CN108932560A - 基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法：根据选定的园区综合能源系统，输入园区综合能源系统的结构和参数；建立园区综合能源系统运行约束；设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；输出系统一个调度周期内调度计划：运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。本发明对园区综合能源系统进行优化调度，可有效减小负荷以及可再生能源出力预测误差的影响，经济可靠地满足系统用能需求。

Description

基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种综合能源系统优化调度方法。特别是涉及一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法。

背景技术

随着全球能源问题和环境问题的日益加重，大力发展可再生能源、提高能源利用率、减少环境污染成为未来能源可持续发展的必然选择。园区综合能源系统贴近用户、可就地利用多种形式的可再生能源，打破了原有各能源系统单独规划、运行的既有模式，对不同供能系统进行统一设计和协调优化，实现了多能源的深度融合和紧密互动，为用户灵活供应电、热、冷等多种用能需求，可显著提升系统供能效率和运行经济性，得到了广泛应用。

园区型综合能源供能系统是一个复杂的多能耦合系统，夏季供冷需求、冬季供热/热水需求量占夏季、冬季能源需求量的很大比例，其中电力需求可由外部电网、光伏、风机、热电联产单元提供；冷需求可由压缩制冷设备、吸热制冷设备等供应；热/热水供应可来自热电联产单元、燃气/电锅炉、地源热泵系统等。同时系统可配备蓄电、蓄热装置，能量可先储存储能装置中，在需要的时候释放，为系统的运行调节带来了较高的灵活性和经济性。此时需要制定合理有效的调度策略，协调多种设备使其优化运行，经济可靠地满足系统用能需求。由于负荷及可再生能源出力存在较强的不确定性，在优化调度过程中需要充分考虑其预测误差的影响。

目前，对园区综合能源系统的优化调度过程中负荷、可再生能源出力不确定性的处理，多通过建立考虑预测误差的多时段提前调度模型来实现，无法适应系统实际运行的在线调整需求；或满足了系统在线调整需求，但是未考虑预测信息和小时间尺度运行信息的误差。因此，急需一种能够满足系统运行时在线调整需求、考虑了预测信息和小时间尺度运行信息误差的滚动优化调度方法，基于模型预测控制理论和多时间尺度的调度思想，协调供能、蓄能装置的运行，经济可靠地满足园区综合能源系统多种用能需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够建立满足系统在线调整需求的多时间尺度园区综合能源系统优化调度模型，制定优化调度方案的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：

1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；

2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；

3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；

4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；

5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。

步骤3)所述的园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，t_S是滚动优化调度的起始时段；N_T为一个调度周期的总时段数；表示t时刻购电电价，为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt为滚动优化阶段调度间隔；E_i为不同设备的启停费用，Ω为设备集合，包括：地源热泵，表示为HP，以及电锅炉，表示为B，即，Ω＝{HP，B}；分别为t时刻第j台地源热泵、电锅炉的启停状态，为二进制变量，1代表设备处于启动状态，0代表停机状态；Ω_HP、Ω_B分别为地源热泵、电锅炉的集合。

步骤3)所述的动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，表示t时刻购电电价；为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt'动态调整阶段调度间隔；μ_HP、μ_B，S、μ_B，H，HW、μ_WT分别为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水功率调整惩罚系数，为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水相应功率调整值。

步骤4)所述的基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法，包括：

(1)设定滚动优化调度的起始时刻t'_S＝t₀，t₀为调度初始时刻；

(2)在t'_S时刻对预测域t'_S至t'_S+nΔt内光照强度、热、热水和电负荷进行预测，其中

n＝(t_end-t'_S)/Δt

式中，t_end为调度结束时刻；Δt为滚动优化阶段调度间隔；

(3)滚动优化阶段：首先根据第(2)步预测结果进行预测域内太阳能热水系统优化求解；然后以预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立滚动优化调度模型，对相关非线性约束进行线性化转换，得到混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；将预测域内第一个调度间隔即执行域的调度计划下发执行；

(4)动态调整阶段：对执行域每个调度间隔Δt'，首先根据实时光照强度进行太阳能热水系统优化求解；然后以每个调度间隔Δt'运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立动态调整阶段的混合整数二次规划模型；基于滚动调度计划、系统实时状态信息和实时负荷、光照强度信息并调用相关求解器进行模型求解，得到系统实时调度计划；

