CN114825571A - 一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端 - Google Patents

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CN114825571A CN202210578306.XA CN202210578306A CN114825571A CN 114825571 A CN114825571 A CN 114825571A CN 202210578306 A CN202210578306 A CN 202210578306A CN 114825571 A CN114825571 A CN 114825571A
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Abstract

本发明提供的一种氢燃料电池‑储能电池的供电系统控制方法及终端，包括步骤：获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；根据需求功率、荷电状态和可用氢气量控制储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，发电系统采用氢燃料电池进行发电。本发明能够根据用电负载的功率需求、储能电池的荷电状态以及氢气储存罐的可用氢气量，科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制，减少发电系统及制氢系统的频繁启动，供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电，保证供电系统的可靠运行及提高供电系统的使用寿命及效能。

Description

一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端
技术领域
本发明涉及供电系统技术领域，具体涉及一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端。
背景技术
氢燃料电池作为一种质子交换膜燃料电池，具有节能、环保、启动快、比功率密度高等特点，被认为是二十一世纪最有前景的发电技术之一，被誉为是继火力、水力和核能之后的第四代发电技术。其应用范围广泛，不仅可应用于小型备用电源、无人机、汽车等移动交通领域，也可以应用于不同大小规模的分布式发电领域。目前，随着氢燃料电池技术的飞速发展，其使用寿命、发电效率均得到较大提高。然而，由于氢气的存储、输运等多方面限制，一定程度上阻碍了氢燃料电池的规模化应用。
甲醇重整制氢技术是一种较为成熟的可用于现场制氢的制氢技术，其原理是利用甲醇和水在催化剂作用和一定的温度条件下，裂解为H2和CO2的富氢气体。因此，甲醇催化重整制氢系统和氢燃料电池系统集成的一体式供电系统将具有广阔的应用前景。
但供电系统以燃料电池发动机作为单一动力源时，存在响应慢、输出特性疲软等问题，无法适应负载的快速波动，并且甲醇重整制氢系统的启动时间缓慢，从开机预热至提供合格的氢气给燃料电池系统需要一定的时间，无法及时给燃料电池供给充足的氢气。因此提供一种耦合储能电池与氢燃料电池的供电系统，即以氢燃料电池为主、储能电池为辅的混合能源的供电系统，将更具有应用灵活性，同时如何科学合理的控制供电系统的燃料电池及储能电池的工作状态，保证燃料电池系统及制氢系统的使用寿命及效能，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端，合理控制氢燃料电池与储能电池的协同输出，保证了供电系统的可靠运行及延长使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，包括步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 548718DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
Figure 834205DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 102376DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 422499DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池 的平均单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 632769DEST_PATH_IMAGE005
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
为了解决上述技术问题，本发明提供的另一个技术方案为：
一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 139974DEST_PATH_IMAGE006
（1）；
Figure 415097DEST_PATH_IMAGE007
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 589727DEST_PATH_IMAGE008
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 456051DEST_PATH_IMAGE009
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池 的平均单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 466864DEST_PATH_IMAGE010
