一種基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含分布式電源的配電網(wǎng)能量最優(yōu)運(yùn)行策略，特別涉及一種基于模 型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模型預(yù)測控制是一種有限時域滾動且反饋校正的控制方法，與模型預(yù)測控制結(jié)合 的線性規(guī)劃能很好地將短期預(yù)測與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)耦合，為解決運(yùn)行控制中預(yù)測誤差帶來的 準(zhǔn)確性問題提供了較優(yōu)的應(yīng)對機(jī)理，目前這一方法已經(jīng)在儲能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、電動汽車優(yōu) 化調(diào)度等領(lǐng)域獲得了一些探索與應(yīng)用，有望成為分布式能源系統(tǒng)中的新型優(yōu)化控制策略。 經(jīng)濟(jì)性是分布式能源系統(tǒng)發(fā)展過程中需要考慮的重要因素之一。分布式能源系統(tǒng)的生命周 期中，涉及經(jīng)濟(jì)性的建設(shè)費用與運(yùn)行費用主要包括兩類，一是包含系統(tǒng)各模塊安裝與運(yùn)行 維護(hù)的總費用，一次性或按年度投資，是系統(tǒng)規(guī)劃階段需考慮的確定性價格函數(shù)；二是系統(tǒng) 日常運(yùn)行費用，通過設(shè)定的價格目標(biāo)需求函數(shù)與約束條件，將滿足條件的系統(tǒng)參數(shù)反饋到 系統(tǒng)運(yùn)行控制中，實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行時段的動態(tài)即時控制，相應(yīng)的費用函數(shù)組成具有不確定 性特征。同時分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能等多種需求，通過實 時掌握能源價格、分布式能源出力等特征，利用分布式能源系統(tǒng)管理策略，結(jié)合用戶負(fù)荷管 理、儲能系統(tǒng)控制等手段，動態(tài)實現(xiàn)系統(tǒng)的多目標(biāo)組合優(yōu)化。
[0003] 分布式能源系統(tǒng)的能量管理涉及可再生能源輸出功率、能源價格波動和負(fù)荷預(yù)測 誤差帶來的影響，且儲能系統(tǒng)能量狀態(tài)的改變、可控負(fù)荷的轉(zhuǎn)移是動態(tài)變化的過程，如果僅 從當(dāng)前時間尺度來控制管理，能量管理的優(yōu)化性能受到限制。模型預(yù)測控制方法根據(jù)掌握 的系統(tǒng)行為，對系統(tǒng)在未來有限時間域內(nèi)的行為進(jìn)行預(yù)測，通過過程控制使目標(biāo)方程的輸 出獲得優(yōu)化。MPC對時間尺度上的控制行為具有原理上的優(yōu)勢，控制效果好、魯棒性強(qiáng)，且能 與多輸入-多輸出系統(tǒng)快速方便地結(jié)合，在控制過程中同時考慮輸入與輸出約束條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法，通過建 立動態(tài)的優(yōu)化控制過程，利用滾動優(yōu)化與反饋校正，調(diào)整未來時段分布式能源系統(tǒng)的工作 狀態(tài)，能夠有效消除預(yù)測誤差，保持系統(tǒng)一直工作在最優(yōu)狀態(tài)。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法，其特征在于：包括如下步 驟：
[0007] 步驟1，建立系統(tǒng)模型，具體包括分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)模型，熱電聯(lián)供系統(tǒng) 模型，熱栗模型，燃?xì)忮仩t模型，靈活負(fù)荷模型，儲能單元模型，儲熱單元模型，并對系統(tǒng)模 型進(jìn)行初始化；
[0008] 步驟2,實時采集外部信息，包括氣象數(shù)據(jù)與實時電負(fù)荷與熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)分布 式電源出力預(yù)測模型與電、熱負(fù)荷需求預(yù)測模型，結(jié)合實時數(shù)據(jù)與前一時刻的反饋誤差，預(yù) 測從t = k時刻起的預(yù)測域P內(nèi)分布式電源出力與電、熱負(fù)荷需求曲線；
[0009] 步驟3,采用基于線性規(guī)劃的模型預(yù)測控制算法滾動優(yōu)化求解k時刻起的控制域Μ 內(nèi)滿足系統(tǒng)約束條件的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，輸出最優(yōu)控制策略；
[0010] 步驟4,執(zhí)行計算出的控制域Μ內(nèi)首個控制策略，將預(yù)測變量的實際測量結(jié)果反饋 給本地預(yù)測模塊，對下一時刻的預(yù)測值進(jìn)行校正；
[0011] 步驟5,在t = k+Ι時刻重復(fù)上述控制過程直到控制結(jié)束。
[0012] 步驟1中，所述的系統(tǒng)模型具體表示為：
