周健
青岛黄海学院，山东 青岛 266427
摘要：设计了一种新型农村家庭多能源控制系统，该系统具有微型化、低噪音、运行稳定、可靠性强等优点。在整个循环过程中，实现最低的碳排放和对可再生能源的最大化利用。
关键词：多能源混合;控制系统;自动切换;循环利用
一、引言
近年来，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求刚性增长，资源环境问题仍是制约我国经济社会发展的瓶颈之一，针对目前农村低碳清洁能源应用相对滞后、传统系统具有一定的限制条件、对能源的利用率不高等问题，设计新型农村家庭用的能源控制系统迫在眉睫。
但是单独的能源系统还存在很多的限制条件，针对单独的能源系统的不足，拟设计一种基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统。通过合理的结构设计，以改善传统能源控制系统的性能，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，实现清洁低碳发展，是推动中国能源改革的本质要求，是中国经济社会转型发展的迫切需要。
二、基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统的设计方案
1.设计总体思路
以风力、光伏发电为基础电能来源，通过分配，一部分直接经能量管理设备供给至家用电器；一部分作为甲烷产生器的动力，以储气罐作为中间设备将甲烷产生器、沼气池、与微型燃气轮机、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调负荷消耗过剩电力，以微型燃气轮机作为可调电源在电力不足时通过燃烧甲烷提供电力，由能量管理设备对微型燃汽轮机和甲烷产生器进行电力平衡控制，保证用电的平稳性。
2.能量管理设备的设计
能量管理设备由储能变流器（PCS）、储能电池堆（BP）和电池管理系统（BMS）构成，如图2所示。BP通过PCS完成DC/AC变换后接入交流母线，实现能量的存储和释放。通过PCS控制BP进行充放电实现电能的双向转换：在充电状态时，PCS作为整流装置将电能从交流转变成直流储存到BP；在放电状态时，PCS作为逆变装置将BP储存的电能从直流变为交流，输送到电网。BMS能够实时监控BP的电压、电流和温度，通过将关键信息传给PCS对BP的充放电过程进行协调管理，避免过压、欠压和过流等问题的发生同时具有充放电均衡管理功能。
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图2 能源控制流程图
三、基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统的发展水平和现状
当今世界面临能源危的难题,为了保证能源供应和安全,减少能源开发利用对生态环境的污染和影响,必须大力发展可再生能源。因此,研究和开发利用可再生能源已成为全世界各国关注的焦点。经过近几年的研究发展，基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统的研究有了很大的进展，各个国家已经有了相对完善的系统。然而，国内对这方面的研究起步较晚。到现在为止能源系统在我国的发展主要集中在北京、上海和广东等地区。现今,政府也采取了相应的政策措施,但相关政策尚不完善,存在很大的改进空间,处于试点推广阶段，而且单独的能源系统还存在很多的限制条件，而本问研究内容恰好可以弥补这一不足。
解决方法：
通过光伏-风电-甲烷互补结合，解决的单个技术发电的一些不足，使能源的利用率提高。以沼气池作为中间设备，使甲烷的产生、存储、消耗以及废气反馈的完整链,形成燃气互联，节约了成本。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。
四、基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统的设计概述
1.系统研究核心
基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统的研究核心内容是通过光伏发电、风电、甲烷燃气发电互相补充，为偏远山区解决能源问题。系统三维图如图3所示。
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图 3系统三维图
2.工作原理
本文所设计的基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制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，在工作过程中通过风力、光伏发电机，把一部分风能和太阳能转换为电能输入配网中，另一部分太阳能和风能产生的热能输入沼气池中，促进产生沼气，以储气罐作为中间设备将甲烷产生器、沼气池、与微型燃气轮机、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调负荷消耗过剩电力，以微型燃气轮机作为可调电源在电力不足时通过燃烧甲烷提供电力，由能量管理设备对微型燃汽轮机和甲烷产生器进行电力平衡控制，保证用电的平稳性。
五、结束语
本文所研究的基于光伏-风电-甲烷的农村家庭能源控制系统有效解决农村低碳清洁能源应用相对滞后、传统系统具有一定的限制条件、对能源的利用率不高等问题；对于能源系统市场来说，这是一个较新的设计方案，有利于激发市场进行创新性竞争；对于社会来说，可适当减少用户用电量，做到高效节能，并且符合国家有关“节能减排”的政策体系。
参考文献
【1】郭黎萍,陈小芳.美丽乡村视角下安徽农村绿色能源系统建设研究[J].西部皮革,2018,40(16):60-61.
【2】韦琦,李世楠,朱莹莹.改进PSO优化家庭能源管理系统控制策略[J].哈尔滨理工大学学报,2018,23(02):70-77+85.
【3】王磊,王秋实,赵君君,刘敬力.新能源发电系统用多相耦合交错型双向DC-DC变换器及控制研究[J].电工电能新技术,2017,36(07):41-50.
【4】邓慧慧,虞义华.中国农村能源系统绿色转型研究——基于中国农村家庭能源调查数据[J].浙江社会科学,2018(01):57-65+101.
基金项目：2020年青岛黄海学院科技创新活动项目
项目编号：HHKJCX2014