[發(fā)明專利]基于雙層模型預(yù)測(cè)控制的微能網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110016983.8
• 申請(qǐng)日: 2021-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN112865174B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳飛雄;林煒暉;邵振國(guó);鄧宏杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;H02J3/38;H02J3/32;H02J3/00;H02J7/34
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學(xué)俊

1.一種基于雙層模型預(yù)測(cè)控制的微能網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

建立含電轉(zhuǎn)氣和電池–超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能的電熱氣聯(lián)供型微能網(wǎng)模型；

建立基于雙層模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法；

通過基于雙層模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法，在保證微能網(wǎng)風(fēng)光消納能力的前提下，應(yīng)對(duì)不確定性因素對(duì)微能網(wǎng)優(yōu)化控制的影響，實(shí)現(xiàn)微能網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行；

所述電熱氣聯(lián)供型微能網(wǎng)模型包括：

熱電聯(lián)供系統(tǒng)：

熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換模型描述如下：

式中：η_ge、η_gh、η_rec分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率、微型燃?xì)廨啓C(jī)制熱效率和余熱回收鍋爐廢熱回收效率；為t時(shí)段微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率，為經(jīng)余熱回收鍋爐后微型燃?xì)廨啓C(jī)制熱功率，為t時(shí)段微型燃?xì)廨啓C(jī)消耗的氣功率；

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備：

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換模型描述如下：

式中：為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的輸入功率；η_P2G為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率；為t時(shí)段電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸出的天然氣功率；

燃?xì)忮仩t和電鍋爐：

燃?xì)忮仩t和電鍋爐的能源轉(zhuǎn)換模型描述如下式：

式中：和分別為t時(shí)段燃?xì)忮仩t消耗的氣功率和產(chǎn)生的熱功率；和分別為t時(shí)段電鍋爐消耗的電功率和產(chǎn)生的熱功率；η_GB和η_EB分別為燃?xì)忮仩t和電鍋爐的能源轉(zhuǎn)換效率；

儲(chǔ)能設(shè)備：

儲(chǔ)能設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換模型描述如下式：

式中：S_k(t)、P_k(t)分別表示t時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備k的儲(chǔ)能占比和充放能功率，這里的儲(chǔ)能占比即儲(chǔ)能設(shè)備剩余容量占額定容量的比例；E_k表示儲(chǔ)能設(shè)備k的額定容量；Δt為單位調(diào)度時(shí)間；和分別表示儲(chǔ)能設(shè)備k的充、放能效率；下標(biāo)k取e、h和g分別表示電、熱和氣；

所述基于雙層模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法包括上層的基于MPC的長(zhǎng)時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化層和下層的基于MPC的短時(shí)間尺度實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)整層；其中，

基于MPC的長(zhǎng)時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化層：

采樣時(shí)刻為t_u∈{1,…,T_u}，預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)門_u，調(diào)度周期為T_N，控制時(shí)間間隔為Δt_u；在t_u時(shí)刻，基于未來T_u個(gè)控制時(shí)間間隔內(nèi)風(fēng)光出力和電/熱/氣負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的技術(shù)特性、儲(chǔ)能設(shè)備的容量和使用壽命及分時(shí)電價(jià)和天然氣價(jià)，以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)，通過多步滾動(dòng)優(yōu)化求解獲得預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)微能網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃，并下發(fā)第一個(gè)控制間隔內(nèi)的調(diào)度計(jì)劃值至下層作為參考值；

基于MPC的短時(shí)間尺度實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)整層：

采樣時(shí)刻為t_l∈{1,…,T_l}，預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)門_l，調(diào)度周期為T_S，控制時(shí)間間隔為Δt_l；在t_l時(shí)刻，下層遵照上層調(diào)度計(jì)劃和儲(chǔ)能設(shè)備充放電狀態(tài)，基于下層預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)風(fēng)光出力和負(fù)荷需求的超短期預(yù)測(cè)值，對(duì)上層調(diào)度計(jì)劃值進(jìn)行修正，降低風(fēng)光出力和負(fù)荷需求預(yù)測(cè)誤差對(duì)優(yōu)化結(jié)果精準(zhǔn)性的影響，并調(diào)度超級(jí)電容器出力，平抑風(fēng)光出力的負(fù)荷需求的功率波動(dòng)導(dǎo)致的聯(lián)絡(luò)線電功率和電池出力波動(dòng)；在時(shí)間Δt_u之后，下層將更新后的狀態(tài)變量反饋至上層，上層開始進(jìn)行下一個(gè)調(diào)度；如此重復(fù)完成上述過程，直至完成調(diào)度周期所有時(shí)段調(diào)度計(jì)劃的生成；

所述基于MPC的長(zhǎng)時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化層具體優(yōu)化模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

