基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统及运行策略的制作方法

1.本发明涉及燃料电池系统的研究领域，特别涉及基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统及运行策略。


背景技术：

2.沼气由工业、农业或者城镇生活中的大量有机废弃物经过厌氧发酵产生，是一种优质的可再生资源，主要成分是二氧化碳和甲烷。合理利用沼气资源可以实现良好的废物利用、减少环境污染、节约能源。
3.沼气的发电技术主要包括沼气内燃机、燃气锅炉、沼气燃料电池等。在上述的技术中，固体氧化物燃料电池(sofc)由于其燃料适应性广、高效、清洁、安静等优点，非常适合沼气的分布式发电利用。
4.采用沼气生物质发电等作为调节性电源可以增加分布式发电的类型和规模，推进其市场化建设。将沼气燃料电池技术作为一种分布式发电技术纳入能源互联网中，不仅拓宽了沼气的利用途径，节能环保，又可以丰富能源互联网互联协调、互补协同的形式，是解决沼气分布式发电并网难的问题的一种可行方法。
5.cn107146900b公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统。其具有以下结构：空气供应子系统，其连接空气换热器，沼气供应子系统，其连接沼气换热器，水供应子系统，其分别连接水蒸发器和水加热器；空气换热器依次连接沼气换热器、水蒸发器和水加热器；水加热器还分别连接沼气供应子系统和热网；沼气换热器和水蒸发器分别连接重整器；所述空气换热器和重整器分别连接固体氧化物燃料电池子系统；所述固体氧化物燃料电池子系统连接燃烧器再连接空气换热器，所述固体氧化物燃料电池子系统连接电能输出子系统的一端，所述电能输出子系统的另一端连接电网。该系统能实现高效的热电联供。该发明还公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统的运行策略。具体包括以下过程：步骤s1,中央控制系统监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，环境监测站收集实时环境信息，并建立电网及热网的生产量与消费量之间的函数关系1,根据函数关系1判断电网或热网负荷是否产生波动，根据实时环境信息计算负荷的波动范围和持续时间，如果波动持续时间长于沼气燃料电池系统的响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，调节沼气池控制阀增大或者减小的流量，降低沼气燃料电池系统输出给电网和热网的电量和热量，平衡电网和热网的负荷：步骤s2,中央控制系统接收实时环境信息，得到实时环境信息与电网及热网的生产量和消费量之间的函数关系ⅱ,根据函数关系ⅱ以及未来几天的环境信息预测未来几天电网及热网的生产量和消费量，判断该预测结果之间的关系，如果生产量大于消费量，则调节沼气控制阅减少沼气流量，如果生产量小于消费量，则调节沼气控制阀增加沼气流量。
6.现有技术存在以下缺陷：
7.1.在热量与电量调控中，当热量与电量供需调整方向不一致(如要达到新的供需平衡点，需要提高系统热量的产出，减少电量的产出)时，只通过改变单一控制量——沼气
的流量无法满足新的供需平衡要求，无法达到运行策略的预期目标。
8.2.在热量与电量调控中，当热量与电量供需调整方向一致，但调整的幅度差距较大时，仅通过改变单一控制量——沼气的流量无法精确匹配新的供需平衡要求，未能达到运行策略的预期目标。
9.3.该策略没有形成持续动态跟踪、调整燃料电池系统热量、电量产量的机制。


