一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制（MPC）优化运行方法技术方案

本发明专利技术涉及一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)优化运行方法，步骤包括：S1、根据PV/T耦合能源系统建立多目标函数，以该系统经济、供热量最优为多目标函数；S2、基于所述多目标函数设定约束条件及边界条件；S3、通过模糊优化，对所述多目标函数赋予权重，并建立系统内控算法，进而构建预测控制的混合整数非线性模型；S4、通过分枝定界计算方法得出模型预测控制结果；S5、根据其模型预测控制结果，以效率最高作为优化目标函数，计算得出系统最佳的供暖策略；本发明专利技术通过对PV/T耦合能源系统柔性用能控制策略设计，使系统在满足用户需求条件下与用户负荷更加贴合，有效的解决了运行过程中系统能量分配不合理、效率低等情况。效率低等情况。效率低等情况。

【技术实现步骤摘要】
一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制（MPC）优化运行方法


[0001]本专利技术属于光伏光热PV/T太阳能耦合能源系统的控制领域，尤其涉及一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)优化运行方法。

技术介绍

[0002]在过去的几年里，气候变化已经成为一个需要解决的全球性问题，建筑行业是主要的能源消费之一，建筑能耗的总量逐年上升，其总能源使用占能源总量的30％，与此相关的是，系统运行能耗已引起广大学者的重视，建筑系统是减少能耗并减少温室气体排放的一种有前途的方法。光伏光热PV/T太阳能耦合能源系统作为将太阳能转化为电能与热能的清洁能源系统，将在未来能源发展中占据主体地位。因此，如何降低系统运行能耗显得尤为重要。
[0003]光伏光热PV/T太阳能耦合能源系统是一种以太阳能为主要能量驱动，为用户供电、制热，使能力分级利用的清洁能源系统。耦合蓄热水箱、热泵等设备可进一步提升系统稳定性，但由于系统供热与用户侧所需不能实时匹配，会导致供暖产生不及时性，外加系统本身能源的自耗率低，是目前造成能源浪费的两大最主要原因，为此，有必要开发一种光伏光热PV/T 耦合能源系统高效优化运行方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在问题，本专利技术提出了针对上述问题，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种的光伏光热PV/T耦合能源系统运行方法，目的在满足用户侧负荷的基础上，提高供给热量的精确度，加强系统本身产能的自耗率，避免产能浪费，提升能源可靠性，节约成本的同时，降低系统整体碳排放。<br/>[0005]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)优化运行方法，所述耦合能源系统包括水冷却PV/T组件、热泵以及蓄热水箱，所述耦合能源系统通过如下步骤实现最优控制：
[0007]S1、根据光伏光热PV/T耦合能源系统建立多目标函数，所述多目标函数是基于该系统全天总成本最小、供给所需热量为最小；其中：所述多目标函数为：
[0008][0009]式中E为系统运行的总成本，E
grid(k)
为电网耗电量，当为正值时，代表从电网输电至用户；当为负值时，表示电能从系统送至电网，cost
grid(k)
为电网实时电价，δ为电量利用率，Q为系统所供用户侧总热量，Qdemand
(k)
为系统所供用户侧逐时热量；
[0010]S2、基于多目标函数，设定约束条件及边界条件；
[0011]S3、根据多目标函数与约束条件，基于光伏光热PV/T耦合能源系统所处地不同，通
