一种风光电氢醇多能互融的新能源大基地系统及运行方法

本发明属于新能源发电、储能调峰技术和燃料电池发电，尤其涉及一种风光电氢醇多能互融的新能源大基地系统及运行方法。

背景技术：

1、在全球生态环境问题持续加剧的背景下，推动能源体系由化石能源主导向清洁能源主导转变已成为共识。风能和太阳能作为典型的可再生能源，具有清洁环保、分布范围广、资源丰富等特点，在风光资源丰富的沙漠、戈壁、荒滩等地区建设大规模能源大基地，对提高非化石能源供给比例和推动低碳能源体系建设具有重要意义。

2、然而，风能和太阳能受自然环境约束，存在输出功率随机性、波动性和间歇性等问题，当新能源出力与电网并网需求功率不匹配时，会对电网稳定运行产生影响，并导致弃风弃光现象。现有电力系统常依靠火电机组或抽水蓄能进行调峰，但火电调峰与绿色低碳发展目标存在矛盾，抽水蓄能则受地理条件限制较大。

3、锂电池储能具有响应速度快、调节精度高、充放电灵活等特点，适合承担新能源出力的短时波动平滑和电网功率缺口的快速补偿，是新能源大基地的主要调峰手段。但当新能源富余电力持续时间较长，或锂电池储能单元达到充电功率上限、荷电状态上限时，仍存在无法被继续吸收的持续性富余新能源电力，从而造成弃风弃光。

4、电解水制氢能够将富余风电、光伏电力转化为氢气化学能进行储存，是提高新能源消纳的重要方式。其中，碱性电解水制氢运行成本低，适合承担稳定的制氢负荷；质子交换膜电解制氢响应速度快，适应电力波动能力强。将两类制氢技术协同应用，可有效兼顾大规模制氢和动态调节能力。但氢气存在储运条件要求高、安全管理难度大、体积能量密度低等问题，在大规模储能和长周期利用方面仍有限制，难以满足能源大基地对外稳定供电的需求。

5、甲醇作为氢气的载体，具有储存方便、产业链成熟等优势，通过绿氢和二氧化碳反应即可获得绿色甲醇，可将持续性富余新能源电力转化为液态化学能。生成的绿色甲醇既可作为液体能源产品进行储存，也可作为下游化工产品制备原料。然而，现有技术中，将锂电池储能、混合电解水制氢、甲醇合成与甲醇重整燃料电池发电进行深度耦合，实现新能源大基地发电、储能、制氢、制醇、供电及资源回收的协同运行，尚缺乏系统性的解决方案。

技术实现思路

1、为了克服或缓解以上一个或多个技术问题，本发明的目的是提供一种风光电氢醇多能互融的新能源大基地系统及运行方法。该系统整合风光可再生能源、锂电池储能主调峰、pem-alk协同电解制氢、二氧化碳加氢合成绿色甲醇、甲醇重整高温质子交换膜燃料电池辅助发电、尾气余热回收与催化燃烧供热以及二氧化碳和水循环回用，用于解决风光能源大基地出力波动大、弃风弃光电量难以长周期消纳以及碳水资源利用不足等问题，并实现新能源电力的高效消纳、稳定并网、资源高效利用，提高系统低碳运行水平。

2、为了达到上述目的，本技术的第一技术方案提供了一种风光电氢醇多能互融的新能源大基地系统的运行方法，包括：

3、根据新能源实时输出功率、电网并网需求功率、锂电池储能单元荷电状态及系统功率缺口，对可再生能源电力进行汇集、调节及分配；

4、利用富余新能源电力通过pem-alk协同电解制氢单元制取氢气和氧气，将氢气送入氢气存储单元，将氧气送入电解副产氧缓冲与供给单元；

5、将氢气存储单元中的氢气与二氧化碳缓冲与供给单元提供的二氧化碳反应合成甲醇，并将甲醇储存在甲醇储存单元；

6、当新能源输出功率低于电网并网需求且锂电池储能单元无法单独满足功率缺口补偿需求时，将甲醇储存单元中的甲醇经甲醇重整及重整气调质后送入高温质子交换膜燃料电池单元发电，并经电力变换与升压并网单元送入电网；

