一种带储能的天然气分布式能源系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 212380954 U(45)授权公告日 2021.01.19

(21)申请号 202020134657.8(22)申请日 2020.01.20

(73)专利权人 西安联创分布式可再生能源研究

院有限公司

地址 710075 陕西省西安市高新区沣惠南

路8号陕鼓动力产业园区综合楼403室(72)发明人 汪涛　刘强　张明明　张戟　施欢　

杨瑞　李赟　田玉宝　(74)专利代理机构 西安恒泰知识产权代理事务

所 61216

代理人 李郑建(51)Int.Cl.

H02J 3/38(2006.01)H02J 3/32(2006.01)F02B 63/04(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图3页

F02B 73/00(2006.01)

CN 212380954 U(54)实用新型名称

一种带储能的天然气分布式能源系统(57)摘要

本实用新型公开了一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机、发电机和微电网，在发电机和微电网之间还并联有动力电池组。该系统可以有效应对用能端的负荷波动。如用能端用电量下降，发电机可将多余的电

到用能端用电量上能依靠动力电池组进行存储，

升时，不足的电能由动力电池组进行输出补偿。内燃机和发电机在整个过程中尽可能保持在最佳能效区间运行，动力电池组负责对用电需求进行削峰填谷。提升系统的能效，降低单位发电量所消耗的燃料，同时，可以使得内燃机的装机容量相对减少，从总量上减少机组的污染排放，使得整个系统运行的更加经济，更加环保。

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权　利　要　求　书

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1.一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机、发电机和微电网，其特征在于，在发电机和微电网之间还并联有动力电池组；气源连接减压阀，减压阀与内燃发电机组连接，内燃发电机组连接隔离二极管，隔离二极管与DC/AC逆变器连接，DC/AC逆变器连接充电控制器，充电控制器与储能电池组连接；市电经过KM1-T1继电器连接充电控制器，充电控制器与储能电池组连接；DSP控制器连接DC/DC，DC/DC与储能电池组连接；储能电池组的输出端经过KM1-T2继电器与负载连接；

用能端用电量下降，发电机能够将多余的电能依靠动力电池组进行存储，到用能端用电量上升时，不足的电能由动力电池组进行输出补偿，内燃机和发电机在整个过程中保持在最佳能效区间运行，动力电池组负责对用电需求进行削峰填谷；

所述的内燃机为多台小功率内燃机并联而成。

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一种带储能的天然气分布式能源系统

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技术领域

[0001]本实用新型属于内燃机发电技术领域，具体涉及一种带储能的天然气分布式能源系统。

背景技术

[0002]分布式内燃机发电机组，广泛应用于商业综合体、数据中心、学校、办公楼、医院、酒店等多种不同的场所，为它们提供所需的电能、热能等能源需求。这些场所在实际使用内燃机分布式发电机组中，因各场所对能源的需求大多数为间断性的，以学校对电能的需求为例，通常在白天，对电能的需求较多，但是到了晚上，尤其是校内大部分人入睡之后，对电能的需求将大大降低。但内燃机发电机组的运行是保持连续的，这就产生了发电端连续但用能端间断的矛盾。

[0003]为解决以上问题，目前常规的解决方案是调整内燃机发电机组的运行工况，将其由白天用电高峰期时可能高达90％甚至100％工况下的运行，调整为可能不到40％的工况运行。

[0004]但是，因调整内燃机发电机组在运行时，只有一个范围较窄的最佳能效区间，当运行工况超过或低于这个区间时，内燃机发电机组的效率都会降低，这将导致内燃机发电机组需要消耗更多的燃料(通常为天然气)，降低了内燃机发电机组的经济性。发明内容

[0005]针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种带储能的天然气分布式能源系统。[0006]为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：[0007]一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机、发电机和微电网，其特征在于，在发电机和微电网之间还并联有动力电池组。[0008]本实用新型的其它特点是，所述的内燃机为多台小功率内燃机并联而成。[0009]本实用新型的带储能的天然气分布式能源系统，可以有效应对用能端的负荷波动。如用能端用电量下降，发电机可将多余的电能依靠动力电池组进行存储，到用能端用电量上升时，不足的电能由动力电池组进行输出补偿。内燃机和发电机在整个过程中尽可能保持在最佳能效区间运行，动力电池组负责对用电需求进行削峰填谷。提升系统的能效，降低单位发电量所消耗的燃料，同时，可以使得内燃机的装机容量相对减少，从总量上减少机组的污染排放，使得整个系统运行的更加经济，更加环保。附图说明

