一种大时长双源氢能应急电力保供系统及其运行控制方法与流程

本发明属于氢能应急供电及新能源电力保障，具体涉及一种大时长双源氢能应急电力保供系统及其运行控制方法。

背景技术：

1、传统氢能应急供电系统采用单一氢源供能方式，难以满足大时长连续供电需求，为突破单一能源供能的容量与续航限制，提高系统供电容量和可靠性，通常需要引入多源互补机制。然而，多源供电架构在实际应用中也带来了新的技术挑战：一方面，需要将异源产生的电能进行统一汇集和协调输出，若缺乏多源之间的有序切换与协调机制，可能导致负载侧供电不稳定，甚至出现供电中断；另一方面，在切换时供能单元存在响应延迟，必须有效填补该延迟期间的功率空白，以维持电压稳定并保障供电的连续性。

2、针对多源供电协调与功率补偿问题，现有技术中提出了多种解决方案，中国专利cn122553326a公开了一种适用于氢能应急电力保供车双源联供运行控制方法，采用车载氢能电源系统与氢能动力系统（车辆行驶用氢源）进行双源联供；设有第一工况（双源联合供电）和第二工况（单源供电），通过dc/dc控制实现双源功率协调，在第一工况下由车载氢能电源与氢能动力系统联合供电，并基于负荷功率阈值进行工况切换，试图实现多源协同运行。cn121192901a公开了具有多源发电智能切换功能的储能小屋及控制方法，采用光伏、氢储能与储能电池三源协同架构。通过控制器根据多传感器信号自动判断并切换发电单元，采用预充电控制将母线电压波动控制在±5%以内，并通过储能电池参与功率调节来维持母线稳定。cn121515746a公开了一种大时长双源联供应急保障车及其控制方法，采用燃料电池与动力锂电池双源联供架构，利用动力锂电池的快速响应特性填补燃料电池的响应间隙，实现稳压输出。 cn212649183u公开了一种基于氢燃料电池的多源应急供电系统，采用氢燃料电池、柴油发电机、人力发电机、ups及市电五电源架构。通过五电源切换装置实现多路电源的串行切换，ups不间断电源在切换瞬间提供功率支撑，以保障供电连续性。

3、尽管上述现有技术方案实现了多能源可靠、连续地为负载供电的基础功能，但仍存在以下三方面不足，无法满足实际复杂应用需求：

4、（1）应急场景负载类型多样化适配不足；

5、应急供电场景中的负载形式具有多样性，既可能包括直流负载，也可能包括交流负载；现有技术方案采用固定形式的供电接口，难以根据不同应用需求实现直流供电和交流供电模式的灵活切换。例如，cn122553326a的车载氢能电源系统通过一台逆变器将直流电转化为交流电输出，可直接作为电源给负载供电或接入380v低压电网，cn212649183u有ups可提供交流输出，但均为固定输出形式，不能根据负载类型选择供电接口。

6、（2）交流供电模式下动态稳定性不足；

7、在交流供电模式下，现有技术方案的交流输出依赖传统锁相环跟随控制，当负载扰动或氢源切换时，交流侧电压和频率可能出现剧烈波动，难以保障供电质量。

8、（3）大时长连续供电中氢源补充需停机；

9、在大时长应急供电过程中，当氢源耗尽后需要停机补充。cn121515746a的换氢需手动操作且系统需停机等待；cn121192901a和cn212649183u的氢储能或氢燃料电池为固定式，无模块化替换；均无法实现一边运行一边补充的大时长连续供电。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种大时长双源氢能应急电力保供系统及其运行控制方法，实现直流负载和交流负载的灵活适配，在氢源动态切换和负载功率突变工况下保持交流输出电压幅值和频率稳定，同时在无停机条件下使系统持续获得氢源供应。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、本发明提供一种大时长双源氢能应急电力保供系统，包括车载氢源供能模块、模块化外部氢源供能模块、燃料电池发电单元、直流变换单元、双向直流变换单元、公共直流母线、储能单元、供电接口单元、能量管理与协调控制器；