[0013] (1)分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)模型表示為：
[0016] 式中，P^Jt)表示第m臺可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的功率，由第m臺設(shè)備的額定功率 CRESin與規(guī)格化輸入條件X RESin(t)的乘積來表示；xRES ni(t)根據(jù)外部氣象數(shù)據(jù)與發(fā)電模塊 效率測算；
[0017] (2)熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型表示為：
[0020] 式中，njt)，nt(t)，nn(t)分別表示第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率、熱效率與 總效率；PeHP n(t)表示第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率；HeHPin(t)表示第η臺微型燃?xì)廨?機(jī)的輸出熱功率；
[0021] 輸出電功率PCHPin⑴的約束條件和Δ t時段內(nèi)的氣體消耗量GCHP⑴表示為：
[0024] 式中：PCHP__in(t)，PCHP__ in(t)分別是第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的最小和最大輸出電功 率。
[0025] (3)熱栗模型表示為：
[0028] 式中，COPjt)是第i臺ΕΗΡ的性能系數(shù)，是輸出熱量與耗電量之比，與空氣溫度有 關(guān)；HEHPjlunil (t)，HEHP niaXil (t)分別是第i臺EHP的最小和最大輸出熱功率；
[0029] (4)燃?xì)忮仩t表不為：
[0032] 式中，ΗιΜΧι Jt)表示第j臺燃?xì)忮仩t最大輸出熱功率；GBJt)表示Δ t時段內(nèi)的 燃?xì)庀牧?；n 表示第j臺燃?xì)忮仩t的轉(zhuǎn)換效率；
[0033] (5)靈活負(fù)荷模型表示為：
[0036] 式中，Pd(t)為t時刻的總用電負(fù)荷，Pflx(t)為用戶用電固定負(fù)荷，P_(t)為用戶 用電靈活負(fù)荷；P___ik(t)，P_ _，k(t)分別表示第k個靈活負(fù)荷被調(diào)控前的所需功率與接 受調(diào)控后、不影響用戶滿意度的基本功率；
[0037] 相應(yīng)地，在Δ t時段內(nèi)電力供應(yīng)商需提供經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)那谐娏?t)為：
[0039] (6)儲能單元模型表示為：
[0043] 式中，S0Ey(t)表示t時刻第y套電池儲能系統(tǒng)（BESS)的能量狀態(tài)，分別設(shè)定電 池儲能系統(tǒng)（BESS)的最小與最大能量狀態(tài)SOE^dPSOEm^n "，ruy分別是充放電效率； P+y，Pdls+y分別表示額定充放電功率；P 表示最大放電功率與最大充電功率；
[0044] 相應(yīng)地，在Δ t時段內(nèi)儲能單元提供的電量EES(t)為：
[0045] Ees (t) = IPES (t) I · Δ t ；
[0046] (7)儲熱單元模型表示為：
[0050] 式中，Ctank，z (t)表示t時刻第z套儲熱水箱的能量狀態(tài)，Ctank__，z，Ctank__， z分別表 不其儲能的上下限額；HtankiZ (t)表不儲熱功率；η tankiZ表不考慮考慮熱能耗散時的儲熱效 率。
[0051] 步驟2中，所述氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、日照輻射度、溫度、濕度。
[0052] 步驟3中，所述的基于線性規(guī)劃的模型預(yù)測控制算法，其模型表示為：

[0059] 式中，Μ為控制域；P為預(yù)測域，通常M〈P ;N為建模域；pe、pg、分為電價、天然 氣價格和可控負(fù)荷補(bǔ)貼系數(shù)；Pd為儲能單元罰因子；P REi;(t)、P〇)p(t)、Pe⑴、Pes⑴、Pd(t)、 PEHP⑴分別表示分布式電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)、電網(wǎng)、儲能單元、電負(fù)荷、熱栗在t時刻的電功 率；HCHP(t)、Mt)、HEHP(t)、HHS(t)、H d(t)分別表示熱電聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t、熱栗、儲熱單 元、熱負(fù)荷在t時刻的熱功率；E(；(t)、EEHP(t)、EES(t)、Ε_(?)分別表示外電網(wǎng)、熱電聯(lián)供系 統(tǒng)、儲能單元，靈活負(fù)荷在t-Ι到t時間段內(nèi)電能變化量；GeHP(t)、GBJt)分別表示熱電聯(lián)供 系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t在t-Ι到t時間段消耗的燃?xì)饬俊?br>[0060] 所述電價、天然氣價格隨時間波動或者取恒定值。
