风电‑氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法

摘要

一种风电‑氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法，基于风电、氢储能、煤化工和电网构成的多能耦合系统，以气体产、耗过程动态平衡为原则，以灵活调整优先级顺序为主导思想，以风电消纳最大化为目标，以煤化工系统额定不间断运行、氢储能系统储能状态处于正常区间为约束，控制实现多能耦合系统内部气体合理分配。即在依据氢储能系统储能状态ESOCS制定的优先级不同的三类情况下，分别就多能耦合系统内部气体可能出现的流动链路进行分析，以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率Pmhg和煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率Nmhg为基准，给出多能耦合系统气体分配控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电-氢储能与煤化工多能耦合系统的气体分配控制方法。

背景技术

在当今中国国民日益增强的健康观念和现实环境“霾影重重”的严峻背景下，国家发改委和能源局在“十三五”规划中将煤炭的清洁高效利用与储能技术、可再生能源研究等一同定为能源发展八大重点工程，以此致力于实现“北煤南运、西煤东调”的总体战略性布局。借此，提出利用氢清洁储能，重组并发挥我国新疆等北部地区兼备风、煤资源的优势，消除风电大规模并网消纳瓶颈，提升煤基化工产业的环境友好度，在切实实现煤炭优化目标的同时，利用煤、电辅助氢储能系统打破传统氢气存储与输送限局。在此过程中，如何依据风、氢、煤各子系统实际运行工况和需求，对多能耦合系统内部能量进行协调控制，是发挥各子系统优势，切实提升大规模风电并网消纳能力，优化储能工艺，改善煤化工工艺清洁度的重要环节。

现有的国内外研究主要致力于利用氢储能技术平滑电源功率波动，实现电力削峰填谷，提高系统备用容量。或避开风电上网的瓶颈问题，将煤化工产业作为非并网风电的一条消纳路径，间接提高风电利用率，减少弃风。在风、氢、煤集成系统控制研究方面，文献[袁铁江,段青熙,秦艳辉,等.风电–氢储能与煤化工多能耦合系统能量广域协调控制架构[J].高电压技术,2016,42(9):2748-2755.]基于分层递阶控制原理，对风电-氢储能与煤化工多能耦合系统广域协调控制方案进行了探讨。专利2015102890549提出了一种分散式接入电场的风-氢储能耦合系统控制方法，基于风电场实际出力与本地负荷差值，协同上级电网调度计划，以氢储能等效SOC状态为判断依据，给出了可弃风情况下，风-氢储能耦合系统的风电功率分配方法。专利2015105419016整合了氢、氧储气罐状态给出氢储能系统等效SOC状态，并以此为前提，详细讨论了风电-氢储能与煤化工多能耦合系统内电能需求情况，并以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，对系统内部电能分配进行控制研究。鉴于风电–氢储能与煤化工多能耦合系统内部存在化学能链路，因此，为保证多能耦合系统内部各子系统协调运行，还需基于上述电能分配控制方案，结合其内部电能与化学能的转换关系，对多能耦合系统内气体分配进行控制研究。

发明内容

为克服现有技术的缺点，完善上述多能耦合系统控制方法，本发明提出一种风电-氢储能与煤化工多能耦合系统的气体分配控制方法。

本发明基于由风力发电系统、氢储能系统、煤化工系统和电网构成的风电-氢储能与煤化工多能耦合系统，所述的氢储能系统由制氢、储氢的等效充电环节和氢氧燃料电池等效放电环节两部分组成。本发明基于该多能耦合系统的实际运行情况，以气体产、耗过程动态平衡为原则，以灵活调整优先级顺序为主导思想，以风电消纳最大化为目标，以煤化工系统额定不间断运行、氢储能系统储能状态处于正常区间为约束，协调控制多能耦合系统内部气体的流向和流量，实现多能耦合系统内部气体合理分配。

本发明的具体步骤为：

1、以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率P_mhg和煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率N_mhg为基准，依据氢储能系统储能状态ESOC_S划分氢储能系统控制区间，制定各区间内控制的优先级顺序，并据此给出风电出力用于电解水的功率公式