4、所述车载氢源供能模块包括储氢瓶组，用于提供初始或辅助的氢源；所述模块化外部氢源供能模块包括2个以上可独立接入的储氢单元，用于提供持续的氢源；

5、所述燃料电池发电单元，分别与所述车载氢源供能模块储氢瓶组和模块化外部氢源供能模块储氢单元配套配置，用于将氢源中的化学能转换为电能；

6、所述直流变换单元，分别与所述燃料电池发电单元配套配置，用于调节和转换电能，柔性接入所述公共直流母线；

7、所述双向直流变换单元，与所述储能单元配套连接；

8、所述公共直流母线，连接所述车载氢源供能模块、模块化外部氢源供能模块、储能单元，用于电能汇集与分配；

9、所述储能单元，用于功率调节、补偿瞬态功率和公共直流母线电压波动；

10、所述供电接口单元，包括直流供电接口和逆变供电接口，用于向外部不同类型的负载提供电能；

11、所述供电接口单元从公共直流母线获取电能，通过所述直流供电接口直接向直流负载供电，或通过所述逆变供电接口将直流电逆变为交流电后向交流负载供电；向交流负载供电时，在所述逆变供电接口处运行构网型控制策略以维持输出电压和频率的稳定，所述构网型控制策略包括虚拟惯量和阻尼控制。

12、优选的，所述车载氢源供能模块和模块化外部氢源供能模块分别向配套的燃料电池发电单元提供氢气，燃料电池发电单元将氢能转化为电能；

13、所述燃料电池发电单元分别通过配套的直流变换单元接入所述公共直流母线；所述直流变换单元根据燃料电池发电单元的输出能力、负载需求及公共直流母线状态，调节输出功率，完成多氢源电能的汇集与柔性接入；

14、所述储能单元通过配套的双向直流变换单元接入公共直流母线，在加氢/换氢或氢源切换过程中，对功率波动进行补偿，维持公共直流母线电压稳定；

15、所述能量管理与协调控制器，用于接收运行状态信息，向直流变换单元、储能单元发出控制指令，协调车载氢源供能模块、模块化外部氢源供能模块及储能单元的输出功率；所述运行状态信息包括储氢量、公共直流母线电压、负载功率。

16、本发明还提供一种大时长双源氢能应急电力保供运行控制方法，基于上述大时长双源氢能应急电力保供系统而实施，包括以下步骤：

17、步骤s1，获取系统运行状态信息；

18、实时采集所述双源氢能应急电力保供系统的运行状态信息；

19、优选的，所述步骤s1中，

20、所述运行状态信息包括车载氢源供能模块和模块化外部氢源供能模块的氢源状态信息以及配套燃料电池发电单元运行状态信息、公共直流母线状态信息、储能单元状态信息、负载需求信息；所述氢源状态信息包括压力和氢剩余量；所述燃料电池发电单元运行状态信息包括输出功率和效率；所述公共直流母线状态信息包括电压和电流；所述储能单元状态信息包括soc和电压；所述负载需求信息包括负载功率、类型和持续时间。

21、步骤s2，建立氢源动态接替策略；

22、基于步骤s1获得的系统运行状态信息，对当前氢源的持续供能能力进行评估，以确立氢源接入优先级；

23、优选的，所述步骤s2中，所述氢源持续供能能力评估和氢源接入优先级确立方法如下：

24、设hi为第i个储氢单元或储氢瓶组的剩余储氢比，表示剩余储氢量占额定储氢量的百分比，hth为剩余储氢比切换阈值；当hi>hth且第i个储氢单元或储氢瓶组配套的燃料电池发电单元的运行状态为正常时，判定第i个储氢单元或储氢瓶组可持续供能，否则判定为不可持续供能；

25、仅将可持续供能储氢单元或储氢瓶组列入氢源接入优先级排序；氢源接入优先级排序设定为模块化外部氢源优先于车载氢源，模块化外部氢源的储氢单元按照hi从高到低排列优先级顺序。

26、步骤s3，判断是否需要加氢/换氢或氢源切换；若是，进入步骤s4，若否，进入步骤s6；

27、优选的，所述步骤s3中，所述加氢操作是外部供氢管路补给接入，长管拖车或其他外部供氢源通过外部供氢接口直接向燃料电池发电单元持续供氢；所述换氢操作是模块化储氢单元替换接入，用备用储氢单元替换当前供能储氢单元；所述氢源切换操作是从车载氢源或模块化外部氢源的单氢源独立供能模式切换为双氢源联合供能模式，或者从车载氢源和模块化外部氢源两者中的功率较低的单氢源切换为功率较高的单氢源；

