CN113776205B - 可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法 - Google Patents

可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，包括四种控制模式及其切换方法，系统的自动启停方法，系统故障预警、报警和事故自动处理方法，其中四种控制模式包括：电效率优先模式、热效率优先模式、总效率优先模式、手动模式，当监测到光伏光热综合利用系统中液位、流量、温度信号中的一种或几种的组合达到设定条件时，控制系统自动切换控制模式。克服了热电联供系统存在的供能与负荷不匹配的问题，实现提高太阳能产出率，避免系统产能溢出，提高能源可靠性，减少燃料消耗。同时，为降低用户的人力维护成本，提高光伏光热综合利用系统的自动化程度，实现自动运行控制。

Description

可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法
技术领域
本发明属于分布式能源领域，涉及光伏光热综合利用系统(PV/T)，尤其是一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法。
背景技术
在“双碳”目标下，新能源发电在能源结构占比逐年增加，其中，太阳能拥有清洁、高效、无污染、来源可靠且稳定等优势。光伏光热综合利用系统(PV/T)继承了传统光伏组件的稳定运行优势，在利用冷却流道对光伏电池进行降温提效的同时，将多余的热量进行回收，实现太阳能的光谱利用。同时，目前的能源发展正逐渐朝向全球能源互联网方向发展，分布式太阳能热电联供系统作为将太阳能转化为电能与热能的重要载体，将会在未来能源互联网发展中成为重要组成部分。
光伏光热(PV/T)热电联供系统是一种以太阳能为主要能量驱动，为用户供电、制热的分布式能量分级利用系统。一方面，由于用户侧负荷需求具有波动性，尤其是电需求与热需求的不同步，会导致热电联供系统的供能与需求难以匹配，会出现例如电能或供热溢出另一种负荷需求的不足的问题。另一方面，光伏光热(PV/T)热电联供系统结构复杂，要实现7*24小时连续运行尚需用户进行干预。为此，有必要开发一套能最大限度消纳用户负荷波动的太阳能热电联供系统全自动控制策略。
发明内容
本发明的目的在于克服热电联供系统存在的供能与负荷不匹配的问题以及无法全天候全自动调控的问题，提供一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，在满足用户负荷的基础上，提高太阳能产出率，避免系统产能溢出，提高能源可靠性，减少燃料消耗。同时，通过建立系统的自动启停、自动闭环运行控制、故障预警、报警和紧急事故自动处理策略，实现光伏光热联供系统的全自动运行调控，降低用户的人力维护成本。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统控制方法，应用于光伏光热综合利用系统的自动控制系统。本发明提供了一种实现光伏光热综合利用系统启停、运行模式切换、运行优化、自动变运行控制、故障预警报警、紧急事故自动处理等功能的一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统控制方法。
为了克服热电联供系统存在的供能与负荷不匹配的问题，实现提高太阳能产出率，避免系统产能溢出，提高能源可靠性，减少燃料消耗。同时，为降低用户的人力维护成本，提高光伏光热综合利用系统的自动化程度，实现自动运行控制，本发明采取的技术方案为：
本发明的全自动运行调控的光伏光热综合利用系统控制方法在控制系统中不间断运行，其中控制系统在热电联供系统正常运行时存在四个基本控制模式有：
电效率优先模式：此时优先保障光伏发电效率。
热效率优先模式：此时优先保障供热需求。
总效率优先模式：此时系统利用优化算法，得到当前状态下，总效率最高的控制目标值。
手动模式：此时系统内所有设备指令和目标由用户手动给定。
所述的控制方法具有自动择机切换光伏光热综合利用系统控制模式的功能：当控制系统监测光伏光热综合利用系统中液位、流量、温度等信号中的一种或几种，当其中的一种信号或几种信号的组合达到设定条件时，控制系统自动将控制模式自动切换到电效率优先模式、热效率优先模式、总效率优先模式、手动模式中的一种。
所述的控制方法在总效率优先模式时，通过退火算法计算得到光伏光热热电联供系统内各闭环控制目标值。根据优化结果得到光伏光热热电联供系统运行的各闭环控制目标值，并作用于控制系统。