2、基于构建的的气体分配基本控制公式，分析不同的优先级情况下，多能耦合系统内部可能出现的气体流动情况；

3、在步骤1和步骤2的基础上，通过研究氢氧燃料电池等效充放电控制情况，构建完整的多能耦合系统气体分配控制公式；

4、考虑多能耦合系统可能出现的极限情况，确定多能耦合系统控制时间间隔取值。

以上步骤具体如下：

1、所述步骤1中，

氢储能系统储能状态ESOC_S＝(ESOC_H×V_Hcap+ESOC_O×V_Ocap)/(V_Hcap+V_Ocap)，

其中：ESOC_H为氢储能系统中储氢罐的状态：

ESOC_H＝p_Hre/p_Hcap

式中：p_Hre为储氢罐剩余压强，p_Hcap为储氢罐额定压强。

ESOC_O为氢储能系统中储氧罐的状态：

ESOC_O＝p_Ore/p_Ocap

式中：p_Ore为储氧罐剩余压强，p_Ocap为储氧罐额定压强，V_Hcap为储氢罐容积，V_Ocap为储氧罐容积。

得到氢储能系统控制区间划分及各区间内控制的优先级顺序如表1所示：

表1 氢储能系统控制区间划分及各区间内控制依据

表中，ESOC_{S_max}为氢储能系统储能状态的上限；ESOC_{S_min}为氢储能系统储能状态的下限；P_jh为集群功率调度计划；P_wind为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力；P_load为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷；i为区间定义标号，取值为1、2、3；为氢储能系统储能状态ESOC_S处于区间i时风电出力满足对应情况下并网的必须需求后剩余的功率。

则风电出力用于电解水的功率为：

其中，

式中：P_mhg为以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率，为氢储能系统储能状态ESOC_S处于区间i时，风电出力满足对应情况下并网的必须需求后剩余的功率。

2、所述步骤2中，由气体产、耗过程动态平衡可知，在任意时间尺度下，多能耦合系统运行过程中电解水产生气体的物质的量和消耗储气罐内原有气体的物质的量之和等于煤化工系统和氢氧燃料电池运行所需气体的物质的量之和，据此得到气体分配基本控制公式为：

式中：为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量；为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量；n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔH大于0表示储存的氢气减少、n_ΔH小于0表示储存的氢气增加；n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，n_ΔO大于0表示储存的氧气减少、n_ΔO小于0表示储存的氧气增加；n_{mhg_H}为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量；n_{mhg_O}为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；n_rH为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量；n_rO为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氧气的物质的量；Δt为系统控制时间间隔。

其中，Δt时间内电解水产生氢气的物质的量氧气的物质的量为：

式中：为电解水制氢气摩尔流率，Δt为系统控制时间间隔，η_e为电解池电解效率，为风电出力用于电解水的功率，U_e为电解槽电压，F为法拉第常数。

进而，视煤化工系统进气流速、流量为定值，且整个过程为理想状态，则有Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量n_{mhg_H}、氧气的物质的量n_{mhg_O}为：

式中：N_mhg煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率，M_w为风电场容量，单位：MW，V_m为气体摩尔体积22.4L/mol。

据此，电解水制氢气量、氧气量和煤化工系统消耗氢气量、氧气量均能可直接求得，但因储气罐内原有气体的消耗情况和氢氧燃料电池放电的用气情况依据实际运行工况的变化而变化，所以，为实现多能耦合系统气体分配控制意愿，应重点分析氢储能系统储能状态ESOC_S与氢氧燃料电池运行状态之间的关系，即为对氢储能系统等效充放电情况分析如下：

不考虑氢氧燃料电池出力的上下阈值，依次就3种不同优先级情况下氢储能系统运行状态进行分析，以下分析以氢气路径为例，氧气路径同理可得：

(1)ESOC_S>ESOC_{S_max}，时，氢氧燃料电池启动：

①当时，有氢氧燃料电池放电，补足本地负荷P_load与集群功率调度计划P_jh之和，即氢氧燃料电池放电功率进而可知n_rH，则

②当时，有氢氧燃料电池放电，调节ESOC_S降至ESOC_{S_max}，即n_ΔH和n_{mhg_H}已知，则并可推导出P_fc。

(2)ESOC_{S_min}≤ESOC_S≤ESOC_{S_max}，时：

为保证进气量为0，出气量最大的恶劣情况下，在控制时间内，ESOC_S不低于下限，则设氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa为：

式中：N_{rH_max}为氢氧燃料电池以最大功率输出时，通入氢气的流率，R为理想气体常数，T_H为储氢罐内温度，T_O为储氧罐内温度，γ_H-O为通入氢氧燃料电池入口的氢气和氧气摩尔流率比，p_Hcap为储氢罐额定压强，p_Ocap为储氧罐额定压强。