28、设

p

ext,av为所有可持续供能的模块化外部氢源储氢单元配套燃料电池发电单元的当前总输出功率，

p

veh,av为可持续供能的车载氢源储氢瓶组对应燃料电池发电单元的当前输出功率，

p

l为当前负载总功率；

29、（1）判定需要氢源切换的条件为：当前为单氢源运行模式，采用模块化外部氢源或车载氢源单独供能，且满足：

30、

p

i,av=

min(pext,av

, pveh,av

) < pl

≤max(pext,av

, pveh,av

)，

31、或者：

32、

p

i,av =

max(pext,av

, pveh,av

) < pl

≤ pext,av

+ pveh,av；

33、其中，

p

i,av为当前供能氢源对应燃料电池发电单元的总输出功率；

34、（2）判定需要换氢的条件为：当前为双源协同运行模式，采用模块化外部氢源和车载氢源联合供能，且满足：

35、存在至少一个供能储氢单元或储氢瓶组

i：

hi

≤ hth ；

36、即当任一当前供能储氢单元或储氢瓶组的剩余储氢比达到或低于设定切换阈值时，判定需要进行换氢操作；

37、（3）判定需要加氢的条件为：当前为双源协同运行模式，采用模块化外部氢源和车载氢源联合供能，且满足：

38、所有供能储氢单元或储氢瓶组

i：

hi>

hth，

39、且：

40、

pl

>

pext,av

+ pveh,av。

41、步骤s4，执行加氢、换氢或氢源切换操作；

42、通过柔性接入技术执行氢源补充、储氢单元替换或双源切换物理操作；

43、优选的，所述步骤s4中，如果进行加氢操作，直接将长管拖车外部氢源通过外部供氢接口接入；如果进行换氢或切换操作，按照步骤s2确定的优先级顺序切入备用供能单元；

44、加氢、换氢和氢源切换操作步骤如下：

45、s4.1，备用氢源提前接入；

46、所述备用氢源包括备用模块化外部氢源储氢单元或待切入的车载氢源或长管拖车外部氢源，控制备用氢源供能单元接入公共直流母线，提前建立供能能力；

47、s4.2，输出功率协调调节；

48、调节不同供能单元的输出功率：逐步降低原供能氢源供能单元的输出功率，同时逐步提升备用氢源供能单元的输出功率，实现两个氢源供能单元之间的平滑功率转移，避免输出功率突变；