技术实现要素：

10.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统及运行策略，解决了沼气燃料电池热电联产系统在热量与电量调控中，精准匹配供需平衡所需的热、电产出量的问题，并且实现了动态跟踪，及时调整的良好效果。
11.本发明的第一目的在于提供基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的运行策略。
12.本发明的第二目的在于提供基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统。
13.本发明的第一目的通过以下的技术方案实现：
14.基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的运行策略，包括以下步骤：
15.监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，环境监测站收集备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息；
16.根据所述实时负荷信息和所述实时环境信预测短时间内能源互联网中电能和热能的产量和负荷；
17.根据所述预测数据判断短时电、热供需平衡情况；
18.根据所述短时电、热供需平衡情况对调节系统进行调整，进而调整电、热产出量。
19.进一步地，还包括：
20.在调整电、热产出量后，继续跟踪短时电、热供需平衡情况，若再次出现不平衡情况，则重新进行根据所出现的不平衡情况对调节系统进行调整。
21.进一步地，所述根据所述短时电、热供需平衡情况对调节系统进行调整，进而调整电、热产出量，具体为：
22.当电、热调整方向一致时，通过调节第一沼气控制装置，进而调整系统电、热产出量；
23.当电、热之中只有一种能源需要调整时，调节需要调整能源所对应的调节器，进而调节对应的能量产出量；
24.当电、热调整方向相反时，根据调整方向分别调节第二沼气控制装置和储能单元工作状态，进而调整系统电、热产出量。
25.进一步地，所述当电、热之中只有一种能源需要调整时，具体为：
26.当只有电能源需要调整时，通过调节储能单元工作状态，进而调节电产出量；
27.当只有热能源需要调整时，通过调节第二沼气控制装置，进而调节热产出量。
28.进一步地，所述储能单元为电化学储能单元或飞轮储能单元。
29.进一步地，所述第一沼气控制装置为沼气控制阀或沼气加压气泵，所述第二沼气控制装置为沼气控制阀或沼气加压气泵。
30.进一步地，所述实时负荷信息，具体为：所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统的实时用电负荷与用热负荷，包括独立电网的功率、电压、频率以及热网的负荷功率、能效等信息。
31.所述实时环境信息，具体为：所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统相关区域的气象变化数据及以此为根据对分布式新能源未来短时间内的出力变化预测数据。
32.进一步地，所述预测短时间内能源互联网中电能和热能的产量和负荷，具体为：根据上述实时负荷信息、实时环境信息，结合历史负荷数据，预测所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统热网、电网负荷需求变化及分布式新能源出力变化情况。
33.进一步地，所述根据所述预测数据判断短时电、热供需平衡情况，具体为：
34.结合实时、历史的电热负荷以及环境信息，预测短时间内所述基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的电热负荷及供能变化情况，并对比供能与负荷的平衡关系；
35.未来短时内所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统热、电负荷与供电、供热是否达到平衡关系，若不满足平衡关系给出可行的调整策略；
36.所述平衡关系如下：
37.(1)未来短时间内sofc所供热量能满足系统热负荷需求时，则满足热负荷平衡条件；若sofc供热不足或有剩余，则不满足热负荷平衡。
38.(2)未来短时间内光伏、风电及sofc供电可满足系统用电需求时，则满足电负荷平衡条件；否则系统电负荷不平衡。
39.本发明的第二目的通过以下技术方案实现：
40.基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统，用于实现沼气燃料电池热电联产系统运行策略，其特征在于，包括：空气供应子系统、沼气供应子系统、水供应子系统、空气换热器、沼气换热器、水蒸发器、水加热器、重整器、固体氧化物燃料电池子系统、燃烧器和电能输出子系；所述空气供应子系统连接空气换热器，所述沼气供应子系统连接沼气换热器，所述水供应子系统分别连接水蒸发器和水加热器，所述空气换热器依次连接沼气换热器、水蒸发器和水加热器，所述水加热器还分别连接沼气供应子系统和热网，所述沼气换热器和水蒸发器分别连接重整器，所述空气换热器和重整器分别连接固体氧化物燃料电池子系统，所述固体氧化物燃料电池子系统连接燃烧器再连接空气换热器，所述固体氧化物燃料电池子系统连接电能输出子系统的一端，所述电能输出子系统的另一端连接电网；所述沼气供应子系统设置有第一沼气控制装置、第二沼气控制装置，所述第一沼气控制装置连接在沼气池和脱硫器之间，所述第二沼气控制装置连接在沼气池和燃烧器之间；所述固体氧化物燃料电池子系统设置有存储单元，所述存储单元连接在固体氧化物燃料电池子系统的逆变单元和电网之间。
41.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
42.本发明解决了沼气燃料电池热电联产系统在热量与电量调控中，精准匹配供需平衡所需的热、电产出量的问题，并且实现了动态跟踪，及时调整的良好效果。
附图说明
43.图1是本发明所述基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的运行策略流程图；
44.图2是本发明所述实施例1中运行策略图；
45.图3是本发明所述于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统结构图。
具体实施方式
46.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
47.实施例1：
48.基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的运行策略，如图1所示，包括以下步骤：