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端，能够根据用电负载的功率需求、储能电池的荷电状态以及氢气储存罐的可用氢气量，科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态，控制储能电池、发电系统和制氢系统的协同工作，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制，减少发电系统及制氢系统的频繁启动，供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电，保证供电系统的可靠运行及提高供电系统的使用寿命及效能；其中，根据需求功率、荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量控制供电系统各设备的协同工作中，可采用分布判断用电负载的需求功率与氢燃料电池的最小功率值、储能电池的荷电状态与预设荷电状态以及氢气存储罐的可用氢气量与预设氢气量的关系，从而根据各关系的判断结果及其之间的关联性，准确计算并控制制氢系统的启动时间，并在制氢系统启动时间内能维持氢燃料电池或储能电池的对外输出，且能够在储能电池耗电完毕及氢气存储罐内的可用氢气量也消耗完毕之前保证制氢系统的启动完成，以稳定地给发电系统的氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池有了稳定的氢气供应才能稳定地对外输出电能，即整体实现无缝的连接、不间断供电。
附图说明
图1为本发明实施例的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法的主要流程图
图2为本发明实施例的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法的具体流程图；
图3为本发明实施例的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统的在线备保模式的控制框图。
图4为本发明实施例的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统的离线备保模式的控制框图；
图5为本发明实施例的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端的结构示意图。
标号说明：
1、一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端；2、存储器；3、处理器。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1至图4，一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，包括步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 76837DEST_PATH_IMAGE011
（1）；
Figure 105973DEST_PATH_IMAGE012
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 143199DEST_PATH_IMAGE013
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 139843DEST_PATH_IMAGE014
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池 的平均单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 819086DEST_PATH_IMAGE015
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：能够根据用电负载的功率需求、储能电池的荷电状态以及氢气储存罐的可用氢气量，科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态，控制储能电池、发电系统和制氢系统的协同工作，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制，减少发电系统及制氢系统的频繁启动，供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电，保证供电系统的可靠运行及提高供电系统的使用寿命及效能；其中，根据需求功率、荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量控制供电系统各设备的协同工作中，可采用分布判断用电负载的需求功率与氢燃料电池的最小功率值、储能电池的荷电状态与预设荷电状态以及氢气存储罐的可用氢气量与预设氢气量的关系，从而根据各关系的判断结果及其之间的关联性，准确计算并控制制氢系统的启动时间，并在制氢系统启动时间内能维持氢燃料电池或储能电池的对外输出，且能够在储能电池耗电完毕及氢气存储罐内的可用氢气量也消耗完毕之前保证制氢系统的启动完成，以稳定地给发电系统的氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池有了稳定的氢气供应才能稳定地对外输出电能，即整体实现无缝的连接、不间断供电。
进一步地，所述步骤S23中还包括通过计算所述氢气存储罐的压力值p来决定所述制氢系统的工作状态，具体为：
所述可用氢气量N满足如下公式（5）：
Figure 702728DEST_PATH_IMAGE016
（5）；
上述公式（5）中，p为氢气储存罐压力，单位为MPa；R为摩尔气体常数，为
Figure 176435DEST_PATH_IMAGE017
；T为温度，单位为K；V为氢气储存罐容积，单位为m³；
则由N≥N min及公式（3）和公式（4），计算得到如下公式（6）：
Figure 348790DEST_PATH_IMAGE018
（6）；
若公式（6）成立，则所述制氢系统处于停机状态，否则所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气。