①当时，氢氧燃料电池放电保证本地负荷需求，进而可得n_rH，则

②当或时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0，则

(3)ESOC_S＜ESOC_{S_min}，时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0，则

上述过程中：ESOC_S为氢储能系统储能状态；ESOC_{S_max}为氢储能系统储能状态的上限；ESOC_{S_min}为氢储能系统储能状态的下限；V_Hcap为储氢罐容积；V_Ocap为储氧罐容积；P_jh为集群功率调度计划；P_wind为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力；P_load为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷；P_mhg为以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率；Δt为控制时间间隔；i为区间定义标号，取值为1、2、3；为氢储能系统储能状态ESOC_S处于区间i时，风电出力满足对应情况下并网的必须需求后剩余的功率；为风电出力用于电解水的功率；P_fc为氢氧燃料电池放电功率；为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量；为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量；n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔH大于0表示储存的氢气减少、n_ΔH小于0表示储存的氢气增加；n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，n_ΔO大于0表示储存的氧气减少、n_ΔO小于0表示储存的氧气增加；n_{mhg_H}为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量；n_{mhg_O}为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；n_rH为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量；n_rO为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氧气的物质的量。

由于氢氧燃料电池作为一种能量转换装置，通过电化学反应将化学能直接转换为电能，并不能存储能量，这使其仅具备启动和停止两种模式，分别记为flag1＝1和flag1＝0。继而，通过对氢氧燃料电池充放电状态的建模，构建完整气体分配控制模型。

3、所述步骤3依据步骤1和步骤2的综合分析，得到三种氢氧燃料电池等效充放电控制情况如下：

(1)当时，消耗储氢罐和储氧罐中气体调节ESOC_S，等效为降低ESOC_S值。此时flag1＝1。逻辑顺序为：已知Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量n_ΔH、氧气的物质的量n_ΔO，可推导出Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量n_rH、氧气的物质的量n_rO，进而得到氢氧燃料电池放电功率P_fc。

此时，氢储能系统储能状态ESOC_S超出上限，这表明氢储能系统中储氢罐的状态超出上限，或氢储能系统中储氧罐的状态超出上限，或两者均超出上限。该时刻表征氢储能系统中储氢罐和储氧罐状态超出上限的部分的物质的量公式为：

式中：p_Hcap为储氢罐额定压强，p_Ocap为储氧罐额定压强，V_Hcap为储氢罐容积，V_Ocap为储氧罐容积，ESOC_H为氢储能系统中储氢罐的状态，ESOC_O为氢储能系统中储氧罐的状态，ESOC_{H_max}为氢储能系统中储氢罐状态的上限，ESOC_{O_max}氢储能系统中储氧罐状态的上限，R为理想气体常数，T_H为储氢罐内温度，T_O为储氧罐内温度。

则此时氢储能系统储能环节可能出现的情况及计算该时刻应消耗气罐中氢气、氧气的物质的量需使用的参数如表2所示：

表2 氢储能系统超上限情况及对应情况选取的计算参数

表中：n'_ΔH为氢储能系统中储氢罐状态超出上限的部分的物质的量，n'_ΔO为氢储能系统中储氧罐状态超出上限的部分的物质的量，n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量。

因此，当分别选取储氢超上限部分和储氧超上限部分作为对象进行计算时，对应Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量n_rH、氧气的物质的量n_rO分别为：

a、选取储氢超上限部分进行计算时：

式中：为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量；为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量；n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔH大于0表示储存的氢气减少，n_ΔH小于0表示储存的氢气增加；n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，n_ΔO大于0表示储存的氧气减少、n_ΔO小于0表示储存的氧气增加；n_{mhg_H}为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量；n_{mhg_O}为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；γ_H-O为通入氢氧燃料电池入口的氢气和氧气摩尔流率比。

b、选取储氧超上限部分进行计算时：

由于本发明所述的氢氧燃料电池由多个单元氢氧燃料电池组成，则根据物料守恒，得到单元氢氧燃料电池内氢气分压p_{fc_H}、氧气分压p_{fc_O}，单位atm，分别为：

式中：N为氢氧燃料电池单元个数，V_a为单元氢氧燃料电池阳极体积，V_ca为单元氢氧燃料电池阴极体积，T为氢氧燃料电池的工作温度，I_fc为氢氧燃料电池负载电流，为氢气阀摩尔常数，为氧气阀摩尔常数。

