[發(fā)明專利]一種基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬聚合商優(yōu)化調(diào)控方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211596263.4
• 申請(qǐng)日: 2022-12-13
• 公開（公告）號(hào): CN116029424A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張繼廣;李憶;樂鷹;孫宇航;周保中;畢圣;趙琦;郭超;孫詩潔;謝康;許皓文;呂若佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華電電力科學(xué)研究院有限公司;浙大城市學(xué)院;浙江大學(xué)紹興研究院
• 主分類號(hào): G06Q10/04
• 分類號(hào): G06Q10/04;G06Q10/0631;G06Q50/06
• 代理公司: 杭州天欣專利事務(wù)所(普通合伙) 33209
• 代理人: 李浩楠

1.一種基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬聚合商優(yōu)化調(diào)控方法，其特征是，步驟如下：

步驟1：確定虛擬聚合商內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)和能流關(guān)系，給出能量梯級(jí)利用和可再生能源消納的方式；

步驟2：建立虛擬聚合商供能設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備部分的數(shù)學(xué)模型；

步驟3：考慮虛擬聚合商經(jīng)濟(jì)性和負(fù)荷不確定性因素，確定虛擬聚合商各部分模型的約束，包括功率平衡約束、能量交互約束和模型特性約束；

步驟4：把最小化虛擬聚合商總運(yùn)行代價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)，建立一種基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬聚合商優(yōu)化調(diào)度和控制策略；

步驟5：確定虛擬聚合商模塊的基本參數(shù)，利用預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出分布式能源發(fā)電設(shè)備和負(fù)荷的預(yù)測(cè)曲線，設(shè)置三種運(yùn)行方式；

步驟6：考慮模型預(yù)測(cè)控制，對(duì)虛擬聚合商的各模塊出力進(jìn)行分析，提出調(diào)度控制策略。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬聚合商優(yōu)化調(diào)控方法，其特征是：

步驟1中：通過燃?xì)廨啓C(jī)利用天然氣為原料發(fā)電，同時(shí)余熱回收單元吸收發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量用于補(bǔ)充系統(tǒng)熱能容量；用戶側(cè)有電、冷、熱三種形式的負(fù)荷，其中電負(fù)荷需求由電網(wǎng)、燃?xì)廨啓C(jī)和可再生能源發(fā)電機(jī)組滿足，同時(shí)蓄電池有助于電能供需平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)削峰填谷；冷負(fù)荷需求由電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)滿足；熱負(fù)荷需求由燃?xì)忮仩t和余熱回收單元供給；該虛擬聚合商集成冷熱電形式，并考慮了各模塊之間的深度耦合，實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用和可再生能源消納，提高了能源利用效率和系統(tǒng)環(huán)保性；

步驟2中：微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸入輸出特性表示為：

式中，Q_MT(t)和P_MT(t)分別為t時(shí)微燃機(jī)的熱功率和電功率，η_MT(t)和η_L分別為t時(shí)刻微燃機(jī)的發(fā)電效率和熱損失系數(shù)；

余熱回收單元的輸入輸出特性表示為：

Q_HR(t)＝Q_MT(t)η_HR

式中，Q_HR(t)為t時(shí)刻余熱回收鍋爐的熱功率，η_HR為余熱回收鍋爐的熱能吸收轉(zhuǎn)換效率；

燃?xì)忮仩t的輸入輸出特性表示為：

Q_GB(t)＝F_GB(t)η_GB

式中，Q_GB(t)為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的熱功率，F(xiàn)_GB(t)為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的天然氣用量，η_GB為燃?xì)忮仩t的效率；

吸收式制冷機(jī)的輸入輸出特性表示為：

Q'_AC(t)＝Q_AC(t)COP_AC

式中，Q'_AC(t)為t時(shí)刻吸收式制冷機(jī)的輸出冷功率，Q_AC(t)為t時(shí)刻吸收式制冷機(jī)的輸入熱功率，COP_AC為吸收式制冷機(jī)的制冷性能系數(shù)；

電制冷機(jī)的輸入輸出特性表示為：

Q'_EC(t)＝P_EC(t)COP_EC

式中，Q'_EC(t)為t時(shí)刻電制冷機(jī)的輸出冷功率，P_EC(t)為t時(shí)刻電制冷機(jī)的輸入電功率，COP_EC為電制冷機(jī)的制冷性能系數(shù)；

儲(chǔ)能設(shè)備的輸入輸出特性表示為：

式中，W_ES(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能量，P_ES，cha(t)和P_ES，dis(t)分別為t時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備的充電功率和放電功率，δ為儲(chǔ)能設(shè)備的自放電率，η_cha和η_dis分別為儲(chǔ)能設(shè)備的充電效率和放電效率；

步驟3中：約束條件包括功率平衡約束、能量交互約束和模型特性約束；

A.功率平衡約束中電功率平衡約束表示為：

式中，P_load(t)表示虛擬聚合商在t時(shí)段的電負(fù)荷功率，左式表示系統(tǒng)各發(fā)電出力單元提供的電功率，右式表示系統(tǒng)內(nèi)用電和用戶所需電負(fù)荷功率；

熱功率平衡約束可表示為：

Q_HR(t)+Q_GB(t)＝Q_he(t)

