一种用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法

1.本技术涉及综合能源系统和自动控制技术领域，具体涉及综合能源系统协调控制技术，尤其涉及一种用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法。


背景技术：

2.随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，构建高比例可再生综合能源系统，实现能源的高效利用和可再生资源的就地消纳，成为能源系统低碳转型重要途径之一。然而，综合能源系统中各能源子系统之间存在较强耦合和较大的动态特性差异，源荷两侧也存在较强不确定性，以上特点让系统的运行控制极具挑战。因此，迫切需要研究适用于高比例可再生综合能源系统的先进运行及控制策略，以保证系统稳定、经济、灵活供能，展现综合能源系统的优势。
3.目前，针对热电联产综合能源系统的运行优化研究主要集中在系统调度层面，旨在为综合能源系统长周期内的运行提供优化的设定值指令。然而最优调度指令的快速、平稳追踪仍高度依赖于底层控制策略和算法的设计。因此，部分学者从实时控制层面出发，研究了热电联产综合能源系统的协调控制方法，旨在同时且快速满足电、热负荷的实时供需平衡。但是，由于综合能源系统中电、热过程之间的强耦合和响应速度差异，这些方法容易产生较差的控制效果或对控制器的计算产生较大负担，特别是对于储能受限的离网型系统，系统电侧的控制效果更加难以保障。
4.与此同时，在综合能源系统中，电过程的响应速度往往要比热过程快很多且对供需平衡具有较高的要求；由于人体对温度的不敏感性，热侧供需平衡可在一定范围内松弛。区间模型预测控制通过将设定值跟踪指标拓展为区间跟踪指标，为系统运行控制过程中热侧供需平衡的松弛提供一种可能的实现方案。但是，传统区间控制是根据工业过程特点发展而来的(例如化工过程中ph值的控制)，其区间宽度通常为预设的固定值。这种设计方法容易导致综合能源系统中热负荷与设定值长期偏离，从而降低长期能源供应质量。此外，目前能源系统领域的区域控制研究主要集中在单一设备上，如燃煤电厂、电池和蒸汽压缩过程，其在复杂多能源系统中的应用尚未得到开发。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法，其技术目的是在动态调节过程中适当松弛热侧控制要求，从而提高系统电侧跟踪控制的灵活性和快速性；实现热侧优化空间向电侧的主动转换，避免系统热侧控制性能的过度退化。
6.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法，包括：
8.步骤1：对离网型综合能源系统的机理模型进行开环阶跃实验，获取动态特性实验曲线；其中，所述离网型综合能源系统包括热电子系统，所述热电子系统包括微燃机和热泵，则控制量包括微燃机燃料质量流量和热泵压缩机转速，被控量包括剩余电功率和供水
联箱出口水温；
9.步骤2：根据所述动态特性实验曲线对应的数据，通过子空间辨识方法，辨识获得表征所述热电子系统动态特性的离散状态空间模型，将所述离散状态空间模型扩增为增量式状态空间模型，再对所述增量式状态空间模型进行推导得到预测模型；
10.步骤3：构建区间控制目标函数和动态区间宽度变化机制，并结合所述预测模型来设计所述热电子系统对应的热电协调控制器，通过所述热电协调控制器实现系统电侧跟踪控制和热侧变区间控制的控制模式，从而提高离网型综合能源系统热电协调的灵活性，大幅提升系统电侧控制性能且避免了热侧控制性能的过度退化。
11.本技术的有益效果在于：
12.(1)本技术所述的热电协调的变区间控制方法通过在动态调节过程中适当松弛热侧控制要求，能够有效提高电侧跟踪控制的灵活性和快速性。