上層滾動(dòng)優(yōu)化過程中，優(yōu)化目標(biāo)為預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)微能網(wǎng)運(yùn)行成本最低；目標(biāo)函數(shù)描述如下：

式中：為微能網(wǎng)與電網(wǎng)交互費(fèi)用；為購(gòu)買天然氣費(fèi)用；為系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)成本；為電池退化成本；為棄風(fēng)棄光懲罰成本；

①微能網(wǎng)與電網(wǎng)交互費(fèi)用

式中：c_e(t_u)為購(gòu)售電價(jià)格，聯(lián)絡(luò)線電功率；

②微能網(wǎng)購(gòu)氣成本

式中：c_g(t_u)為天然氣價(jià)格，聯(lián)絡(luò)線氣功率；

③設(shè)備維護(hù)成本

式中：R_PV、R_WT、R_MT、R_GB、R_EB、R_P2G、R_B、R_H、R_G分別為風(fēng)機(jī)、光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、電池、儲(chǔ)熱裝置、儲(chǔ)氣裝置的單位功率維護(hù)成本；分別表示風(fēng)機(jī)、光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、電池、儲(chǔ)熱裝置、儲(chǔ)氣裝置的輸出功率；

④電池退化成本

式中：C_B為電池置換成本，E_BA為電池額定容量，η_Bc、η_Bd為電池充/放電效率，d_B為電池放電深度，L_B(d_B)為電池循環(huán)壽命曲線表達(dá)式，a、b、c為曲線擬合系數(shù)；

⑤棄風(fēng)棄光懲罰成本

式中：ω_AB為棄風(fēng)棄光單位成本；為棄風(fēng)棄光功率；

約束條件：

①系統(tǒng)功率平衡約束

對(duì)于電、氣、熱耦合系統(tǒng)，功率平衡公式具體為：

式中：分別表示電、熱、氣負(fù)荷需求功率；

②與大電網(wǎng)交互功率約束

微能網(wǎng)與大電網(wǎng)的交互功率需維持在預(yù)定范圍內(nèi)：

式中，分別表示微能網(wǎng)與大電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)交互功率的上、下限；

③棄風(fēng)棄光約束

④可控機(jī)組約束

可控機(jī)組在運(yùn)行時(shí)需要滿足運(yùn)行功率約束和爬坡約束：

式中，分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和電鍋爐的出力上下限；分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和電鍋爐爬坡速率的上下限；

⑤電轉(zhuǎn)氣設(shè)備約束

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備受其額定功率的約束：

式中，為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的額定功率；

⑥儲(chǔ)能設(shè)備約束

儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行受剩余容量和最大充放能功率約束；由于同一時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備只能進(jìn)行充能或放能，因此，引入0/1布爾變量用于表示儲(chǔ)能設(shè)備充放能狀態(tài)；儲(chǔ)能設(shè)備約束如下：

式中：和分別表示儲(chǔ)能設(shè)備k的儲(chǔ)能占比上下限，分別表示儲(chǔ)能設(shè)備k的充、放能功率限值；為儲(chǔ)能設(shè)備的充/放能狀態(tài)變量，充能狀態(tài)時(shí)為1，放能狀態(tài)時(shí)為1；在上層優(yōu)化模型中，當(dāng)k取e時(shí)，表示電池儲(chǔ)能；

所述基于MPC的短時(shí)間尺度實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)整層具體優(yōu)化模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

下層以功率修正的懲罰成本和超級(jí)電容器在下層預(yù)測(cè)時(shí)域末端保持在最佳儲(chǔ)能占比而引起的懲罰成本最小為目標(biāo)；由于超級(jí)電容器的允許循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于電池，故不計(jì)超級(jí)電容器的退化成本和維護(hù)成本；目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：和分別表示功率修正的懲罰成本和在下層預(yù)測(cè)時(shí)域末端超級(jí)電容器保持最佳儲(chǔ)能占比而引起的懲罰成本；

①功率修正懲罰成本

式中：i表示設(shè)備，μl i表示設(shè)備i進(jìn)行功率修正的懲罰因子，和分別表示設(shè)備i的參考值和修正值；

②預(yù)測(cè)時(shí)域末端超級(jí)電容器懲罰成本

式中：表示t_l時(shí)刻超級(jí)電容器的儲(chǔ)能占比；表示超級(jí)電容器最佳儲(chǔ)能占比；

約束條件：

下層關(guān)于微能網(wǎng)功率平衡約束、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備約束、儲(chǔ)能設(shè)備約束以及棄風(fēng)棄光值約束與上層相同，下層在功率平衡式中需增加超級(jí)電容器出力項(xiàng)，描述如下：

式中：和分別表示超級(jí)電容器儲(chǔ)能占比上下限，分別表示超級(jí)電容器的充、放電功率限值；為超級(jí)電容器的充放電狀態(tài)變量，充電狀態(tài)為1，放電狀態(tài)為1。