一种多能互补固态储氢燃料电池功率控制方法和供电系统与流程

本技术涉及多能源互补供电，具体涉及一种多能互补固态储氢燃料电池电源功率控制方法和供电系统。

背景技术：

1、随着新型电力系统建设的深化，风电、光伏等分布式新能源凭借清洁低碳优势被广泛应用于偏远无电网区域、野外作业、应急备用、海岛微电网等场景。然而，风电、光伏等单一能源形式天然具备间歇性、波动性及昼夜供需错配特征，难以独立承担连续、稳定的供电任务；传统电化学电池（锂电/铅酸）则存在低温衰减、循环寿命有限、消防安全隐患及长时储能成本高等固有短板。在此背景下，行业逐步形成"风光发电+锂电缓冲+燃料电池"的多能互补供能架构。

2、在燃料电池的氢气供给方式中，固态储氢技术凭借低压高安全、储氢密度大、无泄漏风险等优势，有效规避了气态储氢高压危险、液态储氢设备笨重及安全管控严苛等问题，已成为分布式长时储能供电的重要技术方向。

3、目前，针对"风光发电+锂电缓冲+固态储氢+燃料电池"耦合供能系统，现有功率控制方案主要采用固定功率分配、单一阈值启停及简单比例调节的控制策略，核心控制逻辑以负载供电需求为单一导向。具体而言，在常规稳态运行工况下，依托锂电池平抑基础功率波动，燃料电池以固定功率稳态运行实现兜底供电，风光新能源优先直接供给负载，富余电能经简单调控后为锂电池充电。该控制方式在负载基本稳定、运行工况变化不大的条件下能够满足基础的供电需求。

4、然而，上述现有功率控制方案在实际工程应用中存在以下不足：

5、其一，控制逻辑未能有效适应固态储氢的供氢动态响应特性。固态储氢材料的放氢过程为吸热反应，其氢气输出速率受环境温度、剩余储氢容量、系统换热效率等多因素动态干扰，天然存在供氢滞后特性。现有控制方式采用功率指令直接跟随负载波动的调控模式，当负载快速变化时，燃料电池的功率需求指令先于氢气供给能力的变化，导致燃料电池输入氢压力不稳定，进而引发输出功率持续震荡，供电电压、电流波动超标，电能质量下降。同时，负载频繁波动致使燃料电池电堆频繁变载、反复启停，产生严重的工况冲击，加速电堆性能衰减。

6、其二，多能源模块之间的功率分配机制单一，缺乏协同优化能力。现有技术仅依靠固定调控逻辑，难以根据光伏、风电、锂电池、燃料电池及固态储氢各模块的实时状态进行动态协调。面对新能源发电随机波动与负载瞬时冲击频繁交织的复杂工况，传统方案过度依赖锂电池补偿功率缺口、燃料电池以恒定功率兜底，易引发锂电池频繁过充过放、燃料电池长期偏离高效运行区间，造成系统整体能源利用效率偏低。

7、其三，调控维度单一，未将系统热平衡状态纳入功率调控体系。固态储氢模块的放氢过程需吸热、吸氢过程需散热，而燃料电池发电过程持续产生大量废热，整套系统具有显著的热-氢-电多场耦合特性。然而，现有功率控制方法仅依托电气参数进行功率调节，未考虑固态储氢模块的实时温度、剩余储氢容量、氢气流量响应速率等非电气参数。在大功率负载工况下，固态储氢模块因热量供给不足导致释氢速率下降、供氢无法跟进功率需求；在小功率待机工况下，燃料电池余热无法有效利用，造成热资源浪费与余热堆积。上述问题导致系统动态响应滞后、工况切换平滑性差。

8、其四，缺乏针对极限工况的自适应调控能力。现有控制策略主要针对额定稳态工况设计，控制参数固化，未针对低温环境、储氢容量不足、新能源出力骤升骤降等特殊工况设置对应的调节逻辑。在上述极限工况下，系统易因供氢滞后或热管理失衡触发设备保护性停机，导致供电中断，严重制约了系统在野外、海岛、应急等复杂场景下的运行可靠性与工程适用性。

9、针对上述问题，相关领域已有部分研究尝试从单一维度进行改进，例如通过增加锂电池容量来增强缓冲能力，或通过设定更复杂的固定阈值来实现多级切换，但均未能从根本上解决固态储氢系统因热-氢-电多场耦合特性所带来的供氢滞后与功率响应失配问题，亦未能实现多能源模块在全工况条件下的协同优化调控。

技术实现思路

1、本技术提供一种多能互补固态储氢燃料电池功率控制方法和供电系统，旨在解决现有技术中因未匹配固态储氢供氢动态响应特性、未适应系统热-氢-电多场耦合特性且缺乏工况自适应调控能力，所导致的功率震荡、能源利用效率偏低及极限工况下易供电中断的问题。

2、第一方面，提供了一种多能互补固态储氢燃料电池功率控制方法，应用于包含光伏模块、风力发电模块、锂电池模块、燃料电池模块和固态储氢模块的多能互补供电系统，所述方法包括以下步骤：

