CN114583212A - 一种模组式氢能电站热电联供控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模组式氢能电站热电联供控制方法，其首要解决的问题是提升系统的整体效率，基于预测电/热负荷比例模型来实现系统的负荷管理。该模型可以通过模型预测用户端的热负荷和电负荷的比例，来确定燃料电池的工作点，以提升燃料电池系统整体效率来实现，同时，通过实际电/热负荷比例数值的反馈，不断对预测模型进行修正，最终预测模型将接近实际。

Description

一种模组式氢能电站热电联供控制方法
技术领域
本发明涉及氢能电站技术领域，具体涉及一种模组式氢能电站热电联供控制方法。
背景技术
氢能是一种新型清洁能源，对于实现“碳中和”具有重要的作用。目前，氢能的使用主要通过燃料电池，即通过燃料电池将氢气的化学能转化为电能。小型的燃料电池可用于汽车等领域，大型的燃料电池可组成氢能电站，并将电能并入电网或直接使用。对于氢能电站来说，为了进一步实现能源的高效利用，需对氢能电站实施热电联供。在热电联供系统中，负荷管理是其中重要的控制策略。基于燃料电池系统开发的热电联供系统的一大特点是其热功率和电功率输出控制比较简单，而且过程损耗较少，因此，如何确定用户的负荷需求则成为重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模组式氢能电站热电联供控制方法。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种模组式氢能电站热电联供控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
（1）根据测试数据，依次确定单组燃料电池系统电堆电流-电堆电压-电堆功率拟合曲线、单组燃料系统电堆功率-电堆系统电效率拟合曲线以及氢能电站中电堆功率-电/热 比例初始拟合曲线，并形成时域集：
Figure 250775DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 412635DEST_PATH_IMAGE002
表示一天中第i个刻钟时间段电/热需求比例；
（2）根据某一时刻的电/热需求比例，反向查找电堆功率-电/热输出比例初始拟合曲线，并确定电堆功率
Figure 753486DEST_PATH_IMAGE003
，然后根据功率需求
Figure 32064DEST_PATH_IMAGE004
，确定开启燃料电池系统组数量
Figure 509182DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）通过计算每个时刻实际电功耗和热功耗，形成新的时域集：
Figure 841943DEST_PATH_IMAGE006
，该时域集集表示前一天中第i个刻钟时间段电/热实际需求比例，并依此确定第二天的预测集，第二天的预测集如下：
Figure 670090DEST_PATH_IMAGE007
，且第二天以此预测集运行，且每天更新。
在第一方面的一种实施方式中，所述单组燃料系统电堆功率-电堆系统电效率拟合曲线如下：
Figure 480921DEST_PATH_IMAGE008
，
其中，
Figure 94436DEST_PATH_IMAGE009
表示系统的电效率，
Figure 598098DEST_PATH_IMAGE010
表示电堆净输出功率，
Figure 913542DEST_PATH_IMAGE011
表示DC/DC工作效率，
Figure 528063DEST_PATH_IMAGE012
表示燃料电池系统辅助功耗，
Figure 997351DEST_PATH_IMAGE013
表示DC/AC工作效率。
在第一方面的一种实施方式中，所述氢能电站中电堆功率-电/热 比例初始拟合曲线如下：
Figure 671915DEST_PATH_IMAGE014
，
其中，
Figure 474654DEST_PATH_IMAGE015
表示电堆电/热输出比例，
Figure 892866DEST_PATH_IMAGE016
表示热回收效率。
在第一方面的一种实施方式中，当氢能电站众的燃料电池长时间运行之后，通过采集电堆电流、电压数据，DC/DC输出电流、电压数据，逆变器输出电流、电压输出，热水供应流量和温差数据，根据初始化中的计算公式对
Figure 215394DEST_PATH_IMAGE017
进行更新。
在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池系统组数量
Figure 795280DEST_PATH_IMAGE018
，其中，
Figure 85316DEST_PATH_IMAGE019
表示将数字a向下，舍入到最近的整数。
在第一方面的一种实施方式中，当电负荷和热负荷出现波动时，且所述氢能电站的蓄电池的SOC处于40%~70%时，由蓄电池进行补偿电功率，即电功率负荷。
在第一方面的一种实施方式中，当电负荷和热负荷出现波动时，且所述氢能电站的蓄电池的SOC处于0~40%或70%~100%时，按以下两种情况采取不同策略：
a）实际电/热负荷比例高于预测值
Figure 41640DEST_PATH_IMAGE020
，也即电负荷偏高，热负荷偏低，增加燃料电池系统开启数量，直至全部燃料电池开启；
b）实际电/热负荷比例低于预测值
Figure 733521DEST_PATH_IMAGE020