过模糊优化对所述不同的目标函数赋予使用者权重，并建立光伏光热PV/T耦合能源系统高效运行模型的内控算法，进而基于所述多目标函数、约束、边界条件及内控算法构建预测控制的混合整数非线性模型；
[0012]S4、通过分枝定界计算方法对预测控制的混合整数非线性模型进行计算生成预测控制结果；
[0013]S5、根据预测控制结果，以效率最高作为优化目标函数，提前得出系统最佳的不同供暖策略，其中：
[0014]所述效率最高作为优化目标函数为：
[0015][0016]其中，P
PV
、P
grid
分别为水冷却PV/T组件光电输出功率，电网输出功率，单位为KW,η
pl
、η
gl
分别为水冷却PV/T组件与电网的电效率，E
rad
为水冷却PV/T组件接收的太阳能辐射单位为KW，l
i
为工质流经各部件的损失，单位为KW。
[0017]进一步，所述S2步骤中目标函数约束条件及边界条件设定为：
[0018][0019]其中，T
WT(k＝0)
为蓄热水箱在时间k为0时的温度，为蓄热水箱初始温度，T
WT(k)
为蓄热水箱在时间k时的温度，T
WT(k
‑
1)
为蓄热水箱在时间k
‑
1时的温度，即k时的前一步长温度；U 为蓄热水箱与外界环境的传热系数，；A为蓄热水箱散热面积；T
amb(k
‑
1)
为蓄热水箱附近环境温度；为水冷却PV/T组件向用户侧供应的热量，为热泵向用户侧供应的热量，为蓄热水箱向用户侧供应的热量；ε充放热蓄热水箱效率；V为水箱容积；C
p
为恒压比热；δ为时间步长；为热泵k时热量；COP
(k)
为k时热泵性能系数；P
PV/T(k)
为水冷却PV/T组件在k时的电功率，P
grid
(
k
)为电网在k时给用户的输电量，当为正值时表示电网输电给用户，当为负值表示系统送电至电网,P
HP(k)
为k时热泵耗电量；为k时热
泵向蓄热水箱输送的热量，为k时水冷却PV/T组件热量，为k时水冷却PV/T组件向蓄热水箱输送的热量；
[0020][0021]式中，T
WT(k)
上下限取值根据光伏光热PV/T耦合能源系统设定，这里因所设计系统设定水箱有用温度为28到60℃；T
PV/T(k)
为水冷却PV/T组件在k时温度，根据光伏光热PV/T耦合能源系统设定，这里因所设计系统设定水冷却PV/T组件有用温度为15到48℃；Maxdemand为用户侧最大所需热量，MaxHP为热泵供给最大热量，MinP
PV/T(k)
为k时水冷却PV/T组件最小输出电功率，MaxP
PV/T(k)
为k时水冷却PV/T组件最大输出电功率；MaxP
HP(k)
为k时热泵最大所需电功率；ON/OFF为部件开启或停止。
[0022]进一步，所述步骤S3中构建PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)内控算法过程：
[0023]构建用户侧水温需求即Tdemand与蓄热水箱、热泵及水冷却PV/T组件在k时的热量平衡 a，若判断平衡a大于0，即走“是”路，再判断水冷却PV/T组件在k时温度是否大于38℃，若是再进一步判断水冷却PV/T组件在k时温度是否大于48℃，是则由水冷却PV/T组件加热蓄热水箱，否则水冷却PV/T组件直接供暖，若判断水冷却PV/T组件在k时温度小于38℃，再判断水冷却PV/T组件在k时产电量Epv/t是否可以满足供暖所需电量，若是则进一步判断蓄热水箱温度是否大于38℃，是则利用水箱进行供暖，否则利用太阳能电量启动热泵进行供暖；