由上述描述可知，还可以通过对氢气存储罐的压力值p来判断氢气存储罐内的可用氢气量是否能够满足氢燃料电池进行发电工作的消耗，进一步保证制氢系统在氢气存储罐的氢气压力不足时能够及时启动并输出合格品质的氢气以供发电系统的启动，完善供电系统内各子模块的协同工作。
进一步地，所述步骤S21中否则执行步骤S23之前还包括：
判断所述需求功率Pout是否大于所述氢燃料电池的额定功率值P2，若是则直接启动所述制氢系统，所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气，同时所述发电系统工作，为所述储能电池充电，且所述氢燃料电池和所述储能电池同时为所述用电负载供电。
由上述描述可知，用电负载的需求功率大于燃料电池的额定功率时，说明此刻氢燃料电池即使工作在最大输出功率下也无法提供足够的输出给用电负载供电，因此可直接启动制氢系统一方面为氢燃料电池的工作提供不间断稳定的氢气消耗以便为用电负载供电，一方面给氢燃料电池多余的氢气消耗输出为储能电池充电，以便储能电池补足氢燃料电池的输出为用电负载供电，即储能电池和氢燃料电池同时为用电负载供电，满足用电负载的需求功率。
进一步地，所述步骤S21至S24任一步骤中，当N＜N min时，立即启动所述制氢系统，所述制氢系统工作产生氢气存储至所述氢气存储罐中。
由上述描述可知，在获取到氢气存储罐内的可用氢气量不足时能够及时启动制氢系统补足氢气存储罐内的氢气量，以便提前为氢燃料电池的工作做好准备。
请参照图5，一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 51298DEST_PATH_IMAGE019
（1）；
Figure 55026DEST_PATH_IMAGE020
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 434055DEST_PATH_IMAGE021
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 890444DEST_PATH_IMAGE022
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池 的平均单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 895178DEST_PATH_IMAGE023
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：基于同一技术构思，配合上述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，提供一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，能够根据用电负载的功率需求、储能电池的荷电状态以及氢气储存罐的可用氢气量，科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态，控制储能电池、发电系统和制氢系统的协同工作，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制，减少发电系统及制氢系统的频繁启动，供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电，保证供电系统的可靠运行及提高供电系统的使用寿命及效能；其中，根据需求功率、荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量控制供电系统各设备的协同工作中，可采用分布判断用电负载的需求功率与氢燃料电池的最小功率值、储能电池的荷电状态与预设荷电状态以及氢气存储罐的可用氢气量与预设氢气量的关系，从而根据各关系的判断结果及其之间的关联性，准确计算并控制制氢系统的启动时间，并在制氢系统启动时间内能维持氢燃料电池或储能电池的对外输出，且能够在储能电池耗电完毕及氢气存储罐内的可用氢气量也消耗完毕之前保证制氢系统的启动完成，以稳定地给发电系统的氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池有了稳定的氢气供应才能稳定地对外输出电能，即整体实现无缝的连接、不间断供电。
进一步地，所述步骤S23中还包括通过计算所述氢气存储罐的压力值p来决定所述制氢系统的工作状态，具体为：
所述可用氢气量N满足如下公式（5）：
Figure 18992DEST_PATH_IMAGE024
（5）；
上述公式（5）中，p为氢气储存罐压力，单位为MPa；R为摩尔气体常数，为
Figure 834501DEST_PATH_IMAGE025
；T为温度，单位为K；V为氢气储存罐容积，单位为m³；
则由N≥N min 及公式（3）和公式（4），计算得到如下公式（6）：
Figure 778186DEST_PATH_IMAGE026
（6）；
若公式（6）成立，则所述制氢系统处于停机状态，否则所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气。
由上述描述可知，还可以通过对氢气存储罐的压力值p来判断氢气存储罐内的可用氢气量是否能够满足氢燃料电池进行发电工作的消耗，进一步保证制氢系统在氢气存储罐的氢气压力不足时能够及时启动并输出合格品质的氢气以供发电系统的启动，完善供电系统内各子模块的协同工作。
进一步地，所述步骤S21中否则执行步骤S23之前还包括：
判断所述需求功率Pout是否大于所述氢燃料电池的额定功率值P2，若是则直接启动所述制氢系统，所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气，同时所述发电系统工作，为所述储能电池充电，且所述氢燃料电池和所述储能电池同时为所述用电负载供电。
由上述描述可知，用电负载的需求功率大于燃料电池的额定功率时，说明此刻氢燃料电池即使工作在最大输出功率下也无法提供足够的输出给用电负载供电，因此可直接启动制氢系统一方面为氢燃料电池的工作提供不间断稳定的氢气消耗以便为用电负载供电，一方面给氢燃料电池多余的氢气消耗输出为储能电池充电，以便储能电池补足氢燃料电池的输出为用电负载供电，即储能电池和氢燃料电池同时为用电负载供电，满足用电负载的需求功率。