(5)判断执行域内是否每个调度间隔Δt'均调度完成，若否，则返回第(4)步；若是，则进行第(6)步；

(6)判断是否完成调度周期所有时段调度计划的生成，若否，则更新t'_S为

t′_S＝t′_S+Δt

然后返回第(2)步；若是，则结束。

本发明的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，立足于解决园区综合能源系统的优化调度问题，充分考虑负荷、可再生能源预测误差的影响和系统运行时在线调整需求，建立基于滚动优化的多时间尺度优化调度模型，通过部分非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到系统供热/热水调度计划。采用本发明的基于模型预测控制的优化调度方法对园区综合能源系统进行优化调度，可有效减小负荷以及可再生能源出力预测误差的影响，经济可靠地满足系统用能需求。

附图说明

图1是本发明的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法流程图；

图2是园区综合能源系统供能结构图；

图3是基于模型预测控制的滚动优化示意图；

图4是动态调整阶段示意图；

图5是日前预测、滚动预测、实时热负荷对比图；

图6是日前预测、滚动预测、实时热水负荷对比图；

图7是日前预测、滚动预测、实时光照强度对比图；

图8是包含动态调整环节的系统热负荷分配结果图；

图9是包含动态调整环节的系统热水负荷分配结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：

1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；

2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；

(1)所述的太阳能热水系统运行约束表示为

运行目标：

太阳能热水箱运行约束：

生活热水预热罐运行约束：

蓄热式电锅炉系统供热水功率：

式中，分别为t时刻太阳能热水箱和生活热水预热罐温度，T^HW、T^TW分别为生活热水供应温度、自来水进水温度，ΔT ^HT，PT、分别为热水箱、预热罐之间循环泵启停温度下限、上限；c^W、ρ^W分别为水的比热容和密度；V^HT、V^PT和分别为热水箱体积、预热罐体积和t时刻生活热水所需体积；分别为太阳能集热器向热水箱、热水箱向预热罐、预热罐向贮热罐热传递功率；分别为生活热水负荷和太阳能热水系统供热水功率；Δt为系统调度步长。

(2)所述的地源热泵机组运行约束表示为

式中，为t时刻系统热负荷；为t时刻第i台地源热泵供热功率；分别为热泵主机的最小、最大制热功率；为t时刻第i台地源热泵启停标志；F^HP地源热泵一次水泵额定流量；Ω_HP为地源热泵主机的集合；为t时刻热泵机组耗电功率；为第i台热泵性能系数(COP)；N^HP为地源热泵主机个数；P^HP，CWP和P^HP，CP分别为热泵主机联锁地源侧水泵、空调水泵的额定用电功率；为系统t时刻空调热水总流量。其中表示为

式中，F^AWP为蓄热式电锅炉系统空调热水泵额定流量；N^AWP为蓄热式电锅炉系统空调热水泵个数；为t时刻蓄热式电锅炉系统第i台空调热水泵启停标志。模型相关的二进制变量为1代表供能模式/设备处于执行/启动状态，为0代表不执行/停机状态，下同。

(3)所述的蓄热式电锅炉系统运行约束表示为

式中，为t时刻蓄热式电锅炉系统供热功率；分别为电锅炉和蓄热水箱供热功率；为t时刻第i台电锅炉供能功率，为电锅炉机组供热、供热水、蓄热功率，为第i台电锅炉供能功率上限；为蓄热水箱供能标志，为t时刻第i台电锅炉的启停状态；为电锅炉机组供能标志；Ω_B为电锅炉的集合；为t时刻蓄热水箱整体蓄热量，ε^WT为蓄热水箱热损耗率；分别为蓄热水箱供热、供热水功率；为水箱蓄热量上、下限；蓄热水箱单体供能功率的上限；N^WT为蓄热水箱台数；生活热水循环泵启动台数；单台生活热水循环泵最大供热水功率，N^DWP，MAX表示生活热水循环泵可用的台数，P^DWP，R为其额定耗电功率；为单台空调热水泵最大供热量，分别板式换热器两侧空调热水循环泵、供水循环泵的额定耗电功率；P^B，WP为电锅炉连锁循环水泵额定耗电功率；分别为电锅炉机组、生活热水循环泵和空调热水连锁泵耗电功率。

(4)所述的热负荷供需平衡约束表示为

(5)所述的热水负荷供需平衡约束表示为

(6)所述的电负荷供需平衡约束表示为

式中，为分别为t时刻光伏系统输出功率、联络线功率，P^TL，max为联络线最大允许功率值，为t时刻系统电负荷。

(7)所述的动态调整阶段供能主机启停状态约束表述为

式中，t^*表示与动态调整时刻t相对应的滚动优化阶段时刻。

3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；其中，

(1)所述的园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，t_S是滚动优化调度的起始时段；N_T为一个调度周期的总时段数；表示t时刻购电电价，为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt为滚动优化阶段调度间隔；E_i为不同设备的启停费用，Ω为设备集合，包括：地源热泵，表示为HP，以及电锅炉，表示为B，即，Ω＝{HP，B}；分别为t时刻第j台地源热泵、电锅炉的启停状态，为二进制变量，1代表设备处于启动状态，0代表停机状态；Ω_HP、Ω_B分别为地源热泵、电锅炉的集合。

