断电转气设备储气罐存储容量是否满足储气条件：

式中，vt＝1时表示可以储气，vt＝0时表示为不可以储气；ss为电转气储气罐当前调度时段的存储容量，ss,min为电转气储气罐内最小存储容量，ss,max为电转气储气罐内最大存储容量。

电转气设备储气罐的存储容量为：

△p＝ps-p0

式中，k为储气罐内压缩机单位时间耗气量；pa为电转气储气罐安装所在地的海拔高度的大气压；△p为当前调度时段电转气储气罐气压ps与最低送出气压p0的变化量；kl为当前调度时段内电转气储气罐内压力综合参数；q为当前调度时段内电转气储气罐输出气流量；

当vt＝0时，即电转气设备储气罐存储容量不满足储气条件，则跳转至步骤4；如果vt＝1时，表示电转气储气罐容量满足储气条件，则将多余的风电转化的天然气存储在储气罐中，然后跳转至步骤3.5；

其中，电转气设备消耗的电能为：

式中，pp2g表示电转气设备的耗电功率；hg表示天然气的热值；ηp2g表示电转气设备的转换效率；

步骤3.4：:若t时段电负荷无法满足系统基础电负荷需求时，判断电转气装置储气罐存储容量是否满足放气条件；若是，则电转气装置储气罐放气，采用燃气轮机将天然气转化为电能供给系统电负荷，然后跳转至步骤3.5；若否，则向电网购电pgrid；

所述放气条件为：

式中,xt＝1时表示可以放气，xt＝0时表示为不可以放气；

其中，储气罐不可以放气时向电网购电量：

pgrid＝pe-pchp-pf

式中,pgrid表示储气罐不可以放气时向电网的购电量；

燃气轮机的发电功率：

pgt＝ηgtqhg

式中，pgt表示燃气轮机的发电功率；ηgt表示燃气轮机的转换效率；

步骤3.5：判断当前时段t是否达到电能平衡状态：

式中，如果yt＝1时，即达到电能平衡状态，则跳转至步骤4；如果yt＝0时，即无法达到电能平衡状态，则向电网购电pgrid，直到电能平衡后返回步骤4；

其中，电能处于平衡状态时向电网购电量：

pgrid＝pe-pchp-pf-pgt

式中,pgrid表示为达到电能平衡时向电网购电量。

步骤4：判断电–气联合系统当前时段t是否小于调度周期t，如果t<t，则本调度时段结束，令t＝t+1后，执行步骤1；如果t＝t，则结束本周期的调度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。