7、将高温质子交换膜燃料电池单元排出的阴极尾气通过电堆余热回收单元与导热介质换热，将阳极尾气与电解副产氧缓冲与供给单元提供的氧气在尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元中进行催化燃烧，并通过导热介质为甲醇重整反应供热；

8、将尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元排出的尾气中的二氧化碳捕集后返回二氧化碳缓冲与供给单元，将冷凝水返回纯水储供单元。

9、进一步的，所述汇集、调节及分配按照锂电池储能主调峰、甲醇重整高温质子交换膜燃料电池辅助补电的原则进行调度：

10、当新能源发电输出功率满足电网并网需求时，优先将新能源电力经电力变换与升压并网单元并入电网；

11、当新能源发电输出功率高于电网并网需求时，优先将富余电力分配至锂电池储能单元充电；当锂电池储能单元达到充电功率上限、荷电状态达到设定上限或富余电力持续时间超过设定阈值时，将剩余富余电力分配至pem-alk协同电解制氢单元；

12、当新能源发电输出功率低于电网并网需求时，优先由锂电池储能单元放电补偿功率缺口；

13、当锂电池储能单元不能单独满足功率缺口补偿需求时，启动高温质子交换膜燃料电池单元进行辅助补电。

14、进一步的，所述pem-alk协同电解制氢单元包括pem电解支路和alk电解支路，根据富余电力的特性分配至相应支路：

15、若富余电力为短时波动富余电力，则分配至pem电解支路；

16、若富余电力为持续性富余电力，则分配至alk电解支路；

17、当富余电力同时包括稳定基荷部分和波动增量部分时，稳定基荷部分分配至alk电解支路，波动增量部分分配至pem电解支路。

18、进一步的，甲醇合成负荷根据氢气供给流量、二氧化碳储量和甲醇储量动态调节：

19、当氢气存储单元和二氧化碳缓冲与供给单元的储量均高于对应预设值且甲醇储存单元的甲醇储量低于预设上限时，启动或提高甲醇合成负荷；

20、当氢气存储单元或二氧化碳缓冲与供给单元任一项不满足预设条件时，降低或停止甲醇合成负荷。

21、进一步的，其特征在于，导热介质在电堆余热回收单元、尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元和甲醇重整及重整气调质单元之间循环流动，依次吸收阴极尾气余热、催化燃烧及甲醇补燃释放的热量，并向甲醇重整反应释放热量。

22、进一步的，通过尾气冷凝及co2捕集回用单元、水处理单元、纯水储供单元以及电解副产氧缓冲与供给单元，形成二氧化碳和水的循环回用路径，以及电解副产氧的内部利用路径。

23、进一步的，甲醇重整及重整气调质单元对甲醇进行水蒸气重整反应生成含氢重整气，并对含氢重整气进行冷凝、汽水分离、温度调节、压力调节和一氧化碳浓度调节，以满足高温质子交换膜燃料电池单元的阳极进气要求。

24、进一步的，当阳极尾气热值不足以满足甲醇重整供热需求时，由甲醇储存单元向尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元补充甲醇进行补燃。

25、本技术的第二技术方案公开了一种用于实现上述运行方法的风光电氢醇多能互融的新能源大基地系统，包括：

26、新能源发电与电力调控子系统，包括光伏发电单元、风力发电单元以及新能源电力汇集、调节及分配单元，光伏发电单元和风力发电单元均与新能源电力汇集、调节及分配单元连接；

27、锂电池储能主调峰子系统，包括锂电池储能单元，锂电池储能单元分别与新能源电力汇集、调节及分配单元和电力变换与升压并网单元连接；

28、混合电解水子系统，包括纯水储供单元、pem-alk协同电解制氢单元以及电解副产氧缓冲与供给单元，pem-alk协同电解制氢单元分别与新能源电力汇集、调节及分配单元和纯水储供单元连接，电解副产氧缓冲与供给单元与pem-alk协同电解制氢单元连接；