13.(2)本技术所述的动态区间宽度变化机制，实现了热侧优化空间向电侧的主动转换，在实现对用户电负荷需求的快速平稳跟踪的情况下，避免了热侧控制性能的过度退化。
附图说明
14.图1为本技术具体实施方式的系统示意图；
15.图2为本技术具体实施方式的控制系统结构图；
16.图3为本技术具体实施方式的控制算法流程图；
17.图4为本技术具体实施方式的系统开环阶跃响应曲线示意图；
18.图5为本技术具体实施方式的仿真实验条件示意图；
19.图6为本技术具体实施方式的被控量结果曲线示意图；
20.图7为本技术具体实施方式的控制量结果曲线示意图。
具体实施方式
21.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
22.本实施例中对应的热电联产的离网型综合能源系统，如图1所示。该系统主要设备包括微型燃气轮机(以下简称“微燃机”)、空气源热泵(以下简称“热泵”)、光伏发电设备、锂电池、母线；其他辅助设备包括换热器、管路、阀门、循环水泵、控制器以及相关电气设备。其中，锂电池仅用于平衡母线电压，不参与功率平衡调节；微燃机为具有余热利用功能的微型燃气轮机，其高温排气通过换热器制得热水并送往供水联箱；热泵制得的热水在供水联箱中同微燃机余热制得的热水混合后，由供水阀门控制流向取暖用户热水的质量流量，进而调节用户室内温度，其中供水阀门由一个局部pid控制器控制；系统中各耗电设备用电均由系统发电设备满足，无外接电网。
23.因此，为了实现用户热、电需求快速平稳跟踪的控制目标，本技术提出了一种用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法。更具体地，本实施例中所述综合能源系统的控制结构由一个热电协调控制器和一个局部pid控制器组成，如图2所示。热电协调控制器所控物理对象为综合能源系统的热电子系统，包括微燃机和热泵。其中，热电协调控制器由变区间预测控制算法设计，通过调节微燃机的燃料质量流量以及热泵的压缩机转速，来调节热电子系统的剩余电功率和供水联箱出口水温。
24.上述的用于离网型综合能源系统热电协调的变区间控制方法，具体包括以下步骤：
25.步骤1：对离网型综合能源系统的机理模型进行开环阶跃实验，获取动态特性实验曲线；其中，所述离网型综合能源系统包括热电子系统，所述热电子系统包括微燃机和热泵，则控制量包括微燃机燃料质量流速和热泵压缩机转速，被控量包括剩余电功率和供水联箱出口水温。
26.步骤2：根据所述动态特性实验曲线对应的数据，通过子空间辨识方法，辨识获得表征所述热电子系统动态特性的离散状态空间模型，将所述离散状态空间模型扩增为增量式状态空间模型，再对所述增量式状态空间模型进行推导得到预测模型。
27.步骤3：构建区间控制目标函数和动态区间宽度变化机制，并结合所述预测模型来设计所述热电子系统对应的热电协调控制器，通过所述热电协调控制器实现系统电侧跟踪控制和热侧变区间控制的控制模式，从而提高离网型综合能源系统热电协调的灵活性，大幅提升系统电侧控制性能且避免了热侧控制性能的过度退化，最终实现对离网型综合能源系统的热电协调控制。
28.具体地，步骤1中，剩余电功率的计算公式如下：
29.ns＝n
mgt
n
pv-n
hp-n
user
；(1)
30.其中，ns表示剩余电功率；n
mgt
表示微燃机发电功率；n
pv
表示光伏发电功率；n
hp
表示热泵耗电功率；n
user
表示用户耗电功率。
31.步骤2中，离散状态空间模型表示为：
[0032][0033]
其中，u(k)＝[mf(k) rc(k)]
t
，y(k)＝[ns(k) t
feed
(k)]
t
；u(k)表示控制量，mf(k)表示k时刻的微燃机质量流量，rc(k)表示k时刻的热泵压缩机转速；y(k)表示被控量，ns(k)表示k时刻的剩余电功率，t
feed