3、实时采集系统的多维度运行状态参数，所述运行状态参数至少包括电气参数、固态储氢模块的储氢特征参数以及燃料电池模块的热工参数；

4、基于所述多维度运行状态参数，实时研判系统当前的运行工况；

5、执行多能源分层自适应功率分配策略，控制所述光伏模块和风力发电模块优先响应负载功率需求；利用所述锂电池模块平抑瞬时功率波动；并根据所述固态储氢模块的实时释氢能力动态修正所述燃料电池模块的输出功率指令，控制所述燃料电池模块进行稳态兜底供电；

6、在执行功率分配策略的过程中，基于所述热工参数和储氢特征参数，执行热-氢-电耦合协同调控，利用所述燃料电池模块产生的余热对所述固态储氢模块进行热管理，以调节所述固态储氢模块的释氢速率；

7、基于调节后的所述释氢速率，动态修正所述燃料电池模块的输出功率指令，控制所述燃料电池模块进行稳态兜底供电。

8、上述方案中，可选地，所述储氢特征参数包括固态储氢模块的剩余储氢容量、实时释氢速率和罐体温度；所述电气参数包括母线电压、母线电流和锂电池荷电状态；所述热工参数包括燃料电池电堆温度和余热排放量。

9、上述方案中，可选地，所述执行多能源分层自适应功率分配策略，具体包括：

10、控制所述锂电池模块工作在安全荷电状态区间内，利用其快速响应特性全权承接负载冲击功率和光伏短时波动和风力短时波动功率，隔离扰动信号；

11、将所述固态储氢模块的实时释氢速率作为前馈修正因子，计算供氢能力上限；

12、当燃料电池模块的初始功率指令超出所述供氢能力上限时，对所述初始功率指令进行动态钳位，使燃料电池模块的实际输出功率与所述固态储氢模块的实时释氢能力相匹配。

13、上述方案中，进一步可选地，安全荷电状态区间为荷电状态20%至80%。

14、上述方案中，可选地，所述执行热-氢-电耦合协同调控，具体包括：

15、实时监测固态储氢模块的罐体温度和环境温度；

16、当检测到环境温度低于预设低温阈值或固态储氢模块处于放氢状态且罐体温度低于放氢所需温度时，控制热交换循环管路将燃料电池模块产生的余热输送至固态储氢模块，补偿放氢吸热损耗；

17、当系统处于吸氢工况时，控制热交换循环管路带走固态储氢模块产生的热量。

18、上述方案中，可选地，所述方法还包括全工况自适应容错控制步骤：

19、当监测到风光输出功率在预设时间内波动幅度超过额定功率的预设比例时，锁定燃料电池模块的功率调节步长，并控制锂电池模块平抑功率波动；

20、当监测到固态储氢模块的剩余储氢容量低于预设容量阈值时，自适应限制系统的峰值负载功率，并降低燃料电池模块的稳态基准功率。

21、上述方案中，进一步可选地，所述预设时间为1分钟，所述预设比例为30%，所述预设容量阈值为20%。

22、上述方案中，可选地，所述全工况自适应容错控制步骤还包括：

23、当检测到系统发生非致命故障时，不执行停机保护，而是动态下调功率指令以优化运行工况；

24、当监测到风光模块和固态储氢模块双不足时，执行分级切除次要负载策略，保障核心负荷供电。

25、上述方案中，可选地，所述方法由ems多参数耦合功率控制器执行，所述控制器集成有光伏变流器、风机整流器、锂电池双向变换器、燃料电池dc/dc变换器以及氢路调节阀的控制接口，通过单控制器顺序完成状态采集、工况判断、功率计算及指令下发。

26、第二方面，提供了一种多能互补固态储氢燃料电池供电系统，包括：

27、光伏模块及其光伏变流器、风力发电模块及其风机整流器、锂电池模块及其双向变换器、燃料电池模块及其dc/dc变换器、固态储氢模块及其氢路调节阀、公共直流母线、热交换循环管路，以及ems多参数耦合功率控制器；

28、所述光伏变流器、所述风机整流器、所述双向变换器和所述dc/dc变换器分别电连接至所述公共直流母线；

29、所述固态储氢模块通过所述氢路调节阀连接至所述燃料电池模块的氢气入口，以向所述燃料电池模块供给氢气；

30、所述热交换循环管路连接于所述燃料电池模块的热量输出端与所述固态储氢模块的热量输入端之间，以将所述燃料电池模块产生的余热选择性地传导至所述固态储氢模块；

31、所述ems多参数耦合功率控制器分别与所述光伏变流器、所述风机整流器、所述双向变换器、所述dc/dc变换器、所述氢路调节阀输出功率指令和控制指令，并向所述热交换循环管路输出换热管路调控指令，以执行以上任一项所述的方法。

32、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

33、本技术基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有技术中因未匹配固态储氢供氢动态响应特性、未适应系统热-氢-电多场耦合特性且缺乏工况自适应调控能力，所导致的功率震荡、能源利用效率偏低及极限工况下易供电中断的问题。通过以下技术手段，达到相应的有益效果：