进一步地，所述步骤S21至S24任一步骤中，当N＜N min时，立即启动所述制氢系统，所述制氢系统工作产生氢气存储至所述氢气存储罐中。
由上述描述可知，在获取到氢气存储罐内的可用氢气量不足时能够及时启动制氢系统补足氢气存储罐内的氢气量，以便提前为氢燃料电池的工作做好准备。
本发明提供的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端，适用于采用氢燃料电池与储能电池一体式为负载供电的供电系统，以下结合具体实施例进行说明。
请参照图1，本发明的实施例一为：
一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，如图1所示，包括步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据需求功率、荷电状态和可用氢气量控制储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，其中发电系统采用氢燃料电池进行发电。
即在本实施例中，可根据用电负载的功率需求、储能电池的荷电状态以及氢气储存罐的可用氢气量，来科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态，控制储能电池、发电系统和制氢系统的协同工作，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制，减少发电系统及制氢系统的频繁启动，供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电，保证供电系统的可靠运行及提高供电系统的使用寿命及效能。
请参照图2至图4，本发明的实施例二为：
一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，在上述实施例一的基础上，在本实施例中，如图2所示，在步骤S1之前，当供电系统需要对用电负载进行供电时，可以通过触发供电系统的启动条件或手动启动供电系统使其处于工作状态，例如可以通过开启供电系统的工作开关，然后供电系统会实时获取接入的用电负载的需求功率Pout、储能电池的荷电状态SOC及氢气存储罐的可用氢气量N，然后进入步骤S2进行具体的条件判断。
其中，在本实施例中，步骤S2具体为：
S21、判断需求功率Pout是否小于氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23。
S22、判断荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则储能电池工作，为用电负载供电，发电系统和制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 822497DEST_PATH_IMAGE027
（1）；
Figure 738500DEST_PATH_IMAGE028
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为发电系统的输出功率，单位为W；t max为氢气存储罐所存储的氢气在制氢系统启动到输出氢气至发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为储能电池的标称电压，单位为V；C为储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为储能电池的当前剩余容量，单位为Ah。
由于氢燃料电池的最小输出功率为P1，当判断得到用电负载的需求功率Pout＜P1时，即表示氢燃料电池即使输出最小功率P1也无法正常为用电负载供电，因此只能通过储能电池来实现为用电负载提供电量。但储能电池的荷电状态会随着储能电池的电量消耗而发生变化，因此，需要继续判断储能电池的荷电状态SOC与预设荷电状态SOC set 的关系，从而进一步判断得到储能电池剩余的电量是否能满足为用电负载供电，即需要Q C ＞P max t max/U，若满足则可由储能电池单独为用电负载供电，若无法满足则再进行后续的条件判断，即进入步骤S23：
S23、判断可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则发电系统工作，为用电负载供电和为储能电池充电，储能电池和制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 724911DEST_PATH_IMAGE029
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 421471DEST_PATH_IMAGE030
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率，单位为W；Uc为所述氢燃料电池 的平均单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 518740DEST_PATH_IMAGE031
；η为氢气利用率系数；其中，氢 气利用率系数η可根据不同供电系统的确定。
即在本实施例中，在Pout＜P1的前提下，当储能电池无法为用电负载供电，即SOC<SOC set ，可通过启动发电系统为储能电池进行充电，使得储能电池的SOC增加，满足为用电负载供电的需求。同时，在Pout＞P1的前提下，无需判断储能电池的SOC与SOC set 之间的大小关系，可直接通过启动发电系统来为用电负载供电，但是无论是Pout＜P1还是Pout＞P1的前提下，氢燃料电池的工作都需要消耗氢气存储罐内的氢气，因此，在发电系统启动工作前还需要对氢气存储罐内的可用氢气量进行判断，以确保可用氢气量N能支持氢燃料电池的正常工作，即需要N≥N min。若不满足N≥N min，也需要保证制氢系统启动至输出稳定氢气供给给氢燃料电池的这段时间内，氢气存储罐内存储的可用氢气量N需要能够维持氢燃料电池的正常输出，以确保供电系统的不间断供电，因此N min的具体设定值，即是在制氢系统启动至输出稳定氢气供给给氢燃料电池的这段时间内氢燃料电池工作所消耗的氢气量，然后氢燃料电池能够再消耗完N min的氢气之前收到制氢系统提高的稳定氢气，即进入步骤S24：