(k)表示k时刻的供水联箱出口水温；ad、bd、cd为由子空间辨识方法获得的对应系统矩阵；xd(k)表示k时刻的系统状态向量，xd(k)的值在每个控制周期中通过kalman滤波器估计得到。
[0034]
对离散状态空间模型进行变换得到增量式状态空间模型，则增量式状态空间模型表示为：
[0035][0036]
其中，x(k)＝[δx
dt
(k) y
t
(k)]
t
，δxd(k)＝xd(k)-xd(k-1)；δu(k)＝u(k)-u(k-1)；c＝[o i]；o表示零矩阵；i表示单位矩阵。
[0037]
对增量式状态空间模型进行推导得到预测模型，则预测模型表示为：
[0038]
y(k)＝s
x
·
x(k) su·
δu(k)；
ꢀꢀ
(4)
[0039][0040]
其中，y(k)＝[y(k 1|k)
t
,y(k 2|k)
t
,...,y(k p|k)
t
]
t
表示被控量预测在未来p时域内的变化轨迹；δu(k)＝[u(k|k)
t
,u(k 1|k)
t
,...,u(k m-1|k)
t
]
t
；m表示控制时域，p表示预测时域，且m≤p。
[0041]
步骤3中，区间控制目标函数表示为：
[0042][0043][0044][0045][0046]dh
＝|y2(k)-y
2h
(k)|；
ꢀꢀ
(10)
[0047]dl
＝|y
2l
(k)-y2(k)|；
ꢀꢀ
(11)
[0048]
z＝|y
2h
(k)-y
2l
(k)|；
ꢀꢀ
(12)
[0049]
s.t.u
min
≤u≤u
max
,δu
min
≤δu≤δu
max
；
[0050]
其中，φe表示系统电侧跟踪控制目标；φ
t
表示系统热侧区间控制目标；φ
δu
表示系统控制增量惩罚项；y1(k)＝[ns(k 1|k)
t
,ns(k 2|k)
t
,...,ns(k p|k)
t
]
t
表示剩余电功率在未来预测时域内的变化轨迹；y
1set
(k)表示剩余电功率在未来预测时域内的参考轨迹；y2(k)＝[t
feed
(k 1|k)
t
,t
feed
(k 2|k)
t
,...,t
feed
(k p|k)
t
]
t
表示供水联箱出口水温在未来预测时域内的变化轨迹；表示供水联箱出口水温对应设定区间的上边界；表示供水联箱出口水温对应设定区间的下边界；δu(k)表示系统在未来控制时域内的控制增量序列；q1＝diag(q1,q1,...,q1)
p
×
p
表示剩余电功率对应的输出权矩阵，q2＝diag(q2,q2,...,q2)
p
×
p
表示供水联箱出口水温对应的输出权矩阵；r＝diag(r,r,...,r)m×m表示控制权矩阵,其中r＝diag(r1,r2)，r1表示微燃机燃料质量流量对应的控制权系数，r2表示热泵压缩机转速对应的控制权系数；dh表示供水联箱出口水温在未来预测时域内的预测值到区间上边界的距离；d
l
表示供水联箱出口水温在未来预测时域内的预测值到区间下边界的距离；z表示区间宽度在未来预测时域内的变化轨迹。
[0051]
值得注意的是，当供水联箱出口水温对应设定区间的上边界和下边界相等，即其对应设定区间宽度为零时，热侧区间控制目标φ
t
将退化为与电侧相同的电侧跟踪控制目标φe，此时系统热、电两侧均为跟踪控制模式。
[0052]
步骤3中，动态区间宽度变化机制通过动态区间变化函数实现，其输入为当前时刻剩余电功率实际值，输出为当前时刻供水联箱出口水温对应的设定区间宽度；在每个控制周期，供水联箱出口水温对应的设定区间宽度都由实时剩余电功率动态决定。
[0053]
动态区间变化函数表示为：
[0054][0055]
其中，α和β都为常数系数；tanh(
·
)表示双曲正切函数；λ∈[0,1]，表示损失系数；zk表示k时刻供水联箱出口水温对应设定区间的宽度。
[0056]
