基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统技术方案

本申请提出了一种基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，涉及新能源发电技术领域，该系统包括可再生能源发电系统、整合滤波的电解储能系统、燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统与水循环再利用系统，其中，可再生能源发电系统将可再生能源转化为电能，整合滤波的电解储能系统将过剩可再生能源电能进行电解水，燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统基于电解水产生的氢气和氧气混合燃烧，产生电能，水循环再利用系统对出口尾气中进行回收。本申请结合电解水制氢和燃氢燃气轮机发电技术，显著提高可再生能源发电系统的并网调度能力，实现可再生能源发电利用率最大化和全过程水的循环再利用，一定程度上化解可再生能源和火电之间的矛盾冲突。火电之间的矛盾冲突。火电之间的矛盾冲突。

【技术实现步骤摘要】
基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统


[0001]本申请涉及新能源发电
，尤其涉及一种基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统。

技术介绍

[0002]近年来，以风电和光伏为代表的可再生能源迅猛发展，构建以新能源为主体的新型电力系统是世界各国应对能源安全和气候环境问题的关键举措。
[0003]然而可再生能源发电具有较强的随机性、波动性和间歇性，高比例并网运行会加剧电网调峰压力，对电力系统安全稳定运行和供电质量提出挑战。基于我国“多煤少气”的能源禀赋，火电机组仍是我国主力发电和调峰电源，然而，火电机组的响应迟滞性限制了机组灵活出力，同时热电联产机组的“热电耦合”特性进一步降低机组调峰能力，传统调节手段不能满足新型电力系统灵活性需求。电力系统灵活性不足严重制约着我国可再生能源并网消纳，部分地区存在严重“弃风弃光”现象；同时，高比例可再生能源并网也会持续压缩火电生存空间，大批火电机组面临提前退役，造成社会资源的严重浪费。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，提出了一种基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，具体步骤如下：
[0005]本申请第一方面提出一种基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，包括可再生能源发电系统、整合滤波的电解储能系统、燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统与水循环再利用系统，其中，
[0006]所述可再生能源发电系统用于将可再生能源转化为电能，并将电能合并输出至上级电网与所述整合滤波的电解储能系统，其中，电能仅在过剩时才合并输出至所述整合滤波的电解储能系统；
[0007]所述整合滤波的电解储能系统用于将过剩可再生能源电能进行滤波处理来匹配电解槽，并将电解水产生的氢气和氧气储存至储罐中进行再利用；
[0008]所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统基于所述电解水产生的氢气和氧气混合燃烧，产生高温高压燃气带动燃气轮机和蒸汽轮机发电，输出燃氢燃气蒸汽联合循环发电量并送至所述上级电网；
[0009]所述水循环再利用系统用于对所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统生成的出口尾气中的水蒸气工质和余热进行回收，经过水处理返回所述整合滤波的电解储能系统。
[0010]可选的，所述可再生能源发电系统包括风力发电设备、光伏发电设备和生物质发电设备，其中，
[0011]所述风力发电设备、所述光伏发电设备和所述生物质发电设备分别用于将可再生的风能、太阳能和生物质能源转化为电能；
[0012]其中，电能相互集成后去往两路，一路经过交直流逆变器统一输出，与所述燃氢燃
气蒸汽联合循环发电量一起并入上级电网，配合完成电网调度指令，另一路将所述过剩可再生能源电能接入所述整合滤波的电解储能系统用于电解水制氢来实现电能存储。
[0013]可选的，所述整合滤波的电解储能系统包括数字化滤波器、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、储氢罐与储氧罐，其中，
[0014]所述数字化滤波器基于一阶惯性滤波方法将所述过剩可再生能源电能分为高频电功率部分与低频电功率部分，其中，所述低频电功率部分被通入所述碱性电解槽中，所述高频电功率部分被通入所述质子交换膜电解槽中，所述一阶惯性滤波方法的表达式为：
[0015]U
o
(k)＝αU
o
(k
‑
1)+(1
‑
α)U
i
(k)，
[0016][0017]其中，U
o
(k)与U
o
(k
‑
1)为相邻的两次信号输出幅值，U
i
(k)为当前信号输入值，α为滤波系数，取值范围为[0，1]，k为当前步序，T
s
为采样时间，T为采样周期；
[0018]所述碱性电解槽与所述质子交换膜电解槽分别基于所述低频电功率部分与所述高频电功率部分实现电解水，生成氢气和氧气，其中，所述碱性电解槽的电解制氢功率为：
[0019][0020]其中，I
t
、T
t
分别为所述碱性电解槽的电流与温度，r为电解液欧姆电阻参数，A为所述碱性电解槽有效面积，s为电极过电压系数，V0为可逆电压；
[0021]所述质子交换膜电解槽的电解制氢功率为：
[0022]P
PEMEL
＝I
t
×
[V
0cv
(T
t
,α)+V