进而，由氢氧燃料电池模型可得氢氧燃料电池放电功率P_fc为：

式中：η_f为氢氧燃料电池实际发电效率，U_fc为氢氧燃料电池输出电压，P_{fc_min}为氢氧燃料电池出力范围的上限，P_{fc_max}为氢氧燃料电池出力范围的下限。

其中，氢氧燃料电池输出电压U_fc：

U_fc＝N·U_cell＝N·(E_nernst-U_ohmic-U_c)

式中：U_cell为单节氢氧燃料电池输出电压，E_nernst为热力学电动势，U_ohmic为欧姆极化过电压，U_c为等效电压。

热力学电动势：

E_nernst＝1.229-8.5×10^-4(T-298.15)+4.3085×10^-5T(lnp_{fc_H}+0.5lnp_{fc_O})

欧姆极化过电压：

式中：Z_m为等效膜阻抗，Z_c为阻碍质子过膜阻抗，l为质子交换膜厚度，A为质子交换膜的活化面积，为质子交换膜含水量。

电池等效电压：

式中：B为方程系数，J为实际电流密度，J_max为能达到的最大电流密度，C为电池等效电容，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为氢氧燃料电池系统经验参数。

(2)当或时，氢储能系统储能状态ESOC_S允许，但风电并网功率不能满足预计需求，氢氧燃料电池放电辅助风电并网，flag1＝1。逻辑顺序为：已知P_fc，推导出n_rH、n_rO，进而得到n_ΔH、n_ΔO。此时，氢氧燃料电池放电功率P_fc为：

进而，由氢氧燃料电池放电功率P_fc＝η_f(U_fc·I_fc)可反推出Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量n_rH和氧气的物质的量n_rO。

(3)当或时，氢氧燃料电池停止，flag1＝0，氢氧燃料电池放电功率P_fc＝0，n_rH＝0，

至此，多能耦合系统气体分配控制公式构建完毕。进而，得到储氢罐剩余压强，即下一时刻控制开始时储氢罐实际压强p_Hre，单位，P_a：

p_Hre＝p_{H_0}+Δp_{H_1}+Δp_{H_2}-Δp_{H_3}-Δp_{H_4}

其中，

式中：p_{H_0}为储氢罐初始压强，Δp_{H_1}为电解水制氢气增压，Δp_{H_2}为回收氢氧燃料电池未完全反应的氢氧气致储气罐增压，Δp_{H_3}为用于煤化工反应的氢气输出减压，Δp_{H_4}为通入氢氧燃料电池的氢气输出减压，k'为气体回收率。

则储氧罐剩余压强p_Ore，单位，P_a：

式中：p_{O_0}为储氧罐初始压强。

4、所述步骤4中，为使气体分配控制策略合理、有效，保证氢储能系统储能状态在控制时间间隔Δt内不会出现骤降或激增，所述的骤降为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，变为低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，所述的激增为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，变为超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，若在这两种氢储能系统运行的极端情况下，控制时间间隔Δt仍能满足系统运行需求，确保气体控制策略正常实现控制效果，则能确保多能耦合系统在运行过程中，不会出现因控制时间不合理造成的系统运行失稳情况。因此，基于以上两种情况，确定控制时间间隔Δt的取值。

a、以储气罐为研究对象，当以最大流率充气，以最小流率放气时，符合的情况。此时，ESOC_S＜ESOC_{S_min}，风电出力除了取4倍的制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率P_mhg值用于电解水之外，全部并网。为保证在Δt_a时间内氢储能系统中储氢气罐的状态ESOC_H和氧罐的状态ESOC_O均不超出上限，Δt_a应取Δt_aH、Δt_aO中的最小值：

式中：Δt_a为当以最大流率给储气罐充气，以最小流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_aH为当以最大流率给储氢罐充气，以最小流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_aO为当以最大流率给储氧罐充气，以最小流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；ESOC_{H_max}为氢储能系统中储氢罐状态的上限；ESOC_{H_min}为氢储能系统中储氢罐状态的下限；ESOC_{O_max}为氢储能系统中储氧罐状态的上限；ESOC_{O_min}为氢储能系统中储氧罐状态的下限；p_Hcap为储氢罐额定压强；p_Ocap为储氧罐额定压强；V_Hcap为储氢罐容积；V_Ocap为储氧罐容积；N_mhg为煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率；R为理想气体常数；T_H为储氢罐内温度；T_O为储氧罐内温度。

b、以储气罐为研究对象，当以最小流率充气，以最大流率放气时，符合步骤3中的情况(2)。鉴于氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa是依据Δt推出的，因此在此仅需讨论情况，此时ESOC_S>ESOC_{S_max}，为保证在Δt_b时间内氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H和储氧罐的状态ESOC_O均不低于其下限，Δt_b应取Δt_bH、Δt_bO中最小值：