(2)所述的动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，Δt'动态调整阶段调度间隔；μ_HP、μ_B，S、μ_B，H，HW、μ_WT分别为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水功率调整惩罚系数， 为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水相应功率调整值。

4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；所述的基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法，包括：

(1)设定滚动优化调度的起始时刻t'_S＝t₀，t₀为调度初始时刻；

(2)在t'_S时刻对预测域t'_S至t'_S+nΔt内光照强度、热、热水和电负荷进行预测，其中

n＝(t_end-t'_S)/Δt (36)

式中，t_end为调度结束时刻；Δt为滚动优化阶段调度间隔；

(3)滚动优化阶段：首先根据第(2)步预测结果进行预测域内太阳能热水系统优化求解；然后以预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立滚动优化调度模型，对相关非线性约束进行线性化转换，得到混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；将预测域内第一个调度间隔即执行域的调度计划下发执行；

滚动优化调度模型的紧凑形式可写为：

对于式子(9)、(13)展开后存在二进制变量与连续变量的乘机项，目标方程(33)中存在二进制变量与二进制变量的乘机项，通过引入辅助变量和约束将这些非线性项线性化。线性化后，此优化问题转化成一个混合整数线性规划问题。

对非线性项U*r，其中U为二进制变量，r为连续正变量，r的上限为可引入辅助变量R替换非线性项，且R满足如下约束：

对非线性项U₁U₂，其中U₁、U₂为二进制变量，引入辅助二进制变量U替换非线性项，且U满足如下约束：

(4)动态调整阶段：对执行域每个调度间隔Δt'，首先根据实时光照强度进行太阳能热水系统优化求解；然后以每个调度间隔Δt'运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立动态调整阶段的混合整数二次规划模型；基于滚动调度计划、系统实时状态信息和实时负荷、光照强度信息并调用相关求解器进行模型求解，得到系统实时调度计划；

动态调整模型的紧凑形式可写为：

(5)判断执行域内是否每个调度间隔Δt'均调度完成，若否，则返回第(4)步；若是，则进行第(6)步；

(6)判断是否完成调度周期所有时段调度计划的生成，若否，则更新t'_S为

t'_S＝t'_S+Δt (41)

然后返回第(2)步；若是，则结束。

5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。

本发明建立了基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，基于滚动优化思想和两阶段多时间尺度协调策略，对滚动优化阶段的混合整数线性规划模型和动态调度阶段的混合整数二次规划模型分别采用相关求解器求解，得到调度周期内系统运行方案。

下面给出具体实力：

对于本实施例，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻。本系统中，由外部电网和光伏系统满足电力需求；集中能源站产生空调热水输送至各个楼宇，通过风机盘管满足供热需求；太阳能热水系统和蓄热式电锅炉系统满足热水需求。集中能源站包括3台地源热泵主机、蓄热式电锅炉系统(4台承压式电锅炉，3台蓄热水箱)，系统详细参数见表1。系统供能结构如图2所示。系统一个完整调度周期为23:00-次日22:00，调度初始时刻为23:00；滚动优化阶段和动态调整阶段调度间隔分别为1h、15min；蓄热水箱存储热量初值为0，太阳能热水箱和预热罐温度初值分别为23℃、19.9℃；地源热泵、电锅炉启停费用分别为40.0元/次、120.0元/次；地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供能(热/热水)功率调整惩罚系数分别为0、1000、0、1000。

对于本实施例，针对系统采用模型预测控制方法，基于在线滚动思想进行调度的特点，对比采用日前预测方法、本文滚动预测方法和实时采集得到的光照强度、负荷预测值，见图5-图7。针对系统采用两阶段多时间尺度滚动优化的特点，采用是否包含动态调整环节系统运行结果进行对比，方案1不包含动态调整环节，方案2包含动态调整环节，系统运行结果见表2。图3是基于模型预测控制的滚动优化示意图；图4是动态调整阶段示意图；图5为日前预测、滚动预测、实时热水负荷对比图；图6为日前预测、滚动预测、实时热水负荷对比图；图7为日前预测、滚动预测、实时光照强度对比图。图8为包含动态调整环节的系统热负荷分配结果图；图9为包含动态调整环节的系统热水负荷分配结果图。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2603，主频为1.60GHz，内存为8GB；软件环境为Windows 10操作系统。