在总效率优先模式时，通过退火算法计算得到光伏光热热电联供系统内各闭环控制目标值，具体如下：
建立光伏光热热电联供系统的目标函数，以该系统全天总成本最小作为目标函数为：
式中，CCCHP为全天的总成本，Cdev(x)、CMO(x)、CCG(x)分别为所有设备的投资成本、所有设备的维护与运行成本和耗电成本，i为第i个设备，x为影响成本的参数，t为时刻，N为设备数量，K为电价，Ec,i(x)为耗电量，当为正值时，代表从电网输电至用户；当为负值时，表示电能从系统送至电网，
基于联供系统的容量特性等因素，设定约束条件，
式中，PPV(x)为PV/T的电功率；Pgrid(x)为电网给用户的输电量，当为正值时表示电网输电给用户，当为负值表示系统送电至电网；PHP(x)为热泵耗电量；PLoad(x)为用户电负荷；PAux(x)为辅助加热耗电量；QPV/T(x)为PV/T制热量；QAux(x)为辅助加热热量；QHP(x)为热泵制热量；Qheatload(x)为用户热负荷；
根据目标函数和约束条件，基于模拟退火算法建立光伏光热热电联供系统调控模型。
本发明专利中的光伏光热联供系统自动启停策略，主要包含系统自动按预设流程完成启动或停止，其主要特点包含以下几点：
当控制系统接到启动信号时，系统内的所有设备在控制系统调度下自动启动直至正常运行。
当控制系统接到停止信号时，系统内的所有设备在控制系统调度下自动停止运行。
启停过程中，中间过程无需用户进行干预，可提供用户干预的接口。
所述的控制方法包括系统范围内的故障预警、报警：控制系统能够对系统的正常运行状态数据进行学习，利用学习得到的模型，分析当前状态与历史状态的差异程度，表征系统的异常情况。
所述的控制方法包括对于光伏光热热电联供系统的事故自动处理：通过建立光伏光热热电联供系统故障征兆集，将故障和检测参数特征对应起来，实现事故的识别。
通过建立事故处理顺序控制策略，当识别到事故发生时，自动联锁执行对应的事故处理操作，实现事故的自动处理。
本发明的优点和积极效果是：
(1)通过对维持光伏光热联供系统以及用户负荷侧供需关系平衡的控制策略的设计，有效解决了联供系统在运行过程中，出现的电-热分配不合理，即如电能太多而热量无法满足热负荷等情况。
(2)针对用户不同的使用情况，建立多种控制策略，并按照用户指定的方式自动切换，保障在电需求或热需求能够充分满足的前提下，使系统运行在最佳工况点上。
(3)对系统整体流程进行优化，通过建立系统的自动启停、自动闭环运行控制、故障预警、报警和紧急事故自动处理策略，实现光伏光热联供系统的全自动运行调控，降低用户的人力维护成本。
附图说明
图1为光伏光热联供系统能量流程图。
图2为模拟退火算法计算流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明专利中提出针对克服热电联供系统存在供能与负荷不匹配的四种控制模式及切换策略，其中控制系统在热电联供系统正常运行时存在四个基本控制模式有：
1.1电效率优先模式：此时PV/T冷却水流量目标设定较高值，冷却水温度目标设定较低值，优先保障光伏发电效率。
1.2热效率优先模式：此时PV/T冷却水流量目标设定较低值，冷却水温度目标设定较高值，优先保障供热需求。
1.3总效率优先模式：此时系统利用粒子群算法，得到当前状态下，总效率最高的冷却水流量目标值和冷却水温度目标值。
1.4手动模式：此时系统内所有设备指令和目标由用户手动给定。
所述的控制方法具有自动择机切换光伏光热综合利用系统控制模式的功能：当控制系统监测光伏光热综合利用系统中液位、流量、温度等信号中的一种或几种，当其中的一种信号或几种信号的组合达到设定条件时，控制系统自动将控制模式自动切换到电效率优先模式、热效率优先模式、总效率优先模式、手动模式中的一种。具体为：
1.1电效率优先模式：恒温水箱液位高2值时，恒温水箱不再进水，对外供水需求小，自动切换到电效率优先模式。
1.2热效率优先模式：恒温水箱液位低2值时，对外供水需求大，自动切换到热效率优先模式。
1.3总效率优先模式：恒温水箱处于正常液位范围内，表征用热和用电平衡，此时自动切换到总效率优先模式。热电联供系统自动启动后，系统自动切换到总效率优先模式。
1.4手动模式：控制系统启动后默认为手动模式。其他模式失效后，自动退回到手动模式。热电联供系统停止后，控制系统自动切换到手动模式。允许用户手动从其他模式切换到手动模式。
所述的控制方法在总效率优先模式时，通过退火算法计算得到光伏光热热电联供系统内各闭环控制目标值，并作用于控制系统。
方法具体为：