变区间预测控制算法的构建流程如图3所示，具体包括：根据所述动态特性实验曲线对应的数据，通过子空间辨识方法建立所述离网型综合能源系统的离散状态空间模型；对所述离散状态空间模型进行变换，得到增量式状态空间模型；对所述增量式状态空间模型进行推导得到预测模型；在每个控制周期中，采用kalman滤波器对热电子系统的状态量进行估计，再结合所述预测模型得到被控量在未来预测时域内的变化轨迹；同时，根据实时剩余电功率信号，由所述动态区间变化函数得到供水联箱出口水温对应的设定区间宽度；将被控量在未来预测时域内的变化轨迹和参考轨迹送往区间控制优化器；其中，供水联箱出口水温的参考轨迹为设定区间的上边界和下边界；对区间控制目标函数所对应的优化问题进行求解，得到当前控制周期的最优控制量，即最优的微燃机燃料质量流量和热泵压缩机转速，通过最优控制量对所述离网型综合能源系统的剩余电功率和供水联箱出口水温进行调节。
[0057]
下面以实际系统为案例进行计算，具体流程如下：
[0058]
首先，基于所建立的离网型综合能源系统的机理模型，对其进行开环阶跃实验来获取相应动态特性实验曲线，如图4所示。
[0059]
其后，以1s为采样周期，根据相应动态特性实验数据，采用子空间辨识方法，可得离散状态空间模型，其表达式如式(14)所示：
[0060][0061]
经过适当变换后，式(2)得到增量式状态空间模型，表达式如式(3)所示。其后，进一步推导可得预测模型，表达式如式(4)所示。最后，依据式(6)至式(12)可构建热电协调控制的优化问题，进行优化求解并对所述离网型综合能源系统进行控制，其中，供水联箱出口水温所对应的设定区间宽度由式(14)计算可得。
[0062]
为了验证本实施例所提出的变区间预测控制算法(zmpc-vzw)的优越性，将其与传统跟踪预测控制算法(tmpc)和传统区间预测控制算法(czmpc)进行对比。为保证公平性，除供水联箱出口水温所对应的设定区间宽度外，三种控制算法所对应的热电协调控制器其他参数均保持一致，如表1所示。
[0063]
表1-三种热电协调控制器的基本参数
[0064][0065]
仿真结果分别如图5至图7所示，其中，图5为仿真实验条件示意图，图6为仿真实验被控量结果曲线示意图，图7为仿真实验控制量结果曲线示意图。
[0066]
如图6所示，计算了三个控制器的绝对积分误差(iae)指标值，以分别评估电侧和热侧的控制效果。结果显示：在电侧存在高频干扰的情况下，zmpc-vzw策略的iae远远小于tmpc策略，甚至接近于czmpc策略，这意味着所提出的zmpc-vzw策略可以帮助综合能源系统获得与czmpc策略相近的供电质量，且远优于tmpc策略下的供电质量。同时，zmpc-vzw策略下的供水联箱出口温度的波动比czmpc策略小得多，而在这些电侧干扰消失后，zmpc-vzw策略下的供水联箱出口温度仍然可以跟踪其设定值，而czmpc策略下的供水联箱出口温度则可能会偏离其设定值。这说明所提出的zmpc-vzw策略能够在实现对用户电负荷需求的快速平稳跟踪的情况下，避免了热侧控制性能的过度退化，有效保障了系统在较长周期内获得稳定的热侧控制效果。
[0067]
图7也清楚地表明了zmpc-vzw策略下动态区间宽度变化机制的有效性。具体来说：当剩余电功率较大时，zmpc-vzw策略会选择更宽的区间宽度，以进一步放松热侧的控制要求，从而提高供电质量。此时，该策略的控制量轨迹与czmpc策略更为贴近；当剩余电功率变小时，zmpc-vzw策略中热侧相应的区间宽度将逐渐转为零，以实现更精确的热能管理，同时，该策略的控制量轨迹将逐渐贴近tmpc策略。此外，zmpc-vzw策略下的供水阀门开度的变化轨迹也比czmpc策略更平滑。
[0068]
综上所述，本技术所提出的基于变区间预测控制的离网型综合能源系统热电协调控制算法具有更优越的整体控制性能。
[0069]
以上为本技术示范性实施例，本技术的保护范围由权利要求书及其等效物限定。