式中：Δt_b为当以最小流率给储气罐充气，以最大流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_aH为当以最小流率给储氢罐充气，以最大流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_aO为当以最小流率给储氧罐充气，以最大流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；N_{rH_max}为氢氧燃料电池以最大功率输出时，通入氢气的流率。

则控制时间间隔Δt取值应满足：

Δt＜min(Δt_a，Δt_b)。

附图说明

图1风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法流程图；

图2氢储能系统运行极端情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法流程图如图1所示，图1基于具体步骤1、步骤2和步骤3，反映了多能耦合系统气体分配控制方法。为控制多能耦合系统内部电能与非电能量依需流动、转换，协调各子系统运行状态，确保在煤化工系统额定不间断运行及氢储能系统储能状态处于正常区间的前提下，实现风电消纳最大化的目标，本发明依据氢储能系统储能状态，以灵活调整优先级顺序为主导思想，梳理集群功率调度计划P_jh、与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind、与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load三者之间的关系，基于风电出力用于电解水的功率公式，以气体产、耗过程动态平衡的原则，给出风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法。

对应步骤2中，气体分配基本控制公式由任意时间尺度下，氢储能系统电解水产生气体的物质的量和消耗储气罐内原有气体的物质的量之和等于煤化工系统和氢氧燃料电池运行所需气体的物质的量之和，可得：

其中：Δt时间内电解水产生氢气的物质的量氧气的物质的量为：

式中：为电解水制氢气摩尔流率，Δt为系统控制时间间隔，η_e为电解池电解效率，为风电出力用于电解水的功率，U_e为电解槽电压，F为法拉第常数

对应步骤1中，风电出力用于电解水的功率为：

其中，

视煤化工系统进气流速、流量为定值，且整个过程为理想状态，则有Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量n_{mhg_H}和消耗氧气的物质的量n_{mhg_O}为：

式中：N_mhg为煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率，M_w为风电场容量，单位：MW，V_m为气体摩尔体积22.4L/mol。

且所述风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配情况如下：

不考虑氢氧燃料电池出力上下阈值，依次分析3种不同优先级情况下氢储能系统运行状态：

(1)ESOC_S>ESOC_{S_max}，时，氢氧燃料电池启动：

①当时，有氢氧燃料电池放电补足本地负荷与集群功率调度计划之和，即氢氧燃料电池放电功率进而可知n_rH、n_rO，则

②当时，有氢氧燃料电池放电调节ESOC_S降至ESOC_{S_max}，此时n_ΔH、n_ΔO已知，则n_rH＝n_ΔH+n_{H2O_H}-n_{mhg_H}、可推出P_fc。

(2)ESOC_{S_min}≤ESOC_S≤ESOC_{S_max}，时：

为保证进气量为0，出气量最大的恶劣情况下，在控制时间内，ESOC_S不低于下限，则设氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa为：

①当时，氢氧燃料电池放电保证本地负荷需求，进而可得n_rH、n_rO，则

②当或时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0、n_rO＝0，则

(3)ESOC_S＜ESOC_{S_min}，时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0、n_rO＝0，则

上述过程中，氢储能系统储能状态ESOC_S为：

其中：p_Hre为储氢罐剩余压强，p_Hcap为储氢罐额定压强；ESOC_H为氢储能系统中储氢罐的状态，ESOC_O为氢储能系统中储氧罐的状态；p_Ore为储氧罐剩余压强，p_Ocap为储氧罐额定压强；V_Hcap为储氢罐容积，V_Ocap为储氧罐容积；ESOC_{S_max}为氢储能系统储能状态的上限、ESOC_S__min为氢储能系统储能状态的下限；P_mhg为以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率；Δt为控制时间间隔；i为区间定义标号，取值为1、2、3；为氢储能系统储能状态ESOC_S处于区间i时风电出力满足对应情况下并网的必须需求后剩余的功率；为风电出力用于电解水的功率；P_fc为氢氧燃料电池放电功率；ESOC_Sa为氢氧燃料电池启停临界值，γ_H-O为通入氢氧燃料电池入口的氢气和氧气摩尔流率比，N_rH__max为氢氧燃料电池以最大功率输出时通入氢气的流率，R为理想气体常数，T_H为储氢罐内温度，T_O为储氧罐内温度；为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量，为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量，n_ΔH为Δt间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔH大于0表示储存的氢气减少、n_ΔH小于0表示储存的氢气增加；n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，n_ΔO大于0表示储存的氧气减少，n_ΔO小于0表示储存的氧气增加；n_mhg__H为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量，n_mhg__O为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；n_rH为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量，n_rO为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氧气的物质的量。