S24、制氢系统工作，产生氢气并输送给发电系统，同时发电系统工作，为用电负载供电和为储能电池充电。
即在本实施例中，通过分步判断用电负载的需求功率Pout与氢燃料电池的最小功率值P1、储能电池的荷电状态SOC与预设荷电状态SOC set 以及氢气存储罐的可用氢气量N与预设氢气量N min的关系，从而根据各关系的判断结果及其之间的关联性，准确计算并控制制氢系统的启动时间，并在制氢系统启动时间内能维持氢燃料电池或储能电池的对外输出，且能够在储能电池耗电完毕及氢气存储罐内的可用氢气量也消耗完毕之前保证制氢系统的启动完成，以稳定地给发电系统的氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池有了稳定的氢气供应才能稳定地对外输出电能，即整体实现无缝的连接、不间断供电。
另外，在本实施例中，上述步骤S23中还包括通过计算氢气存储罐的压力值p来决定制氢系统的工作状态，具体为：
所述可用氢气量N满足如下公式（5）：
Figure 335255DEST_PATH_IMAGE032
（5）；
上述公式（5）中，p为氢气储存罐压力，单位为MPa；R为摩尔气体常数，为
Figure 695830DEST_PATH_IMAGE033
，T为温度，单位为K；V为氢气储存罐容积，单位为m³；
则由N≥N min 及公式（3）和公式（4），计算得到如下公式（6）：
Figure 614107DEST_PATH_IMAGE034
（6）；
若公式（6）成立，则制氢系统处于停机状态，否则制氢系统工作，为氢燃料电池提供氢气。
即还可以通过对氢气存储罐的压力值p来判断氢气存储罐内的可用氢气量是否能够满足氢燃料电池进行发电工作的消耗，进一步保证制氢系统在氢气存储罐的氢气压力不足时能够及时启动并输出合格品质的氢气以供发电系统的启动，完善供电系统内各子模块的协同工作。
同时，步骤S21中否则执行步骤S23之前还包括：
判断需求功率Pout是否大于氢燃料电池的额定功率值P2，若是则直接启动制氢系统，制氢系统工作，为氢燃料电池提供氢气，同时氢燃料电池工作，为储能电池充电，且氢燃料电池和储能电池同时为用电负载供电。
即用电负载的需求功率大于燃料电池的额定功率时，说明此刻氢燃料电池即使工作在最大输出功率下也无法提供足够的输出给用电负载供电，因此可直接启动制氢系统一方面为氢燃料电池的工作提供不间断稳定的氢气消耗以便为用电负载供电，一方面给氢燃料电池多余的氢气消耗输出为储能电池充电，以便储能电池补足氢燃料电池的输出为用电负载供电，即储能电池和氢燃料电池同时为用电负载供电，满足用电负载的需求功率。
另外，在本实施例中，步骤S21至S24任一步骤中，当N＜N min时，可立即启动制氢系统，使制氢系统工作产生氢气存储至氢气存储罐中。
即在获取到氢气存储罐内的可用氢气量不足时能够及时启动制氢系统补足氢气存储罐内的氢气量，以便提前为氢燃料电池的工作做好准备。
此外，在本实施例中，供电系统还具有在线备保模式与离线备保模式，其中当供电系统处于在线备保模式时，如图3所示，供电系统通过接入市电输入，市电提供电量使得供电系统始终处于热备状态，能够迅速启动，且供电系统自动监测市电的供应状态，当监测到市电中断，供电系统输出开关自动闭合，供电系统实时启动向用电端的负载输出电能；当供电系统处于离线备保模式时，如图4所示，供电系统输入开关断开，不自动监测市电的供应状态，当发现市电中断后，由使用人员根据需要手动操作启动供电系统向用电端的负载输出电能。
请参照图3，本发明的实施例三为：
一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端1，包括存储器2、处理器3以及存储在存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，处理器3在执行计算机程序时实现如上述实施例一或实施例二中的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法中的步骤。
综上所述，本发明提供的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法及终端，具有以下有益效果：
1、科学合理的控制供电系统的储能电池、发电系统及制氢系统的工作状态。
2、控制储能电池、发电系统和制氢系统的协同工作，实现供电系统内各个子模块之间高效协同性及智能控制。
3、供电系统能实时对外输出稳定的电能，达到不间断供电。
4、减少了发电系统及制氢系统的频繁启动，保证了供电系统的可靠运行及提高了供电系统的使用寿命及效能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 329265DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
Figure 665568DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 499401DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 870339DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池的平均 单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 147737DEST_PATH_IMAGE005
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，其特征在于，所述步骤S23中还包括通过计算所述氢气存储罐的压力值p来决定所述制氢系统的工作状态，具体为：
所述可用氢气量N满足如下公式（5）：