act
(T
el
,α,j)+V
diff
(T
el
,c)+V
ohm
(δ
m
,σ
m
,j)][0023][0024][0025][0026][0027]其中，V
0cv
为开路电压，V
act
为活化过电势，V
diff
为扩散过电势，V
ohm
为欧姆过电势，a
i
和c
i
分别为组分i的活度与浓度，j和j0分别为电流密度与交换电流密度，α和T分别表示电荷转移系数和温度，δ和σ分别为厚度和阻抗，下标a、c、m、mo分别表示阴极、阳极、质子交换膜与标准参考值；
[0028]所述储氢罐与所述储氧罐分别用于储存经干燥处理后的氢气与氧气，并在可再生能源供应不足时，释放氢气与氧气给所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统。
[0029]可选的，所述碱性电解槽与所述质子交换膜电解槽的制氢速率与电解槽工作电流和电流效率有关，公式化为：
[0030][0031][0032]其中，Q
H2
(t)为t时刻所述碱性电解槽或所述质子交换膜电解槽的电解槽制氢速率；N为所述碱性电解槽或所述质子交换膜电解槽中电池串联个数，z为每次反应电子转移数，F为法拉第常数，η
F
为所述碱性电解槽或所述质子交换膜电解槽的电流效率，k
f1
、k
f2
为经验公式中常数。
[0033]可选的，所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统包括压气机、燃烧室、所述燃气轮机、所述蒸汽轮机、第一发电机与第二发电机，其中，
[0034]当可再生能源供应不足时，所述储氢罐中释放的氢气经所述水循环再利用系统中冷凝换热器加热升温后送入所述燃烧室，所述储氧罐释放的氧气经所述压气机压缩增压后送入所述燃烧室；
[0035]所述燃烧室用于燃烧经处理后的氧气与氢气，并生成高温高压燃气提供给所述燃气轮机，推动所述燃气轮机的叶轮旋转连轴带动所述第一发电机发电，输出燃氢燃气轮机发电量，所述燃氢燃气轮机出口高温排汽再进入所述蒸汽轮机，带动所述第二发电机输出蒸汽轮机发电量。
[0036]可选的，所述水循环再利用系统包括所述冷凝换热器与水处理装置，其中，
[0037]所述蒸汽轮机的出口尾气在所述冷凝换热器中冷凝放热，用于加热通过的氢气并将生成的冷凝水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，其特征在于，包括可再生能源发电系统、整合滤波的电解储能系统、燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统与水循环再利用系统，其中，所述可再生能源发电系统用于将可再生能源转化为电能，并将电能合并输出至上级电网与所述整合滤波的电解储能系统，其中，电能仅在过剩时才合并输出至所述整合滤波的电解储能系统；所述整合滤波的电解储能系统用于将过剩可再生能源电能进行滤波处理来匹配电解槽，并将电解水产生的氢气和氧气储存至储罐中进行再利用；所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统基于所述电解水产生的氢气和氧气混合燃烧，产生高温高压燃气带动燃气轮机与蒸汽轮机发电，输出燃氢燃气蒸汽联合循环发电量并送至所述上级电网；所述水循环再利用系统用于对所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电系统生成的出口尾气中的水蒸气工质和余热进行回收，经过水处理返回所述整合滤波的电解储能系统。2.根据权利要求1所述的基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，其特征在于，所述可再生能源发电系统包括风力发电设备、光伏发电设备和生物质发电设备，其中，所述风力发电设备、所述光伏发电设备和所述生物质发电设备分别用于将可再生的风能、太阳能和生物质能源转化为电能；其中，电能相互集成后去往两路，一路经过交直流逆变器统一输出，与所述燃氢燃气蒸汽联合循环发电量一起并入上级电网，配合完成电网调度指令，另一路将所述过剩可再生能源电能接入所述整合滤波的电解储能系统用于电解水制氢来实现电能存储。3.根据权利要求2所述的基于储氢和退役火电辅助可再生能源发电并网的耦合系统，其特征在于，所述整合滤波的电解储能系统包括数字化滤波器、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、储氢罐与储氧罐，其中，所述数字化滤波器基于一阶惯性滤波方法将所述过剩可再生能源电能分为高频电功率部分与低频电功率部分，其中，所述低频电功率部分被通入所述碱性电解槽中，所述高频电功率部分被通入所述质子交换膜电解槽中，所述一阶惯性滤波方法的表达式为：U
o
(k)＝αU
o
(k
‑
1)+(1
‑
α)U
i
(k)其中，U
o
(k)与U
o
(k
‑
1)为相邻的两次信号输出幅值，U
i
(k)为当前信号输入值，α为滤波系数，取值范围为[0，1]，k为当前步序，T
s
为采样时间，T为采样周期；所述碱性电解槽与所述质子交换膜电解槽分别基于所述低频电功率部分与所述高频电功率部分实现电解水，生成氢气和氧气，其中，所述碱性电解槽的电解制氢功率为：其中，I
t
、T
t
分别为所述碱性电解槽的电流与温度，r为电解液欧姆电阻参数，A为所述碱性电解槽有效面积，s为电极过电压系数，V0为可逆电压；所述质子交换膜电解槽的电解制氢功率为：P
PEMEL
＝I
t
×
[V
0cv
(T
t
,α)+V
act
(T
el...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显荣，王林，周俊波，高耀岿，赵章明，郭彦君，弓林娟，查玲，董竞豪，何康，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：