49、s4.3，原氢源退出；

50、在备用氢源供能单元承担全部负载功率时，将原供能氢源供能单元从公共直流母线上断开退出；完成一次氢源替换；

51、s4.4，循环替换供能；

52、通过上述s4.1-s4.3步骤的循环执行，不同供能单元依次接入、运行、退出，使系统在无停机情况下持续获得氢源供应；实现大时长连续供电。

53、步骤s5，功率协调与能量管理；

54、在步骤s4加氢、换氢或氢源切换操作开始时，同步触发储能单元进入功率补偿状态，利用储能单元充放电补偿瞬态功率波动，并维持公共直流母线电压稳定；

55、优选的，所述步骤s5中，能量管理与协调控制器实时获取负载功率、各燃料电池实际输出功率以及公共直流母线电压，计算储能目标功率指令，具体如下：

56、设当前外部氢源配套燃料电池发电单元的实际总输出功率为

pext，车载氢源配套燃料电池发电单元的实际输出功率为

pveh，系统瞬态功率差额

δp 为：

57、

δp =

pl - (

pext +

pveh)，

58、设公共直流母线实际电压为

vdc，额定电压为

vdc，公共直流母线电压偏差

ev为：

59、

ev =

vdc -

vdc，

60、当系统瞬态功率差额 δp和或公共直流母线电压偏差 ev超出允许范围时，采用双环复合控制算法，将系统瞬态功率差额

δp作为快速前馈量，将公共直流母线电压偏差

ev作为闭环调节量，共同确定储能目标功率指令

pess，计算公式为：

61、

pess = sat[

δp +

kp

ev +

ki

evdt]，

62、其中，

kp 为电压-功率比例调节系数，量纲为 kw/v；

ki 为电压-功率积分调节系数，量纲为 kw/(v·s)；sat[·]表示按照储能单元允许的最大充、放电功率进行限幅；

63、能量管理与协调控制器将所述目标功率指令

pess发送至储能单元配套的双向直流变换单元，由双向直流变换单元调节储能充放电电流，

pess>0 时储能单元放电，

pess<0时储能单元充电；当

δp和

ev均进入设定允许范围，并持续状态达到设定时间后，储能单元由功率补偿状态转入待机状态。

64、步骤s6，配置负载供电模式和稳定供电控制；

65、根据负载特性配置直流或交流供电模式，并应用构网型控制策略稳定交流电压和频率；

66、优选的，所述步骤s6中，配置供电模式包括：

67、（1）实时检测负载类型：直流供电接口和逆变供电接口分别设置负载接入状态检测信号，分别记为

sdc 和

sac；其中，

sdc=1 表示直流供电接口检测到负载接入，

sac=1 表示逆变供电接口检测到负载接入；未检测到负载接入时，相应状态信号为 0；

68、（2）直流供电模式：当

sdc=1，

sac=0 时，判定为直流负载供电需求，控制直流供电接口投入运行，逆变供电接口保持断开；

69、（3）交流供电模式：当

sdc=0，

sac=1 时，判定为交流负载供电需求，控制逆变供电接口投入运行，将公共直流母线电能逆变为交流电后向负载供电，直流供电接口保持断开；

70、（4）供电接口自动切换：当负载接入状态由（

sdc，

sac）=（1，0）变为（0，1），或由（0，1）变为（1，0）时，能量管理与协调控制器判定负载供电类型发生变化，先断开原供电接口，再投入目标供电接口，实现直流供电模式与交流供电模式之间的自动切换；

71、所述交流供电模式，采用构网型控制策略，包括：

72、（1）构网型控制策略部署；

73、在逆变供电接口处运行构网型控制策略；

74、（2）虚拟惯量控制；

75、虚拟惯量控制模拟传统同步发电机的转子惯性响应特性，在系统频率发生变化时产生与频率变化率成正比的功率输出，抑制频率的突变；

76、（3）阻尼控制；

77、通过阻尼控制抑制系统频率振荡，在频率发生波动时提供与频率偏差成正比的阻尼功率，加速系统频率恢复至额定值，防止频率持续振荡。

78、步骤 s7，持续供电能力检测、评估和决策；

79、对系统运行状态进行周期性检测和评估，确定维持现状或返回步骤s3或进入告警。

80、优选的，所述步骤 s7 中，周期性检测参数包括当前外部氢源配套燃料电池发电单元的实际总输出功率

pext、车载氢源配套燃料电池发电单元的实际输出功率

pveh、公共直流母线实际电压

v

dc；

81、对当前供能能力与负载匹配度、公共直流母线稳定性进行评估和决策，包括：

82、（1）若当前供能能力与负载匹配度以及公共直流母线稳定性均满足设定指标，则维持现状继续供电；

83、所述当前供能能力与负载匹配度设定指标为：

84、pext + pveh ≥ pl，

85、所述当前公共直流母线稳定性设定指标为：

86、δv ≤ εv，

87、δv = |vdc - vdc| / vdc × 100%，

88、其中，δv为公共直流母线电压偏差率；vdc为公共直流母线额定电压；εv为公共直流母线电压允许偏差率阈值；

89、（2）若当前供能能力与负载匹配度不满足设定指标，则进入步骤s3，由步骤s3判断相应的加氢、换氢或氢源切换需求，并由步骤s4执行相应操作；

90、（3）若当前供能能力与负载匹配度满足设定指标，但公共直流母线稳定性不满足设定指标：

91、当δv>εv且tv

92、当δv>εv且tv≥tv,th时，判定为异常运行状态，进入告警处理；

93、其中，tv 为公共直流母线电压连续超限时间，tv,th 为公共直流母线电压持续超限时间阈值。

94、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

95、（1）本发明根据负载类型选择直流供电模式或交流供电模式。在直流供电模式下，通过直流供电接口向直流负载供电；在交流供电模式下，通过逆变供电接口向交流负载供电；系统通过能量管理控制模块实时检测负载类型，自动切换供电接口，实现直流负载和交流负载的灵活适配。实现了单一系统面向不同类型应急负载的灵活供电能力，无需针对不同负载类型配置不同的供电设备，提高了系统的通用性和适应性。

96、（2）本发明在交流供电模式下采用构网型控制策略，模拟传统同步发电机的特性，引入虚拟惯量和阻尼控制。构网型控制策略在逆变供电接口处运行，通过虚拟惯量控制来模拟发电机的转子惯性响应，通过阻尼控制来抑制频率振荡，主动支撑系统电压和频率，从而提升系统对扰动的抗干扰能力；在氢源动态切换和负载功率突变工况下，交流输出电压幅值和频率均能保持稳定，避免了传统锁相环跟随控制在瞬态过程中的电压/频率剧烈波动问题，有效保障了敏感交流设备的可靠运行。

97、（3）本发明构建了车载氢源供能模块、外部氢源供能之间的动态联供或接替机制。能量管理与协调控制器根据储氢状态信息、燃料电池运行状态以及负载需求信息控制切换，操作中将备用氢源接入公共直流母线提前建立供能能力，并持续调整原供能氢源供能单元和备用氢源供能单元输出功率，实现两个氢源之间的平滑切换。实现了基于储氢状态管理的循环替换供能，使氢能应急保供系统能够在无停机情况下实现大时长连续供电。