Figure 971336DEST_PATH_IMAGE006
（5）；
上述公式（5）中，p为氢气储存罐压力，单位为MPa；R为摩尔气体常数，为
Figure 110325DEST_PATH_IMAGE007
；T为温度，单位为K；V为氢气储存罐容积，单位为m³；
则由N≥N min及公式（3）和公式（4），计算得到如下公式（6）：
Figure 539032DEST_PATH_IMAGE008
（6）；
若公式（6）成立，则所述制氢系统处于停机状态，否则所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，其特征在于，所述步骤S21中否则执行步骤S23之前还包括：
判断所述需求功率Pout是否大于所述氢燃料电池的额定功率值P2，若是则直接启动所述制氢系统，所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气，同时所述发电系统工作，为所述储能电池充电，且所述氢燃料电池和所述储能电池同时为所述用电负载供电。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制方法，其特征在于，所述步骤S21至S24任一步骤中，当N＜N min时，立即启动所述制氢系统，所述制氢系统工作产生氢气存储至所述氢气存储罐中。
5.一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，其特征在于，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S1、获取用电负载的需求功率、储能电池的荷电状态、氢气存储罐的可用氢气量；
S2、根据所述需求功率、所述荷电状态和所述可用氢气量控制所述储能电池、发电系统和制氢系统的工作状态，所述发电系统采用氢燃料电池进行发电；
所述步骤S2具体为：
S21、判断所述需求功率Pout是否小于所述氢燃料电池允许的最小功率值P1，若是，则执行步骤S22，否则执行步骤S23；
S22、判断所述荷电状态SOC与预设的荷电状态SOC set 的大小关系，若SOC＞SOC set ，则所述储能电池工作，为所述用电负载供电，所述发电系统和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S23；
其中，SOC和SOC set 的计算如下公式（1）和公式（2）所示：
Figure 721752DEST_PATH_IMAGE009
（1）；
Figure 298227DEST_PATH_IMAGE010
（2）；
上述公式（1）和公式（2）中，SOC min和SOC max分别为所述储能电池的最大荷电状态和最小荷电状态，P max为所述发电系统的输出功率，单位为W；t max为所述氢气存储罐所存储的氢气在所述制氢系统启动到输出氢气至所述发电系统这一过程中的最大耗费时长，单位为s；U为所述储能电池的标称电压，单位为V；C为所述储能电池的初始容量，单位为Ah；Q C 为所述储能电池的当前剩余容量，单位为Ah；
S23、判断所述可用氢气量N与预设的氢气量N min的大小关系，若N≥N min，则所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电，所述储能电池和所述制氢系统处于停机状态，否则执行步骤S24；
其中，N min为t max内所述氢燃料电池工作所消耗的氢气量，单位mol；t max 单位为s；则N min的计算如下公式（3）：
Figure 270600DEST_PATH_IMAGE011
（3）；
上述公式（3）中，m为所述氢燃料电池工作时单位时间内的氢气消耗量，单位为mol/s；m满足如下公式（4）：
Figure 553813DEST_PATH_IMAGE012
（4）；
上述公式（4）中，P为所述氢燃料电池的输出功率,单位为W；U c 为所述氢燃料电池的平均 单片电压，单位为V；F为法拉第常数，为
Figure 173014DEST_PATH_IMAGE013
；η为氢气利用率系数；
S24、所述制氢系统工作，产生氢气并输送给所述发电系统，同时所述发电系统工作，为所述用电负载供电和为所述储能电池充电。
6.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，其特征在于，所述步骤S23中还包括通过计算所述氢气存储罐的压力值p来决定所述制氢系统的工作状态，具体为：
所述可用氢气量N满足如下公式（5）：
Figure 971205DEST_PATH_IMAGE014
（5）；
上述公式（5）中，p为氢气储存罐压力，单位为MPa；R为摩尔气体常数，为
Figure 701264DEST_PATH_IMAGE015
；T为温度，单位为K；V为氢气储存罐容积，单位为m³；
则由N≥N min及公式（3）和公式（4），计算得到如下公式（6）：
Figure 386454DEST_PATH_IMAGE016
（6）；
若公式（6）成立，则所述制氢系统处于停机状态，否则所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气。
7.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，其特征在于，所述步骤S21中否则执行步骤S23之前还包括：
判断所述需求功率Pout是否大于所述氢燃料电池的额定功率值P2，若是则直接启动所述制氢系统，所述制氢系统工作，为所述氢燃料电池提供氢气，同时所述发电系统工作，为所述储能电池充电，且所述氢燃料电池和所述储能电池同时为所述用电负载供电。
8.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池-储能电池的供电系统控制终端，其特征在于，所述步骤S21至S24任一步骤中，当N＜N min时，立即启动所述制氢系统，所述制氢系统工作产生氢气存储至所述氢气存储罐中。
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