则由气体分配基本控制公式可知，在和n_mhg__H、n_mhg__O均能计算确定的情况下，只要知道n_ΔH、n_ΔO和n_rH、n_rO任意一方，便能得到另一方的值，进而可以求得一个周期结束时氢储能系统的状态。据此，对应步骤3，将氢氧燃料电池充放电归纳为以下三种情况，依次构建对应情况下氢氧燃料电池充放电模型，给出n_ΔH、n_ΔO和n_rH、n_rO求解方法：

(1)当时，消耗储氢罐和储氧罐内气体调节ESOC_S，等效为降低ESOC_S值。此时flag1＝1。逻辑顺序为：已知n_ΔH、n_ΔO，推导出n_rH、n_rO，进而得到P_fc。

此时，氢储能系统储能状态ESOC_S超出上限，这表明氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H超出上限或储氧罐的状态ESOC_O超出上限或两者均超出上限。该时刻表征氢储能系统中氢和储氧罐状态超出上限的部分的物质的量公式为：

则计算该时刻应消耗气罐内原有氢气、氧气的物质的量n_ΔH、n_ΔO的参考值选取方法存在以下两种情况：

a、当(n'_ΔH>0)&(n'_ΔO≤0)或(n'_ΔH≥2.3n'_ΔO＞0)时，以n'_ΔH为计算参考值，有n_ΔH＝n'_ΔH，则n_rO＝n_rH/γ_H-O；

b、当(n'_ΔO>0)&(n'_ΔH≤0)或(2.3n'_ΔO＞n'_ΔH＞0)时，以n'_ΔO为计算参考值，有n_ΔO＝n'_ΔO，则n_rH＝γ_H-On_rO。

上述情况中：n'_ΔH为氢储能系统中储氢罐状态超出上限的部分的物质的量，n'_ΔO为氢储能系统中储氧罐状态超出上限的部分的物质的量，为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量，为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量，n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量，n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，n_{mhg_H}为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量，n_{mhg_O}为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；n_rH为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量，n_rO为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氧气的物质的量，γ_H-O为通入氢氧燃料电池入口的氢气和氧气摩尔流率比。

由于本发明所述的氢氧燃料电池由多个单元氢氧燃料电池组成，根据物料守恒，得到单元氢氧燃料电池内氢气分压p_{fc_H}、氧气分压p_{fc_O}，单位atm，分别为：

式中：N为氢氧燃料电池单元个数，V_a为单元氢氧燃料电池阳极体积，V_ca为单元氢氧燃料电池阴极体积，T为氢氧燃料电池的工作温度，I_fc为氢氧燃料电池负载电流，为氢气阀摩尔常数，为氧气阀摩尔常数。得到该情况下氢氧燃料电池放电功率P_fc为：

式中：η_f为氢氧燃料电池实际发电效率，U_fc为氢氧燃料电池输出电压，P_{fc_min}为氢氧燃料电池出力范围的上限，P_{fc_max}为氢氧燃料电池出力范围的下限。

其中，氢氧燃料电池输出电压U_fc：

U_fc＝N·U_cell＝N·(E_nernst-U_ohmic-U_c)

式中：U_cell为单节氢氧燃料电池输出电压，E_nernst为热力学电动势，U_ohmic为欧姆极化过电压，U_c为等效电压。

热力学电动势：

E_nernst＝1.229-8.5×10^-4(T-298.15)+4.3085×10^-5T(lnp_{fc_H}+0.5lnp_{fc_O})

欧姆极化过电压：

式中：Z_m为等效膜阻抗，Z_c为阻碍质子过膜阻抗，l为质子交换膜厚度，A为质子交换膜的活化面积，为质子交换膜含水量。

电池等效电压：

式中：B为方程系数，J为实际电流密度，J_max为能达到的最大电流密度，C为电池等效电容，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为氢氧燃料电池系统经验参数。