[0061] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方 法，包含用戶用電與用熱等綜合用能需求，通過將模型預(yù)測控制與系統(tǒng)短期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)最優(yōu) 的線性規(guī)劃函數(shù)相結(jié)合，對可控負(fù)荷、分布式電源出力預(yù)測及控制、能耗損失等關(guān)鍵組成分 別建模，建立目標(biāo)函數(shù)約束條件，通過求解，制定能量管理策略。本發(fā)明在模型預(yù)測控制過 程中使用線性優(yōu)化模型代替二次優(yōu)化模型，方便系統(tǒng)建模，同時大大降低了求解目標(biāo)函數(shù) 的計算量，提高計算速度，能快速響應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)變化。通過建立動態(tài)的優(yōu)化控制過程，利用 滾動優(yōu)化與反饋校正，調(diào)整未來時段分布式能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以有效消除預(yù)測誤差， 保持系統(tǒng)一直工作在最優(yōu)狀態(tài)。
【附圖說明】
[0062] 圖1是分布式能源系統(tǒng)示意圖；
[0063] 圖2是基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理系統(tǒng)流程圖；
[0064] 圖3模型預(yù)測控制算法示意圖。
【具體實施方式】
[0065] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0066] 本發(fā)明的一種基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法，用于分布式能源系 統(tǒng)的能量最優(yōu)管理，如圖1所示是分布式能源系統(tǒng)示意圖，分布式能源系統(tǒng)組成模塊包括： 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，儲電單元，電動熱栗，微型燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)忮仩t，儲熱單元。
[0067] 本發(fā)明的基于模型預(yù)測控制的分布式能源能量管理方法，如圖2所示，包括以下 步驟：
[0068] 步驟1)建立系統(tǒng)模型，具體包括分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)模型，熱電聯(lián)供系統(tǒng) 模型，熱栗模型，燃?xì)忮仩t模型，靈活負(fù)荷模型，儲能單元模型，儲熱單元模型，并對系統(tǒng)模 型進(jìn)行初始化；
[0069] 其中，分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)模型發(fā)電總功率表示為：
[0072] 式中：PRESini(t)表示第m臺可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的功率，由第m臺設(shè)備的額定功率 CRESin與規(guī)格化輸入條件X RESin(t)的乘積來表示；xRES ni(t)根據(jù)外部氣象數(shù)據(jù)與發(fā)電模塊 效率測算，減少了運(yùn)行管理中相似參數(shù)與工作條件的RES設(shè)定與計算的工作量，便于與預(yù) 測模型統(tǒng)一，加快計算速度，并使系統(tǒng)新增RES模塊的操作更為快捷。光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 的實際出力受太陽輻照、溫度、風(fēng)速等外界條件的影響，具有統(tǒng)計學(xué)特征，具有一定的可預(yù) 測性。在能量管理策略中，為使所在的分布式能源系統(tǒng)能獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性，不考慮對其功率 進(jìn)行主動限制，即可以按實際環(huán)境條件下能發(fā)出的最大功率向外輸出。
[0073] 熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型表示為：
[0076] 式中：njt)，nt(t)，nn(t)分別表示第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率、熱效率與 總效率，一般n e(t)在0.25~0.33之間；PCHP,n(t)表示第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功 率；HeHPin(t)表示第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出熱功率；
[0077] 考慮到微型燃?xì)廨啓C(jī)效率隨負(fù)荷降低而降低的變化特性，要求盡量避免其工作在 低負(fù)荷狀態(tài)。在能量管理中不考慮其爬坡約束過程，輸出電功率PCHPin(t)的約束條件和At 時段內(nèi)的氣體消耗量GojpU)表不為：
[0080] 式中：PCHP__in (t)，PCHP__in(t)分別是第η臺微型燃?xì)廨啓C(jī)的最小和最大輸出電功 率?？紤]到微型燃?xì)廨啓C(jī)效率隨負(fù)荷降低而降低的變化特性，要求盡量避免其工作在低負(fù) 荷狀態(tài)，因此在能量管理中不考慮其爬坡約束過程。
[0081] 熱栗模型