34、（一）通过实时采集多维度运行状态参数。

35、本技术通过步骤一实时采集电气参数、储氢特征参数及热工参数，相较于现有技术仅依托电气参数进行功率调节的单一监测方式，本技术首次将固态储氢模块的储氢特征参数（如剩余储氢容量、实时释氢速率、罐体温度）和燃料电池模块的热工参数（如电堆温度、余热排放量）同步纳入感知体系，为后续功率调控提供了反映系统热-氢-电耦合状态的全面数据基础，使得功率控制能够准确适配固态储氢的实时供氢能力，解决了背景技术中指出的“调控维度单一，未将系统热平衡状态、储氢剩余容量等核心耦合参数纳入调控体系”的问题。

36、（二）基于多维度运行状态参数实时研判当前运行工况。

37、本技术通过步骤二对采集的多源数据进行综合研判，区分新能源富余工况、功率平衡工况、功率缺口工况以及低温、低储氢容量等极限工况。相较于现有技术仅针对额定稳态工况设计、控制参数固化的方式，本技术通过工况研判为后续差异化调控提供了决策前提，使得功率分配策略能够根据实际运行状态进行自适应调整，解决了背景技术中指出的“未针对低温环境、储氢容量不足、新能源出力骤升骤降等特殊极限工况设计自适应调节逻辑”的问题。

38、（三）执行多能源分层自适应功率分配策略。

39、本技术通过步骤三控制光伏模块和风力发电模块优先响应负载功率需求，利用锂电池模块平抑瞬时功率波动，并根据固态储氢模块的实时释氢能力动态修正燃料电池模块的输出功率指令，控制其进行稳态兜底供电。相较于现有技术中功率指令直接跟随负载波动的粗放调控模式，本技术采用分层级、自适应的动态功率分配策略，实现了光伏、风电优先消纳、锂电池快速平抑波动、燃料电池根据供氢能力稳态兜底的分工协同。其中，风光优先供能最大化就地消纳新能源，锂电池缓冲隔离了瞬时功率扰动对燃料电池的冲击，而根据实时释氢能力修正燃料电池功率指令则使燃料电池输出功率与固态储氢的氢气供给能力实时匹配。上述手段共同作用，既避免了锂电池频繁过充过放、燃料电池长期低效运行所导致的能效偏低问题，又从源头消除了因供氢滞后引发的燃料电池输入氢压不稳和输出功率震荡，解决了背景技术中指出的“控制逻辑未匹配固态储氢供氢动态响应特性”和“多能源功率分配机制粗放，系统能源利用效率低”的问题。

40、（四）在执行功率分配策略的过程中，执行热-氢-电耦合协同调控。

41、本技术通过步骤四在执行功率分配的同时，基于热工参数和储氢特征参数，利用燃料电池模块产生的余热对固态储氢模块进行热管理，以调节固态储氢模块的释氢速率。相较于现有技术仅依托电气参数进行功率调节、忽视热-氢-电多场耦合特性的单一控制方式，本技术将燃料电池发电产生的废热资源化利用于补偿固态储氢放氢过程的吸热损耗，从物理层面主动改善了固态储氢的释氢动力学条件。该手段在大功率负载工况下能够有效提升释氢速率以匹配功率需求，在低温环境下能够预热固态储氢模块以补偿低温导致的性能衰减，从而解决了背景技术中指出的“在大功率负载工况下固态储氢释氢速率不足、供氢跟不上功率需求”和“小功率待机工况下燃料电池余热无法有效利用”的问题，增强了系统工况切换的平滑性。

42、（五）基于调节后的释氢速率，再次动态修正燃料电池模块的输出功率指令。

43、本技术通过步骤五在热-氢-电耦合协同调控提升了固态储氢释氢速率之后，基于调节后的释氢速率重新修正燃料电池模块的输出功率指令，使燃料电池输出功率与提升后的供氢能力实现二次匹配。相较于现有技术中功率指令单向跟随负载的开环控制方式，本技术通过“感知供氢能力→修正功率指令→余热补热提升供氢能力→再次修正功率指令”的闭环调控逻辑，实现了供氢能力与功率需求的动态平衡。该步骤使得燃料电池的输出功率指令始终处于固态储氢模块当前实际能够支撑的范围内，进一步巩固了供电稳定性，同时避免了因功率指令与供氢能力反复失配所导致的电堆频繁变载和工况冲击，延长了燃料电池核心部件的使用寿命。

44、整体而言，本技术上述五个步骤相互依存、层层递进：步骤一和步骤二构建了“感知-研判”的数据支撑层，步骤三构建了“分层分配+供氢限幅”的核心控制层，步骤四构建了“热补偿主动提升供氢能力”的物理增强层，步骤五构建了“能力提升后的再匹配”的闭环修正层。五个步骤通过“数据感知→工况研判→功率分配→热耦合调控→闭环修正”的完整逻辑链条，协同解决了现有技术中因未匹配固态储氢供氢动态响应特性、未适应系统热-氢-电多场耦合特性且缺乏工况自适应调控能力所导致的功率震荡、能源利用效率偏低及极限工况下易供电中断的技术问题，实现了供电稳定性、能源利用效率和工况适应性的协同提升。