基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，包括：动态调度层采样系统的最新运行数据，基于可用于描述系统设备的供热环节的设备的动态特性模型，根据日内最新可再生能源与负荷需求的预测数据，以最小化经济成本和动态供需偏差指标的最小化为优化目标，以功率平衡约束和设备特性约束为约束，进行日内滚动调度，提供下一个调度时段内各设备的功率调度指令；实时控制层以燃气内燃机及其余热回收设备和热泵的热电耦合环节为控制对象，基于多变量预测控制方法，对动态调度层下发的功率调度指令进行实时修正，使用修正后的功率调度指令作用于系统，能够减少预测偏差带来的扰动影响，提高了系统供能准确性和运行稳定性。和运行稳定性。和运行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法


[0001]本专利技术涉及综合能源系统优化运行
，尤其是一种基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法。

技术介绍

[0002]可再生能源发电例如光伏发电和风机发电，受环境因素的影响较大，出力具有较强的随机性和不确定性，使得对出力的预测数据和实际数据之间不可避免地存在一定的误差。并且随着光伏发电和风力发电渗透率的不断升高，使得能源系统长期处在强扰动作用的运行环境中，将会给系统的稳定运行带来了更大的挑战。
[0003]目前在调度层策略中很少对反馈校正环节做深入的研究和探讨，普遍直接将调度层所建立的设备模型当作为实际设备，但由于实际设备往往动态特性复杂，在大范围运行区间内具有较强的非线性，调度模型与设备实际模型之间仍存在一定的模型偏差。因此，系统设备实际的出力有可能与调度层所计算的不一致。
[0004]综合能源系统的平稳运行一直是当前研究的热点。综合能源系统是一个典型的多变量、强耦合和大惯性的系统，且极其受到外部多/强扰动的作用，采用常规的控制算法可能难以取得满意的运行效果。因此，要充分挖掘系统的热电耦合特性，研究先进控制策略和包含调度层和控制层的双层优化运行方法，对减少可再生能源出力及电负荷的预测偏差和调度模型偏差对系统运行的影响，保证系统平稳、经济运行都具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于多变量预测控制方法的综合能源系统双层优化运行方法，目的是减少可再生能源发电以及电负荷的预测偏差和调度层的模型偏差对系统运行的影响，保证系统的可靠供能和平稳运行。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，基于动态调度层和实时控制层进行运行优化，包括：
[0008]所述动态调度层采样系统的最新运行数据，基于可用于描述系统设备的供热环节的设备的动态特性模型，根据日内最新可再生能源与负荷需求的预测数据，以最小化经济成本和动态供需偏差指标的最小化为优化目标，以功率平衡约束和设备特性约束为约束，进行日内滚动调度，提供下一个调度时段内各设备的功率调度指令；
[0009]所述实时控制层以燃气内燃机及其余热回收设备和热泵的热电耦合环节为控制对象，基于多变量预测控制方法，对所述动态调度层下发的所述功率调度指令进行实时修正，使用修正后的功率调度指令作用于系统。
[0010]进一步技术方案为：
[0011]所述的动态特性模型可用于描述燃气内燃机或热泵的供热环节，表示为状态空间的形式为：
[0012][0013]式中，x
ep
为状态变量，r
ep
为设备的功率调度指令，Q
ep
为设备实际输出的热功率，A
ep
,B
ep
,C
ep
为系数矩阵，kk代表第kk个采样时刻。
[0014]所述优化目标的函数表达式为：minJ＝w1AIM1+w2AIM2，J为目标函数值，AIM1为经济性指标，AIM2为动态供需偏差指标，包括热功率动态偏差指标和供水温度动态偏差指标，w1和w2为对应权重；
[0015]经济性指标AIM1具体包括：
[0016][0017]式中，Δt为调度步长，N
k
为滚动时域步数，K
fuel
为燃气内燃机的沼气燃料成本，K
ice
为燃气内燃机的运行维护成本，K
hp
为热泵的运行维护成本，K
bat
为蓄电池的运行维护成本，K
hs
为储热罐的运行维护成本，D
ice,f
为消耗燃料量的质量流量，P
ice
为燃气内燃机的输出电功率，P
hp
为热泵消耗的电功率，P
bat
为蓄电池的功率输出值，Q
hs
为储热罐的功率输出值，i代表第i个调度时间段；
[0018]动态供需偏差指标AIM2具体包括：
[0019][0020]式中，Δt
kk
为采样周期，N
kk
为每个调度时间段内的采样个数，Q
hp
(i,j)、T
hp
(i,j)、Q
hx
(i,j)和T
hx
(i,j)分别表示在第i个调度时间段内第j个采样时刻的热泵输出功率、热泵出口热水温度、燃气内燃机余热回收热功率和余热回收热水温度，T
supply
为热泵热水和余热回收环节热水混合后的热水温度，G
hp
为热泵的热水流量，G
hx
为余热回收环节的热水流量，Q
load
为用户热负荷需求。
[0021]所述功率平衡约束包括系统电功率及热功率平衡约束；所述设备特性约束包括燃气内燃机及其余热回收环节运行特性约束、热泵设备运行特性约束、蓄电池设备特性约束以及储热罐设备特性约束。
[0022]所述多变量预测控制方法，包括：
[0023]S1：选取输入变量与输出变量进行开环阶跃响应实验，辨识得到综合能源系统的传递函数模型，所述输出变量为剩余电功率和总供热水温度，所述输入变量为内燃机电功率指令调整量和热泵热功率指令调整量；
