[发明专利]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。

主权项

1.一种基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源系统的控制方法，其特征在于，该农村家庭能源系统包括沼气池、接至室内母线的家庭用电器，以及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；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；/n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；/n所述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；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；/n该控制方法具体包括以下步骤：/n(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；/n(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)]；/n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；/n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)]；/n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；/n(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：/n检测室内母线与配网母线连接的PCC点处的功率P_s；/na.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/n /n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；/nb.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/n /n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；/n执行完a或者b，返回步骤(2)；/n(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：/n检测PCC点处的功率P_s，/na.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/n /nb.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/n /n执行完a或者b，返回步骤(2)。/n