式中，微燃機(jī)的熱功率Q_MT(t)部分經(jīng)過余熱回收單元的吸收利用包含在第一項(xiàng)熱功率Q_HR(t)中，左式表示系統(tǒng)提供的熱功率，右式表示用戶所需的熱負(fù)荷功率；

冷功率平衡約束關(guān)系同熱功率平衡約束關(guān)系；

B.能量交互約束表示為：

0≤|P_ex(t)|≤P_line,max

式中，P_line，max表示線路最大允許功率，必須保證在任意時(shí)刻兩系統(tǒng)的交互功率低于該最大允許功率；

C.模型特性約束表示為：

P_MT,min≤P_MT(t)≤P_MT,max

式中，P_MT，min和P_MT，max分別代表微型燃?xì)廨啓C(jī)的電功率最小出力和最大容量；

爬坡速率約束表示為：

K_MT,minΔt≤P_MT(t)-P_MT(t-1)≤K_MT,maxΔt

式中，K_MT，min和K_MT，max分別代表微燃機(jī)的最小爬坡速率和最大爬坡速率；

儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率約束表示為：

θ_disP_ES,dis≤P_ES(t)≤θ_chaP_ES,cha

式中，θ_dis和θ_cha分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電比率和充電比率，P_ES，cha和P_ES，dis分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的充上下限和放電上下限；

儲(chǔ)能系統(tǒng)連續(xù)性約束表示為：

E_ES(0)＝E_ES(N_tΔt)

式中，E_ES(t)表示t時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備的容量；

步驟4中：考慮發(fā)電效率和天然氣熱值的微型燃?xì)廨啓C(jī)燃料成本，通過微燃機(jī)某一時(shí)刻的電功率計(jì)算出其燃燒的天然氣量值，以最小化虛擬聚合商總運(yùn)行代價(jià)為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中，f為虛擬聚合商的總成本，N_T為有限時(shí)域內(nèi)調(diào)度時(shí)段上限，C_FU(t)為t時(shí)段的燃料成本；C_ME(t)為t時(shí)段的維護(hù)成本；C_EX(t)為t時(shí)段的購(gòu)電成本；C_ST(t)為t時(shí)段的可控設(shè)備的啟停成本；C_HE(t)為t時(shí)段的熱轉(zhuǎn)化收益；

A.燃料成本表示為：

式中，C_gas為天然氣單價(jià)；P_MT(t)和η_MT(t)分別為t時(shí)段微燃機(jī)的電功率和發(fā)電效率；L_HVHG為天然氣的熱值；

B.針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱回收鍋爐、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)和儲(chǔ)能設(shè)備，按照其單位出力與維護(hù)成本乘積的形式，虛擬聚合商維護(hù)成本表示為：

式中，C_mei和P_i分別是各組成部分的單位能量維護(hù)費(fèi)用和輸出功率；

C.購(gòu)電成本是一個(gè)以交互功率的正負(fù)為約束域的分段函數(shù)，采用絕對(duì)值的形式，表示為：

式中，C_in(t)代表t時(shí)段的購(gòu)電電價(jià)，C_out(t)代表t時(shí)段的售電電價(jià)，P_ex(t)代表t時(shí)段的虛擬聚合商與大電網(wǎng)的交互功率；

D.針對(duì)分布式能源發(fā)電設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)可控設(shè)備，按照啟停次數(shù)與一次啟停成本的乘積形式反映可控機(jī)組啟停狀態(tài)的變化，給出可控設(shè)備的啟停成本表示為：

式中，U_j(t)代表t時(shí)段可控設(shè)備j的啟停狀態(tài)，C_ST，j為可控設(shè)備j的單次啟動(dòng)成本；

E.虛擬聚合商對(duì)熱能的梯級(jí)利用增加了系統(tǒng)能源利用效率，向系統(tǒng)內(nèi)用戶提供熱負(fù)荷的同時(shí)會(huì)收取一定的費(fèi)用，這一費(fèi)用是作為系統(tǒng)收益補(bǔ)充成本的重要組成部分；虛擬聚合商的熱轉(zhuǎn)化收益表示為：

C_HE(t)＝C_heQ_he(t)

式中，C_he為提供熱能的單位售價(jià)，Q_he(t)為t時(shí)段用戶需求的熱負(fù)荷；

步驟5中：在模型參數(shù)中，時(shí)間長(zhǎng)度為24小時(shí)，每次更新調(diào)度策略的時(shí)間周期長(zhǎng)度為1小時(shí)；選取相同額定功率的家用分布式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電設(shè)備，分三種運(yùn)行方式進(jìn)行討論分析：

方式1：分布式能源設(shè)備出力恒定時(shí)虛擬聚合商調(diào)度策略；

方式2：用戶負(fù)荷恒定時(shí)虛擬聚合商調(diào)度策略；

方式3：基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬聚合商優(yōu)化調(diào)度策略；

步驟6中：方式3采用模型預(yù)測(cè)控制的方法能較準(zhǔn)確的跟蹤分布式發(fā)電設(shè)備出力和實(shí)時(shí)負(fù)荷需求，通過合理的調(diào)度能充分發(fā)揮各設(shè)備的自身優(yōu)勢(shì)，省去了不必要的損耗和資源浪費(fèi)，達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)；而方式1沒有考慮分布式能源出力不確定性的影響，方式2沒有考慮用戶負(fù)荷需求波動(dòng)性的影響，造成了系統(tǒng)總運(yùn)行成本偏高。