29、绿色甲醇合成与储能子系统，包括氢气存储单元、二氧化碳缓冲与供给单元、甲醇合成冷凝与分离单元以及甲醇储存单元，氢气存储单元与pem-alk协同电解制氢单元连接，甲醇合成冷凝与分离单元分别与氢气存储单元和二氧化碳缓冲与供给单元连接，甲醇储存单元与甲醇合成冷凝与分离单元连接；

30、甲醇重整高温质子交换膜燃料电池辅助发电子系统，包括甲醇重整及重整气调质单元和高温质子交换膜燃料电池单元，甲醇重整及重整气调质单元分别与甲醇储存单元、纯水储供单元和高温质子交换膜燃料电池单元连接；

31、尾气余热回收与催化燃烧供热子系统，包括电堆余热回收单元、尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元以及导热介质循环管路，电堆余热回收单元与高温质子交换膜燃料电池单元的阴极尾气出口连接，尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元分别与高温质子交换膜燃料电池单元的阳极尾气出口、电解副产氧缓冲与供给单元以及甲醇储存单元连接，导热介质循环管路连接电堆余热回收单元、尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元和甲醇重整及重整气调质单元；

32、碳水回收循环子系统，包括尾气冷凝及co2捕集回用单元、凝汽及给水回收单元、水处理单元以及二氧化碳缓冲与供给单元，尾气冷凝及co2捕集回用单元分别与尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元和二氧化碳缓冲与供给单元连接，尾气冷凝及co2捕集回用单元的水出口经凝汽及给水回收单元和水处理单元与纯水储供单元连接；

33、电力变换与升压并网单元，分别与新能源电力汇集、调节及分配单元、锂电池储能单元以及高温质子交换膜燃料电池单元连接

34、有益效果：

35、1.提高了能源大基地供能稳定性：通过整合光伏、风电等波动性可再生能源在新能源电力汇集、调节及分配单元下对并网输出、储能充放电和电解制氢负荷进行协调调控，有助于提升大型能源基地面对可再生能源间歇性、波动性时的整体稳定性与供能可靠性；

36、2.本发明以锂电池储能主调峰子系统作为主要调峰手段，优先承担新能源短时功率波动平滑和短时功率缺口补偿，能够快速响应调峰需求。甲醇储能路径用于吸收富余电力，甲醇重整高温质子交换膜燃料电池用于辅助发电，在锂电池储能单元荷电状态不足、放电功率受限或电网存在持续性功率缺口时，将甲醇储能的化学能通过高温质子交换膜燃料电池转化为电能进行输出，辅助储能系统调峰；

37、3.采用pem-alk协同电解制氢方式：其中pem电解支路适用于新能源电力短时波动和快速响应工况，alk电解支路适用于持续稳定富余电力工况，使电解制氢过程可以根据新能源的波动情况选择合适的制氢方式，兼顾制氢的响应速度、运行稳定性与经济性；

38、4.通过绿色甲醇合成与储能子系统，将富余新能源电力转化为绿色甲醇。绿色甲醇可作为液体能源产品进行储存，也可作为下游化工产品制备原料，还可根据系统运行需求输送至甲醇重整高温质子交换膜燃料电池辅助发电系统进行辅助发电。提高了弃风弃光电量的产品化利用和多路径利用能力；

39、5.通过尾气余热回收与催化燃烧供热系统，将高温质子交换膜燃料电池阴极尾气余热、阳极尾气化学能和甲醇补燃热量进行耦合利用，并通过导热介质为甲醇重整过程供热，提高甲醇重整和燃料电池辅助发电过程的热量利用水平；

40、6.实现了碳、水、氧资源的协同回收与循环利用：尾气催化燃烧及甲醇补燃供热单元排出的尾气进入尾气冷凝及co2捕集回用单元，此时二氧化碳经过捕集后返回到二氧化碳缓冲与供给单元以用于甲醇合成过程；尾气中的水蒸气经冷凝后先后进入凝汽及给水回收单元和水处理单元，净化后返回纯水储供单元以用于混合电解水子系统。同时电解副产物氧气参与燃料电池阳极尾气的催化燃烧助燃，提高整个系统的循环利用水平。