从图5、图6和图7中热负荷、热水负荷、光照强度日前预测、滚动预测、实时数据的对比可知：日前预测方法作为无反馈校正的多时段提前预测，误差较大，日内滚动预测优化基于历史、实时系统用能信息进行滚动预测，预测信息较为精确。基于滚动预测方法所得预测数据进行优化调度更能贴近用户用能需求。

结合图8、图9和表2可以看出，单一的滚动优化以小时为时间尺度，调度粗放，无法及时响应可再生能源和负荷的快速波动，热/热水供应偏移实际负荷，系统供能可靠性较低；大时间尺度和小时间尺度结合的两阶段优化算法调度精细，在多时段最优调度计划的基础上进行单一时刻系统运行状态调整，可有效减弱可再生能源和负荷的不确定性影响，适应其小时间尺度的快速变化，达到负荷实时精准供给，具有较高供能可靠性；包含动态调整环节后，运行费用仅增加了1.5％，以较小的成本代价实现了系统用能的可靠供给。

表1 系统构成及参数

表2是否含有动态调整结果对比

Claims (4)

1.一种基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据选定的园区综合能源系统，输入系统设备组成、设备运行参数，输入蓄热水箱当前存储热量、太阳能热水系统热水箱和预热罐温度初值，输入机组启停费用和功率调整惩罚系数，设置滚动优化阶段调度间隔、动态调整阶段调度间隔和调度初始时刻；

2)依据步骤1)所提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立园区综合能源系统运行约束，包括太阳能热水系统运行约束、地源热泵系统运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、热负荷供需平衡约束、热水负荷供需平衡约束、电负荷供需平衡约束、动态调整阶段供能主机启停状态约束；

3)设定园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数；

4)依据步骤2)和步骤3)所建立的园区综合能源系统运行约束和目标函数，采用基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法进行优化调度；

5)输出系统一个调度周期内调度计划，包括运行费用、太阳能热水系统供热水功率、地源热泵和电锅炉启停指令、运行工况、供能功率、蓄热水箱运行工况和供能功率。

2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤3)所述的园区综合能源系统滚动优化阶段预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，t_S是滚动优化调度的起始时段；N_T为一个调度周期的总时段数；表示t时刻购电电价，为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt为滚动优化阶段调度间隔；E_i为不同设备的启停费用，Ω为设备集合，包括：地源热泵，表示为HP，以及电锅炉，表示为B，即，Ω＝{HP，B}；分别为t时刻第j台地源热泵、电锅炉的启停状态，为二进制变量，1代表设备处于启动状态，0代表停机状态；Ω_HP、Ω_B分别为地源热泵、电锅炉的集合。

3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤3)所述的动态调整阶段单个时间间隔内运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，表述为：

式中，表示t时刻购电电价；为t时刻外部电网通过联络线流入系统的功率；Δt'动态调整阶段调度间隔；μ_HP、μ_B，S、μ_B，H，HW、μ_WT分别为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水功率调整惩罚系数，为地源热泵供热、电锅炉蓄热、电锅炉供热/热水和蓄热水箱供热/热水相应功率调整值。

4.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤4)所述的基于滚动优化的多时间尺度优化调度方法，包括：

(1)设定滚动优化调度的起始时刻t'_S＝t₀，t₀为调度初始时刻；

(2)在t'_S时刻对预测域t'_S至t'_S+nΔt内光照强度、热、热水和电负荷进行预测，其中

n＝(t_end-t'_S)/Δt

式中，t_end为调度结束时刻；Δt为滚动优化阶段调度间隔；

(3)滚动优化阶段：首先根据第(2)步预测结果进行预测域内太阳能热水系统优化求解；然后以预测域内运行费用和设备启停费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立滚动优化调度模型，对相关非线性约束进行线性化转换，得到混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；将预测域内第一个调度间隔即执行域的调度计划下发执行；

(4)动态调整阶段：对执行域每个调度间隔Δt'，首先根据实时光照强度进行太阳能热水系统优化求解；然后以每个调度间隔Δt'运行费用和功率调整惩罚费用之和最小为目标函数，结合相关运行约束建立动态调整阶段的混合整数二次规划模型；基于滚动调度计划、系统实时状态信息和实时负荷、光照强度信息并调用相关求解器进行模型求解，得到系统实时调度计划；

(5)判断执行域内是否每个调度间隔Δt'均调度完成，若否，则返回第(4)步；若是，则进行第(6)步；

(6)判断是否完成调度周期所有时段调度计划的生成，若否，则更新t'_S为

t'_S＝t'_S+Δt

然后返回第(2)步；若是，则结束。