49.监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，环境监测站收集备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息；
50.根据所述实时负荷信息和所述实时环境信预测短时间内能源互联网中电能和热能的产量和负荷；
51.根据所述预测数据判断短时电、热供需平衡情况；
52.根据所述短时电、热供需平衡情况对调节系统进行调整，进而调整电、热产出量。
53.在调整电、热产出量后，继续跟踪短时电、热供需平衡情况，若再次出现不平衡情况，则重新进行根据所出现的不平衡情况对调节系统进行调整。
54.所述根据所述短时电、热供需平衡情况对调节系统进行调整，进而调整电、热产出量，具体为：
55.当电、热调整方向一致时，通过调节第一沼气控制装置，进而调整系统电、热产出量；
56.当电、热之中只有一种能源需要调整时，调节需要调整能源所对应的调节器，进而调节对应的能量产出量；具体为：
57.当只有电能源需要调整时，通过调节储能单元工作状态，进而调节电产出量；
58.当只有热能源需要调整时，通过调节第二沼气控制装置，进而调节热产出量。
59.当电、热调整方向相反时，根据调整方向分别调节第二沼气控制装置和储能单元工作状态，进而调整系统电、热产出量。
60.进一步地，所述储能单元为电化学储能单元或飞轮储能单元。
61.进一步地，所述第一沼气控制装置为沼气控制阀或沼气加压气泵，所述第二沼气控制装置为沼气控制阀或沼气加压气泵。
62.进一步地，所述实时负荷信息，具体为：所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统的实时用电负荷与用热负荷，包括独立电网的功率、电压、频率以及热网的负荷功率、能效等信息。
63.所述实时环境信息，具体为：所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统相关区域的气象变化数据及以此为根据对分布式新能源未来短时间内的出力变化预测数据。
64.进一步地，所述测短时间内能源互联网中电能和热能的产量和负荷，具体为：根据上述实时负荷信息、实时环境信息，结合历史负荷数据，预测所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统热网、电网负荷需求变化及分布式新能源出力变化情况。
65.进一步地，根据所述预测数据判断短时电、热供需平衡情况，具体为：
66.结合实时、历史的电热负荷以及环境信息，预测短时间内所述基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统的电热负荷及供能变化情况，并对比供能与负荷的平衡关系；
67.未来短时内所述基于能源互联网的沼气燃料电池系统热、电负荷与供电、供热是否达到平衡关系，若不满足平衡关系给出可行的调整策略；
68.所述平衡关系如下：
69.(1)未来短时间内sofc所供热量能满足系统热负荷需求时，则满足热负荷平衡条件；若sofc供热不足或有剩余，则不满足热负荷平衡。
70.(2)未来短时间内光伏、风电及sofc供电可满足系统用电需求时，则满足电负荷平衡条件；否则系统电负荷不平衡。
71.具体如下：
72.运行策略如图2所示。监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，得到能源互联网中电能和热能的产量和负荷随时间的函数关系i，同时环境监测站收集备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息；建立函数i后，判断短时电、热供需是否平衡，(1)当热、电调整方向一致时通过调节沼气控制阀a2-2的开度调节系统热电产出量；(2)当只有热(或电)一种能源需要调整时，只调节沼气控制阀b2-5开度(或电化学储能单元6-3工作状态)来调节热(电)产出量；(3)当热、电调整方向相反时，根据调整方向分别调节沼气控制阀b2-5开度和电化学储能单元6-3工作状态，进而调整系统的热、电产出量；(4)在上述调整完成后继续跟踪短时热、电供需平衡情况，若不平衡情况再次出现，则重新按照上述策略选择对应的系统热、电产出量调整方法，不断循环，达到动态跟踪、及时调整的效果。
73.在上述策略中，策略(3)可以有效解决第二项背景技术最主要、最关键的问题；策略(4)可解决问题3；对于问题2，可通过策略(1)-(4)-(2)的组合解决热电调节量参差的问题。综上，通过上述优化后的系统结构及优化运行策略能有效解决背景技术存在的问题，达到预期目标。
74.实施例2：
75.基于能源互联网的沼气燃料电池热电联产系统，如图3所示，用于实现沼气燃料电池热电联产系统运行策略，其特征在于，包括：空气供应子系统、沼气供应子系统、水供应子系统、空气换热器、沼气换热器、水蒸发器、水加热器、重整器、固体氧化物燃料电池子系统、燃烧器和电能输出子系；所述空气供应子系统连接空气换热器，所述沼气供应子系统连接沼气换热器，所述水供应子系统分别连接水蒸发器和水加热器，所述空气换热器依次连接沼气换热器、水蒸发器和水加热器，所述水加热器还分别连接沼气供应子系统和热网，所述沼气换热器和水蒸发器分别连接重整器，所述空气换热器和重整器分别连接固体氧化物燃料电池子系统，所述固体氧化物燃料电池子系统连接燃烧器再连接空气换热器，所述固体氧化物燃料电池子系统连接电能输出子系统的一端，所述电能输出子系统的另一端连接电网；所述沼气供应子系统设置有第一沼气控制装置、第二沼气控制装置，所述第一沼气控制装置连接在沼气池和脱硫器之间，所述第二沼气控制装置连接在沼气池和燃烧器之间；所述固体氧化物燃料电池子系统设置有存储单元，所述存储单元连接在固体氧化物燃料电池子系统的逆变单元和电网之间。
76.具体如下：
77.在现有的基于能源互联网的沼气燃料电池系统基础上加入一个沼气控制阀b2-5和电化学储能单元(6-3)。所述沼气控制阀2-5连接沼气池2-1与燃烧器5-1，沼气通过沼气控制阀b2-5控制输出流量，进入燃烧器5-1燃烧，可以调节系统热产出量；所述电化学储能单元6-3连接逆变单元6-2与电网6-4，通过调节电化学储能单元6-3的工作模式(静态、储能、放能)从而调节系统的电产出量。增加上述两个元件后系统产出的热量由沼气控制阀a2-2和沼气控制阀b2-5共同调节，系统产出的电量由沼气控制阀a2-2和电化学储能单元6-3共同调节。
78.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。