，也即电负荷偏低，热负荷偏高，逐步减少燃料电池开启数量，也即调整燃料电池工作点，提高产热功能，直至符合实际电/热输出比例。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）通过模型预测用户端的热负荷和电负荷的比例，来确定燃料电池的工作点，以提升燃料电池系统整体效率来实现；
（2）通过实际电/热负荷比例数值的反馈，不断对预测模型进行修正，最终预测模型将接近实际。
附图说明
图1为实施例1中电堆电流-电压-功率曲线；
图2为实施例1中燃料电池系统输出功率-效率曲线；
图3为实施例1中第1天实际每个时段电功率、热功率和电/热比例曲线；
图4为实施例1中第2天实际每个时段电功率、热功率和电/热比例曲线；
图5为实施例1中第2天与第1天拟合形成的新的预测电功率、热功率和电/热比例曲线。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
实施例
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种模组式氢能电站热电联供控制方法，本实施例针对的氢能电站基本情况如下：
该氢能电站为实际运行的某供电局规划的新能源分布式电站综合演示基地，其中包括基于燃料电池发电的热电联供电站，电站采用了本发明控制方法，单模块额定功率为60kW，设计时将工作点设定为30kW，由4套燃料电池系统并联输出，系统总输出120kW。额定工况下，发热功率为100kW。
本实施例的热电联供控制方法，最主要是建立热-电供给比例预测模型的建立，该模型的建立方法和步骤如下：
1. 初始化设置
1）根据初始测试数据，建立单组燃料电池系统电堆电流-电堆电压-电堆功率拟合曲线，如图1所示。
2）根据初始测试数据，计算建立单组燃料系统电堆功率-电堆系统电效率拟合曲线，如图2所示；
Figure 224589DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 1921DEST_PATH_IMAGE022
表示系统的电效率，
Figure 761935DEST_PATH_IMAGE023
表示电堆净输出功率，
Figure 59055DEST_PATH_IMAGE024
表示DC/DC工作效率，
Figure 246323DEST_PATH_IMAGE025
表示燃料电池系统辅助功耗，
Figure 245372DEST_PATH_IMAGE026
表示DC/AC工作效率。
3）根据初始数据，计算电堆功率-电/热输出比例初始拟合曲线：
Figure 809077DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 209972DEST_PATH_IMAGE028
表示电堆电/热输出比例，
Figure 568141DEST_PATH_IMAGE029
表示热回收效率，目前板式热交换器效率约为95%。
4）根据初始数据采集，形成第一个时域集：
Figure 783047DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 150443DEST_PATH_IMAGE031
表示一天中第i个刻钟时间段电/热需求比例，例如凌晨00:46~01:00表示处于t4时刻，此时段内的电/热需求比例为
Figure 156577DEST_PATH_IMAGE032
，将该时域集定义为电/热需求比例预测集。
2. 建立工作策略
1）根据第一个时域集，确定不同时刻电/热需求比例，建立运行策略。具体步骤如下：通过查找此时刻的电/热需求比例，反向查找电堆功率-电/热输出比例初始拟合曲线，确定电堆功率，也即电堆需要运行的工作点
Figure 420068DEST_PATH_IMAGE033
，此时通过采集功率需求
Figure 659288DEST_PATH_IMAGE034
，来确认需要开启燃料电池系统组数量
Figure 299217DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 674703DEST_PATH_IMAGE036
，其中
Figure 374675DEST_PATH_IMAGE037
表示将数字a向下，舍入到最近的整数。燃料电池将以定功率
Figure 835612DEST_PATH_IMAGE038
运行。
2）当电负荷和热负荷出现波动时，当蓄电池SOC处于40%~70%之间时由蓄电池进行补偿，当蓄电池不处于该范围时，根据以下两种情况分别采取不同策略：
① 实际电/热负荷比例高于预测值
Figure 295543DEST_PATH_IMAGE039
，也即电负荷偏高，热负荷偏低，增加燃料电池系统开启数量，直至全部燃料电池开启；
② 实际电/热负荷比例低于预测值
Figure 531396DEST_PATH_IMAGE039
，也即电负荷偏低，热负荷偏高，逐步减少燃料电池开启数量，也即调整燃料电池工作点，提高产热功能，直至符合实际电/热输出比例。
3. 建立反馈
1）通过积分计算每个时刻实际电功耗和热功耗，形成新的时域集
Figure 136690DEST_PATH_IMAGE040
，该时域集表示前一天中第i个刻钟时间段电/热实际需求比例，将该时域集定义为电/热需求比例实际集，根据实际集更新预测集，新的预测集为：
Figure 819344DEST_PATH_IMAGE041
，第二天将根据新的预测集建立运行策略，每天进行更新；具体如图3~5所示。
2）燃料电池电堆长时间运行之后，其电堆性能会出现一定的下降，通过采集电堆电流、电压数据，DC/DC输出电流、电压数据，逆变器输出电流、电压输出，热水供应流量和温差数据，根据初始化中的计算公式对