[0010]图1是本实用新型的带储能的天然气分布式能源系统结构框图；[0011]图2是本实用新型的带储能的天然气分布式能源系统工作原理图，图中，1表示动力电池输出曲线，2表示内燃机输出曲线；

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图3是一个具体的实验例1的结构框图；

图4是另一个具体具体的实验例2的结构框图；

图5是本实用新型的带储能的天然气分布式能源系统的电气原理图；图6是本实用新型的带储能的天然气分布式能源系统控制逻辑图；以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

[0017]实施例1：[0018]参见图1，本实施例给出一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机、发电机和微电网，在发电机和微电网之间还并联有动力电池组。[0019]该带储能的天然气分布式能源系统，是将作为储能介质的动力电池组和发电机组并联使用，其工作原理如图2所示。图中，1表示动力电池输出曲线，2表示内燃机输出曲线。内燃机一旦起动便在相对经济的区域内对负载功率进行跟踪，当负载功率大于或小于内燃机经济区域所能输出的功率时，动力电池组可以通过充放电对该功率差进行缓冲和补偿。可以减少电能的循环损耗，避免动力电池组大电流放电和内燃机的频繁起动，降低了燃料消耗，提高了排放性能。使其达到整体效率最高。其技术原理与混合动力车的技术原理相一致。

[0020]申请人将本实施例的带储能的天然气分布式能源系统，用在陕鼓能源互联岛上，取得的经济效益如下表所示：

[0021]

实验对比例1：

[0023]如图3所示，申请人进行了以下的实验，实验采用的技术方案为：一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机和发电机，在发电机上还连接有动力电池组，该动力电池组与微电网相连接。[0024]实验发现，在该技术方案中，微电网只能从动力电池组获得电能，动力电池组必须满足所有瞬时功率的需要，其放电电流的波动会很大，且有大电流放电的情况，对动力电池组放电效率和使用寿命均有不利影响；其次，虽然内燃机可以在最优效率点工作，但由于多了能量转换的环节，动力电池组充放电的效率损失也许会大于内燃机优化后的收益。该技

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术方案的缺点是对内燃机有利而对动力电池组不利，类似于泰克鲁斯电动车增程的技术原理。

[0025]实验对比例2：[0026]如图4所示，实验采用的技术方案为：一种带储能的天然气分布式能源系统，包括相互连接的内燃机和发电机，发电机连接微电网，在微电网是连接有动力电池组。[0027]该技术方案可以在目前的储能领域应用，可在纯电动模式工作，可利用峰谷价差获利，但受限于地理位置。该技术方案减少了动力电池组充放电循环，与充放电有关的功率损失也就相应减少。[0028]然而，实验发现，由于必须满足用能端的所有功率要求且要做出快速响应，所以导致内燃机频繁起停，影响了内燃机的效率和排放特性。因此，这种技术方案对动力电池组有利而对内燃机不利。在相同工况下，比替代方案1在节能方面效果好，大约在8％-10％之间。类似于插电式混合动力车的技术原理。[0029]实验对比例3：[0030]该实验中，将单台的内燃机发电机组拆分为多台小功率机组的并联形式。用能端电需求变化较大时，通过开关部分小机组实现整体输出功率的变化，这种方案可以在市面有较多的应用，但相对于实施例1来说，投资会增加。