(2)当或时，氢储能系统储能状态ESOC_S允许，但风电并网功率不能满足预计需求，氢氧燃料电池放电辅助风电并网，flag1＝1。逻辑顺序为：已知P_fc，推导出n_rH、n_rO，进而得到n_ΔH、n_ΔO。

进而，由前述氢氧燃料电池放电功率P_fc＝η_f(U_fc·I_fc)可反推出Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量n_rH、氧气的物质的量n_rO，则此时

(3)当或时，氢氧燃料电池停止flag1＝0，P_fc＝0，n_rH＝0、n_rO＝0，此时

综上，储氢罐剩余压强，即下一时刻控制开始时储氢罐实际压强p_Hre，单位，P_a：

p_Hre＝p_{H_0}+Δp_{H_1}+Δp_{H_2}-Δp_{H_3}-Δp_{H_4}(12)

其中，

式中：p_{H_0}为储氢罐初始压强，Δp_{H_1}为电解水制氢气增压，Δp_{H_2}为回收氢氧燃料电池未完全反应的氢氧气致储气罐增压，Δp_{H_3}为用于煤化工反应的氢气输出减压，Δp_{H_4}为通入氢氧燃料电池的氢气输出减压，k'为气体回收率。

则储氧罐剩余压强p_Ore，单位，P_a：

式中：p_{O_0}为储氧罐初始压强。

图2所示为氢储能系统运行极端情况，是对具体步骤4的反应。为确保氢储能系统储能状态在控制时间间隔Δt内不会出现骤降或激增，所述的骤降为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，变为低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，所述的激增为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，变为超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，保证控制策略的合理性，Δt取值应综合考虑如图2所示的当储气罐以最大流率充气、最小流率放气和最小流率充气、最大流率放气两种极端运行情况，当这两种情况下控制时间间隔Δt的取值仍能保证气体控制策略正常发挥控制效果，则能确保在整个控制时间内系统不会出现因控制策略制定不合理造成系统运行失稳的情况。

因此，基于以上两种情况，讨论控制时间间隔Δt的取值。

a、如图2中(a)、(c)两种情况，以储气罐为研究对象，当以最大流率充气，以最小流率放气时，符合的情况。此时，氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H或储氧罐的状态ESOC_O低于下限，或两者均低于下限，风电出力除了取4P_mhg值用于电解水之外，全部并网。为保证在Δt_a时间内氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H和氧罐的状态ESOC_O均不超出其上限，Δt_a应取Δt_aH、Δt_aO中最小值：

式中：Δt_a为当以最大流率给储气罐充气，以最小流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_aH为当以最大流率给储氢罐充气，以最小流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_aO为当以最大流率给储氧罐充气，以最小流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；ESOC_{H_max}为氢储能系统中储氢罐状态的上限；ESOC_{H_min}为氢储能系统中储氢罐状态的下限；ESOC_{O_max}为氢储能系统中储氧罐状态的上限；ESOC_{O_min}为氢储能系统中储氧罐状态的下限；p_Hcap为储氢罐额定压强；p_Ocap为储氧罐额定压强；V_Hcap为储氢罐容积；V_Ocap为储氧罐容积；N_mhg为煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率；R为理想气体常数；T_H为储氢罐内温度；T_O为储氧罐内温度。

b、如图2中(b)、(d)两种情况所示，以储气罐为研究对象，当以最小流率充气，以最大流率放气时，符合氢储能系统储能状态ESOC_S允许，但风电并网功率不能满足预计需求，氢氧燃料电池放电辅助风电并网的情况，此时或鉴于氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa是基于Δt推出得到，因此在此仅需讨论情况。此时，氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H或储氧罐的状态ESOC_O超出上限，或两者均超出上限，为保证在Δt_b时间内氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H和储氧罐的状态ESOC_O均不低于其下限，则Δt_b应取Δt_bH、Δt_bO中最小值：

式中：Δt_b为当以最小流率给储气罐充气，以最大流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_aH为当以最小流率给储氢罐充气，以最大流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_aO为当以最小流率给储氧罐充气，以最大流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；N_{rH_max}为氢氧燃料电池以最大功率输出时，通入氢气的流率。

综上，控制时间间隔Δt取值应满足：

Δt＜min(Δt_a，Δt_b)。