[0024]S2：定义所述传递函数模型的增广状态空间模型：
[0025][0026][0027]式中，y(kk)为系统输出，Δx
d
(kk)是kk时刻的状态量变化量，x(kk)是扩增的状态量，Δu(kk)是kk时刻的控制量变化量，A
d
、B
d C
d
分别是被控对象状态空间模型对应的系数矩阵，A、B、C是状态扩增后的系数矩阵，I
p
×
p
是p
×
p维单位阵，O
d
为零矩阵；
[0028]S3：设置控制器参数，包括预测时域P，控制时域M，误差权矩阵Q，控制权矩阵R；
[0029]S4：根据当前时刻系统输出y(kk)，对系统当前时刻状态进行估计；
[0030]S5：建立预测方程Y(kk)＝Fx(kk)+ΩΔU(kk)，对系统未来P个时刻的输出Y(kk)进行预测，其中ΔU(kk)表示未来的控制量变化量序列，F、Ω为预测方程对应的系数矩阵；
[0031]其中，
[0032][0033]S6：构建性能指标求解ΔU(kk)，从中选取kk时刻的最优控制量变化量Δu(kk)进行输出，保证被控量能跟踪设定值，同时控制量的波动不会过于剧烈，其中Y
r
(kk)＝[y
r
(kk+1),y
r
(kk+2),
…
,y
r
(kk+P)]T
，表示未来时刻的设定值序列，y
r
为单个时刻的设定值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，其特征在于，基于动态调度层和实时控制层进行运行优化，包括：所述动态调度层采样系统的最新运行数据，基于可用于描述系统设备的供热环节的设备的动态特性模型，根据日内最新可再生能源与负荷需求的预测数据，以最小化经济成本和动态供需偏差指标的最小化为优化目标，以功率平衡约束和设备特性约束为约束，进行日内滚动调度，提供下一个调度时段内各设备的功率调度指令；所述实时控制层以燃气内燃机及其余热回收设备和热泵的热电耦合环节为控制对象，基于多变量预测控制方法，对所述动态调度层下发的所述功率调度指令进行实时修正，使用修正后的功率调度指令作用于系统。2.根据权利要求1所述的基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，其特征在于，所述的动态特性模型可用于描述燃气内燃机或热泵的供热环节，表示为状态空间的形式为：式中，x
ep
为状态变量，r
ep
为设备的功率调度指令，Q
ep
为设备实际输出的热功率，A
ep
,B
ep
,C
ep
为系数矩阵，kk代表第kk个采样时刻。3.根据权利要求1所述的基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，其特征在于，所述优化目标的函数表达式为：minJ＝w1AIM1+w2AIM2，J为目标函数值，AIM1为经济性指标，AIM2为动态供需偏差指标，包括热功率动态偏差指标和供水温度动态偏差指标，w1和w2为对应权重；经济性指标AIM1具体包括：式中，Δt
k
为调度步长，N
k
为滚动时域步数，K
fuel
为燃气内燃机的沼气燃料成本，K
ice
为燃气内燃机的运行维护成本，K
hp
为热泵的运行维护成本，K
bat
为蓄电池的运行维护成本，K
hs
为储热罐的运行维护成本，D
ice,f
为消耗燃料量的质量流量，P
ice
为燃气内燃机的输出电功率，P
hp
为热泵消耗的电功率，P
bat
为蓄电池的功率输出值，Q
hs
为储热罐的功率输出值；i代表第i个调度时间段；动态供需偏差指标AIM2具体包括：式中，Δt
kk
为采样周期，N
kk
为每个调度时间段内的采样个数，Q
hp
(i,j)、T
hp
(i,j)、Q
hx
(i,j)和T
hx
(i,j)分别表示在第i个调度时间段内第j个采样时刻的热泵输出功率、热泵出口热水温度、燃气内燃机余热回收热功率和余热回收热水温度，T
supply
为热泵热水和余热回收环节热水混合后的热水温度，G
hp
为热泵的热水流量，G
hx
为余热回收环节的热水流量，Q
load
为用
户热负荷需求。4.根据权利要求1所述的基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，其特征在于，所述功率平衡约束包括系统电功率及热功率平衡约束；所述设备特性约束包括燃气内燃机及其余热回收环节运行特性约束、热泵设备运行特性约束、蓄电池设备特性约束以及储热罐设备特性约束。5.根据权利要求1所述的基于多变量预测控制的综合能源系统双层优化运行方法，其特征在于，所述多变量预测控制方法，包括：S1：选取输入变量与输出变量进行开环阶跃响应实验，辨识得到综合能源系统的传递函数模型，所述输出变量为剩余电功率和总供热水温度，所述输入变量为内燃机电功率指令调整量和热泵热功率指令调整量；S2：定义所述传递函数模型的增广状态空间模型：S2：定义所述传递函数模型的增广状态空间模型：式中，y(kk)为系统输出，Δx
d
(kk)是kk时刻的状态量变化量，x(kk)是扩增的状态量，Δu(kk)是kk时刻的控制量变化量，A
d
、B
d C
d
分别是被控对象状态空间模型对应的系数矩阵，A、B、C是状态扩增后的系数矩阵，I
p
×
p
是p
×
p维单位阵，O
d
为零矩阵；S3：设置控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李益国，郭振宇，张俊礼，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：