[0031]图5给出了实施例1的带储能的天然气分布式能源系统的电气原理图，包括内燃机和发电机组成的内燃发电机组，储能(动力)电池组，充电控制器，DSP控制器，整流器，逆变器等，与市电供电线路一起为负载端提供电力。气源连接减压阀，减压阀与内燃发电机组连接，内燃发电机组连接隔离二极管，隔离二极管与DC/AC逆变器连接，DC/AC逆变器连接充电控制器，充电控制器与储能电池组连接；市电经过KM1-T1继电器连接充电控制器，充电控制器与储能电池组连接；DSP控制器连接DC/DC，DC/DC与储能电池组连接；储能电池组的输出端经过KM1-T2继电器与负载连接。正常工作时，带储能的天然气分布式能源系统向负载端供电并根据负载端用电负荷情况进行自我输出调节，此时市电断开。若带储能的天然气分布式能源系统处于停机或启动时，市电启动，并根据情况向储能电池组进行充放电动作。[0032]图6给出了实施例1的带储能的天然气分布式能源系统控制逻辑图，控制逻辑分为以下四种工况：[0033]1、启动工况

[0034]控制器收到启动按钮输入指令，启动驱动电机，储能(动力)电池组给驱动电机供电，以纯电动模式启动机组；当需求功率高于设定值时，利用控制器起动内燃机(当控制器给出内燃机起动信号，储能电池组给发电机提供能量，控制器起动发电机，用发电机反拖内燃机起动)。此方法可避免内燃机启动时高油耗、高排放的缺点。[0035]2、正常工作工况[0036]①串联模式

[0037]当内燃发电机组正常工作时，由于用户侧低负载和要求低排放，内燃发电机组以串联模式运行。考虑到当内燃机在低速低转矩或高速低转矩区域工作时，储能(动力)电池组在低(荷电状态)和高SOC时工作效率都较低，因此一般采用逻辑门限制控制法。[0038]串联模式中,内燃机工作在最佳的工作区，为驱动电机提供能量，储能(动力)电池组在这个过程中主要对能量起削峰填谷的作用,其基本控制策略如下：

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a、SOCmin＜SOC＜SOCmax，若Me>Mv，则Me＝Mv+Mc，若Me＜Mv，则 Me+Md＝Mv；

[0040]b、SOC＜SOCmin，则Me＝Mv+Mc；[0041]c、SOC＜SOCmax，起动纯电动模式，关闭内燃机；[0042]d、SOC＜SOC1，则内燃机起动。[0043]式中，Me为内燃机工作力矩；Mv为用户端反馈回控制器得出的需求驱动力矩；Mc为给储能电池组充电的力矩；Md为储能(动力)电池组放电提供给电机的驱动力矩；SOC1为当SOC低于此值时内燃机启动；SOCmin为当 SOC低于此值时给储能电池组充电；SOCmin[0044]②并联模式

[0045]当内燃发电机组有较高的负载要求时，如需要快速提高转速与输出功率时，电机单独驱动已经不能满足要求，于是转变为并联模式，其基本控制策略如下：[0046]a、SOC＞SOCmin，若Me＞Mv，Me＝Mv+Mc，则Me＜Mv，Me＝Mv；[0047]b.SOC＞SOCmin，若Me＞Mv，Me＝Mv+Mc；则Me＜Mv，Me+Md＝Mv。[0048]3、减速工况

[0049]当内燃发电机组需要减少输出功率时，控制器向驱动电机发出负力矩信号，使其处于反拖发电状态，向储能(动力)电池组回馈电能。而电机扭矩大小由电机的最大充电扭矩和储能(动力)电池组的充电状态来决定。[0050]当制动回收充电时，机械制动系统开始工作，当负载对于功率的需求低于设定值或者电机转速低于设定值时，此时电机充电效率较低，能量回收系统不启动，直接采用机械制动，其基本控制策略如下：[0051]a、Mb＞Mc，若SOC＜SOCmax，则Mb＝Mc；若SOC≥SOCmax，则电机停止工作Mb＝Mm。[0052]b.Mb＞Mc，若SOC＜SOCmax，则Mb＝Mc+Mm；若SOC≥SOCmax，则电机停止工作Mb＝Mm。

[0053]式中，Mb为内燃发电机组需求的制动转距；Mm为机械摩擦制动转距。[0054]4、故障工况

[0055]当电机出现故障时，采用纯内燃机模式驱动；当内燃机出现故障时，采用纯电动模式运行。

[0056]上述实施例1给出的带储能的天然气分布式能源系统，经过理论计算，证明在陕鼓能源互联岛上，具有很显著的经济性，能将分布式内燃机发电机组的投资回报率提升30％。

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图1

图2

图3

图4

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图6

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