[0024]若判断平衡a小于0，即走“否”路，构建用户侧热量需求与蓄热水箱及水冷却PV/T组件在k时的热量平衡b，判断平衡b是否大于0，若是，则利用电网电量使用热泵进行供暖，若否，再进一步判断，通过构建用户侧热量需求与水冷却PV/T组件在k时的热量平衡c，若是，则同上，进一步判断蓄热水箱温度是否大于38℃，否则水冷却PV/T组件直接供暖。进一步，所述步骤S4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)优化运行方法，其特征在于：所述耦合能源系统包括水冷却PV/T组件、热泵以及蓄热水箱，水冷却PV/T组件产生电能、热能，电能用于满足用户电负荷及系统内的电消耗或输送至电网；热能用于供给用户，富余时储存在蓄热水箱中，当水冷却PV/T组件产生热能不满足用户侧热负荷时，热泵利用水冷却PV/T组件产生的电量或电网电量产热，将热量储存在蓄热水箱中，水冷却PV/T组件在冬夜及夜间产生热量达不到使用条件时，通过蓄热水箱热量或热泵直接供暖；所述PV/T耦合能源系统的模型预测控制运行方法为：S1、根据PV/T耦合能源系统建立多目标函数，所述多目标函数是基于该系统全天总成本最小、供给所需热量为最小；其中：所述多目标函数为：式中E为系统运行的总成本，E
grid(k)
为电网耗电量，当为正值时，代表从电网输电至用户；当为负值时，表示电能从系统送至电网，cost
grid(k)
为电网实时电价，δ为电量利用率，Q为系统所供用户侧总热量，Qdemand
(k)
为系统所供用户侧逐时热量；S2、基于多目标函数，设定约束条件及边界条件；S3、根据多目标函数与约束条件，基于PV/T耦合能源系统所处地不同，使用者通过模糊优化对所述不同的目标函数赋予权重，并建立PV/T耦合能源系统高效运行模型的内控算法，进而基于所述多目标函数、约束、边界条件及内控算法构建预测控制的混合整数非线性模型；S4、通过分枝定界计算方法对预测控制的混合整数非线性模型进行计算生成预测控制结果；S5、根据预测控制结果，以效率最高作为优化目标函数，提前得出系统最佳的不同供暖策略，其中：所述效率最高作为优化目标函数为：其中，P
PV
、P
grid
分别为水冷却PV/T组件光电输出功率，电网输出功率，单位为KW,η
pl
、η
gl
分别为水冷却PV/T组件与电网的电效率，E
rad
为水冷却PV/T组件接收的太阳能辐射单位为KW，l
i
为工质流经各部件的损失，单位为KW。2.根据权利要求1所述的一种PV/T耦合能源系统的模型预测控制(MPC)优化运行方法，其特征在于：所述S2步骤中目标函数约束条件及边界条件设定为：
其中，T
WT(k＝0)
为蓄热水箱在时间k为0时的温度，为蓄热水箱初始温度，T
WT(k)
为蓄热水箱在时间k时的温度，T
WT(k
‑
1)
为蓄热水箱在时间k
‑
1时的温度，即k时的前一步长温度；U为蓄热水箱与外界环境的传热系数，；A为蓄热水箱散热面积；T
amb(k
‑
1)
为蓄热水箱附近环境温度；为水冷却PV/T组件向用户侧供应的热量，为热泵向用户侧供应的热量，为蓄热水箱向用户侧供应的热量；ε充放热蓄热水箱效率；V为水箱容积；C
p
为恒压比热；δ为时间步长；为热泵k时热量；COP
(k)
为k时热泵性能系数；P
PV/T(k)
为水冷却PV/T组件在k时的电功率，P
grid(k)
为电网在k时给用户的输电量，当为正值时表示电网输电给用户，当为负值表示系统送电至电网,P
HP(k)
为k时热泵耗电量；为k时热泵向蓄热水箱输送的热量，为k时水冷却PV/T组件热量，为k时水冷却PV/T组件向蓄热水箱输送的热量；
式中，T
WT(k)
上下限取值根据光伏光热PV/T耦合能源系统设定，这里因所设计系统设定水箱有用温度为28到60℃；T
PV/T(k)
为水冷却PV/T组件在k时温度，根据光伏光热PV/T耦合能源系统设定，这里因所设计系统设定水冷却PV/T组件有用温度为15到48℃；Maxdemand为用户侧最大所需热量，MaxHP为热泵供给最大热量，MinP
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李睿哲，于水，陈志杰，罗宇晨，黄小玲，安瑞，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：