基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法技术方案

一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法：根据选定的园区综合能源系统，输入园区综合能源系统的结构和参数；建立园区综合能源系统运行约束；设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；输出系统一个调度周期内调度计划：运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。本发明专利技术对园区综合能源系统进行优化调度，可有效减小负荷以及可再生能源出力预测误差的影响，经济可靠地满足系统用能需求。

Optimal Dispatching Method of Park Integrated Energy System Based on Model Predictive Control

A model predictive control based optimal dispatching method for park integrated energy system is presented. According to the selected Park integrated energy system, the structure and parameters of park integrated energy system are input; the operation constraints of park integrated energy system are established; and the operating costs and equipment in the prediction domain are set up for the rolling optimization stage of Park integrated energy system. The objective function is to minimize the sum of start-up and shutdown costs, and the objective function is to minimize the sum of operation costs and penalty costs for power adjustment in a single time interval of dynamic adjustment stage. A multi-time scale optimal scheduling method based on rolling optimization is adopted to optimize the scheduling. The scheduling plan in one scheduling cycle of the output system is: operation costs, too. The heating water power of the solar hot water system, the start-up and shutdown instructions of the ground source heat pump and the electric boiler, the operating conditions, the power supply, the operating conditions of the hot water storage tank and the power supply. The optimal dispatch of the park comprehensive energy system can effectively reduce the impact of load and the prediction error of renewable energy output, and economically and reliably meet the energy demand of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法
本专利技术涉及一种综合能源系统优化调度方法。特别是涉及一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法。
技术介绍
随着全球能源问题和环境问题的日益加重，大力发展可再生能源、提高能源利用率、减少环境污染成为未来能源可持续发展的必然选择。园区综合能源系统贴近用户、可就地利用多种形式的可再生能源，打破了原有各能源系统单独规划、运行的既有模式，对不同供能系统进行统一设计和协调优化，实现了多能源的深度融合和紧密互动，为用户灵活供应电、热、冷等多种用能需求，可显著提升系统供能效率和运行经济性，得到了广泛应用。园区型综合能源供能系统是一个复杂的多能耦合系统，夏季供冷需求、冬季供热/热水需求量占夏季、冬季能源需求量的很大比例，其中电力需求可由外部电网、光伏、风机、热电联产单元提供；冷需求可由压缩制冷设备、吸热制冷设备等供应；热/热水供应可来自热电联产单元、燃气/电锅炉、地源热泵系统等。同时系统可配备蓄电、蓄热装置，能量可先储存储能装置中，在需要的时候释放，为系统的运行调节带来了较高的灵活性和经济性。此时需要制定合理有效的调度策略，协调多种设备使其优化运行，经济可靠地满足系统用能需求。由于负荷及可再生能源出力存在较强的不确定性，在优化调度过程中需要充分考虑其预测误差的影响。目前，对园区综合能源系统的优化调度过程中负荷、可再生能源出力不确定性的处理，多通过建立考虑预测误差的多时段提前调度模型来实现，无法适应系统实际运行的在线调整需求；或满足了系统在线调整需求，但是未考虑预测信息和小时间尺度运行信息的误差。因此，急需一种能够满足系统运行时在线调整需求、考虑了预测信息和小时间尺度运行信息误差的滚动优化调度方法，基于模型预测控制理论和多时间尺度的调度思想，协调供能、蓄能装置的运行，经济可靠地满足园区综合能源系统多种用能需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够建立满足系统在线调整需求的多时间尺度园区综合能源系统优化调度模型，制定优化调度方案的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。步骤3)所述的园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，表述为：式中，tS是滚动优化调度的起始时段；NT为一个调度周期的总时段数；表示t时刻购电电价，为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt为滚动优化阶段调度间隔；Ei为不同设备的启停费用，Ω为设备集合，包括：地源热泵，表示为HP，以及电锅炉，表示为B，即，Ω＝{HP，B}；分别为t时刻第j台地源热泵、电锅炉的启停状态，为二进制变量，1代表设备处于启动状态，0代表停机状态；ΩHP、ΩB分别为地源热泵、电锅炉的集合。步骤3)所述的动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，表述为：式中，表示t时刻购电电价；为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt'动态调整阶段调度间隔；μHP、μB，S、μB，H，HW、μWT分别为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水功率调整惩罚系数，为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水相应功率调整值。步骤4)所述的基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法，包括：(1)设定滚动优化调度的起始时刻t'S＝t0，t0为调度初始时刻；(2)在t'S时刻对预测域t'S至t'S+nΔt内光照强度、热、热水和电负荷进行预测，其中n＝(tend-t'S)/Δt式中，tend为调度结束时刻；Δt为滚动优化阶段调度间隔；(3)滚动优化阶段：首先根据第(2)步预测结果进行预测域内太阳能热水系统优化求解；然后以预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立滚动优化调度模型，对相关非线性约束进行线性化转换，得到混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；将预测域内第一个调度间隔即执行域的调度计划下发执行；(4)动态调整阶段：对执行域每个调度间隔Δt'，首先根据实时光照强度进行太阳能热水系统优化求解；然后以每个调度间隔Δt'运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立动态调整阶段的混合整数二次规划模型；基于滚动调度计划、系统实时状态信息和实时负荷、光照强度信息并调用相关求解器进行模型求解，得到系统实时调度计划；(5)判断执行域内是否每个调度间隔Δt'均调度完成，若否，则返回第(4)步；若是，则进行第(6)步；(6)判断是否完成调度周期所有时段调度计划的生成，若否，则更新t'S为t′S＝t′S+Δt然后返回第(2)步；若是，则结束。本专利技术的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，立足于解决园区综合能源系统的优化调度问题，充分考虑负荷、可再生能源预测误差的影响和系统运行时在线调整需求，建立基于滚动优化的多时间尺度优化调度模型，通过部分非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到系统供热/热水调度计划。采用本专利技术的基于模型预测控制的优化调度方法对园区综合能源系统进行优化调度，可有效减小负荷以及可再生能源出力预测误差的影响，经济可靠地满足系统用能需求。附图说明图1是本专利技术的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法流程图；图2是园区综合能源系统供能结构图；图3是基于模型预测控制的滚动优化示意图；图4是动态调整阶段示意图；图5是日前预测、滚动预测、实时热负荷对比图；图6是日前预测、滚动预测、实时热水负荷对比图；图7是日前预测、滚动预测、实时光照强度对比图；图8是包含动态调整环节的系统热负荷分配结果图；图9是包含动态调整环节的系统热水负荷分配结果图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤3)所述的园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，表述为：式中，tS是滚动优化调度的起始时段；NT为一个调度周期的总时段数；表示t时刻购电电价，为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt为滚动优化阶段调度间隔；Ei为不同设备的启停费用，Ω为设备集合，包括：地源热泵，表示为HP，以及电锅炉，表示为B，即，Ω＝{HP，B}；分别为t时刻第j台地源热泵、电锅炉的启停状态，为二进制变量，1代表设备处于启动状态，0代表停机状态；ΩHP、ΩB分别为地源热泵、电锅炉的集合。3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成山，吕超贤，李鹏，宋关羽，赵金利，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12