Figure 332233DEST_PATH_IMAGE015
进行更新。
从图1和图2中可以发现，燃料电池的特性是随着功率增加，系统的电效率逐步降低，相应的热效率升高。而从图3-图5中可以发现，每天每个时段，该基地的电/热负荷比例变化情况。从图中可以发现，电/热负荷比一天中的变化非常大，其中上午、中午和傍晚时间段用电负荷偏大，因此电/热比值较小，而在工作时间期间，电/热比值非常大，例如图中的下午1:00至下午5:00时间段，电负荷约为60kW，而热负荷只有约10kW，如果按照常规的控制策略，仅启动一组燃料电池供给，从图2可看到，此时燃料电池电效率约为45%，热效率为55%，严重的与实际负荷不匹配。而根据本发明的控制策略，则可以同时启动4组燃料电池，每组发电功率约为15kW，此时的电效率为57.5%左右，大大的提升了系统效率。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。

Claims (7)

1.一种模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
（1）根据测试数据，依次确定单组燃料电池系统电堆电流-电堆电压-电堆功率拟合曲线、单组燃料系统电堆功率-电堆系统电效率拟合曲线以及氢能电站中电堆功率-电/热比例初始拟合曲线，并形成时域集：
Figure 896378DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 408260DEST_PATH_IMAGE002
表示一天中第i个刻钟时间段电/热需求比例；
（2）根据某一时刻的电/热需求比例，反向查找电堆功率-电/热输出比例初始拟合曲线，并确定电堆功率
Figure 63363DEST_PATH_IMAGE003
，然后根据功率需求
Figure 566895DEST_PATH_IMAGE004
，确定开启燃料电池系统组数量n0；
（3）通过计算每个时刻实际电功耗和热功耗，形成新的时域集：
Figure 725475DEST_PATH_IMAGE005
，该时域集集表示前一天中第i个刻钟时间段电/热实际需求比例，并依此确定第二天的预测集，第二天的预测集如下：
Figure 921839DEST_PATH_IMAGE006
，且第二天以此预测集运行，且每天更新。
2.如权利要求1所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，所述单组燃料系统电堆功率-电堆系统电效率拟合曲线如下：
Figure 798659DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，
Figure 856614DEST_PATH_IMAGE008
表示系统的电效率，
Figure 368235DEST_PATH_IMAGE009
表示电堆净输出功率，
Figure 236965DEST_PATH_IMAGE010
表示DC/DC工作效率，
Figure 105476DEST_PATH_IMAGE011
表示燃料电池系统辅助功耗，
Figure 452275DEST_PATH_IMAGE012
表示DC/AC工作效率。
3. 如权利要求2所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，所述氢能电站中电堆功率-电/热 比例初始拟合曲线如下：
Figure 83982DEST_PATH_IMAGE013
，
其中，
Figure 858034DEST_PATH_IMAGE014
表示电堆电/热输出比例，
Figure 207982DEST_PATH_IMAGE015
表示热回收效率。
4.如权利要求3所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，当氢能电站众的燃料电池长时间运行之后，通过采集电堆电流、电压数据，DC/DC输出电流、电压数据，逆变器输出电流、电压输出，热水供应流量和温差数据，根据初始化中的计算公式对
Figure 607739DEST_PATH_IMAGE016
进行更新。
5.如权利要求1所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统组数量
Figure 860997DEST_PATH_IMAGE017
，其中，
Figure 304486DEST_PATH_IMAGE018
表示将数字a向下，舍入到最近的整数。
6.如权利要求5所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，当电负荷和热负荷出现波动时，且所述氢能电站的蓄电池的SOC处于40%~70%时，由蓄电池进行补偿电功率。
7.如权利要求5所述的模组式氢能电站热电联供控制方法，其特征在于，当电负荷和热负荷出现波动时，且所述氢能电站的蓄电池的SOC处于0~40%或70%~100%时，按以下两种情况采取不同策略：
a）实际电/热负荷比例高于预测值
Figure 643194DEST_PATH_IMAGE019
，也即电负荷偏高，热负荷偏低，增加燃料电池系统开启数量，直至全部燃料电池开启；
b）实际电/热负荷比例低于预测值
Figure 824472DEST_PATH_IMAGE019
，也即电负荷偏低，热负荷偏高，逐步减少燃料电池开启数量，也即调整燃料电池工作点，提高产热功能，直至符合实际电/热输出比例。
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