建立光伏光热热电联供系统的目标函数，以该系统全天总成本最小作为目标函数。根据系统中各部分成本以及维护成本等，可以得到该目标函数为：
式中，CCCHP为全天的总成本，Cdev(x)、CMO(x)、CCG(x)分别为所有设备的投资成本、所有设备的维护与运行成本和耗电成本，i为第i个设备，x为影响成本的参数，t为时刻，N为设备数量，K为电价，Ec,i(x)为耗电量，当为正值时，代表从电网输电至用户；当为负值时，表示电能从系统送至电网。
基于联供系统的容量特性等因素，设定约束条件。
式中，PPV(x)为PV/T的电功率；Pgrid(x)为电网给用户的输电量，当为正值时表示电网输电给用户，当为负值表示系统送电至电网；PHP(x)为热泵耗电量；PLoad(x)为用户电负荷；PAux(x)为辅助加热耗电量；QPV/T(x)为PV/T制热量；QAux(x)为辅助加热热量；QHP(x)为热泵制热量；Qheatload(x)为用户热负荷。
根据目标函数和约束条件，基于模拟退火算法建立光伏光热热电联供系统调控模型。
模拟退火算法由一个产生函数从当前解产生一个位于解空间的新解，然后计算与新解对应的目标函数差，判断新解是否被接受，当新解被接受时，用新解代替当前解，重复迭代过程。由于该算法具有渐进收敛性，在理论上被证明是一种以概率I收敛于全局最优解的全局优化算法，在解算过程中的较优解可以实时应用于联供系统，无需等待全局最优解的计算，因此能够快速响应负荷变化。其具体计算过程见附图2。
本发明调控方法还包括光伏光热联供系统自动启停策略，主要包含系统自动按预设流程完成启动或停止，其主要包含以下几点：
通过控制系统实现自动启动，系统内的所有设备在控制系统调度下依次完成启动准备自检、自动补水、主泵启动、自动联锁投入、自动闭环控制投入、启动完成自检。
通过控制系统实现自动停止，系统内的所有设备在控制系统调度下依次完成停止准备自检、主泵停机、补水退出、用水回路切换、停止完成自检。
启停过程中，中间过程无需用户进行干预，也可提供用户干预的接口。
本发明调控方法还包括故障预警：
传统的光伏光热热电联供系统在设备出现故障后，多采用“事后分析”模式，即故障诊断，且故障后需要用户人为进行后续处理工作。故障预警能够在事前提示用户可能出现的问题，并在第一时间尝试自动自行处理，减少维护成本。在故障发生后，系统也能根据当前状态自动进行后续处理，使系统全生产周期安全可靠。
本发明方法能够基于数据驱动和机器学习，对系统的正常运行状态数据进行学习，利用学习得到的模型，分析当前状态与历史状态的差异程度，表征系统的异常情况。由于光伏光热热电联供系统当前的运行状态与之前一段时间运行状态参数有关，需要处理长时间序列的历史数据，因此机器学习模型采用长短期记忆网络(Long Short Term Memory，LSTM)进行训练，长短期记忆网络模型是RNN的一个变型，对于处理时间序列上距离较远的节点比RNN表现好。将当前持续运行的历史数据输入到模型中，就能够计算得到正常运行情况下的运行参数，若模型得到的数据与实际偏差较大，就预示着系统存在故障。
对于光伏光热热电联供系统的事故自动处理策略，分为识别事故和自动处理两方面。
通过建立光伏光热热电联供系统故障征兆集，将故障和检测参数特征对应起来，实现事故的识别。
通过建立事故处理顺序控制策略，当识别到事故发生时，自动联锁执行对应的事故处理操作，实现事故的自动处理。
本发明采用上述技术方案，应用于具有PV/T、蓄热水箱及其液位测量元件、冷却水泵、冷却水调节阀、电磁阀等硬件要求的光伏光热综合利用系统，所有必要信号应能够采集，所有受控设备须支持远控。本发明能够实现光伏光热综合利用系统启停、运行模式切换、运行优化、自动变运行控制、故障预警报警、紧急事故自动处理等功能。本发明上述全自动运行调控的光伏光热综合利用系统控制方法，实现提高太阳能产出率，避免系统产能溢出，提高能源可靠性，减少燃料消耗，且完全无需操作人员参与运行，可以大大节省光伏光热综合利用系统运行的人工成本。
图1为光伏光热联供系统的能量流程图，图中，PV/T可以产生电能、热能。电能可用于满足用户电负荷或者系统内的电消耗，或储存于蓄电池，也可输送至电网。热能主要用于供给恒温水箱，在恒温水箱对热能品级进行进一步提升。
图2为总效率优先模式的模拟退火算法的计算流程，输入算法参数与约束条件，将当前状态作为初始解，计算目标函数值，扰动产生新解，计算目标函数的新值，若新解较优，则接受新解，反之按Metropolis准则接受新解，再进行重复迭代计算，直到迭代计算达到最大次数后，若系统还运行在总效率优先模式，则重新以新的状态作为初始解，进行迭代。若系统已经退出总效率优先模式，则停止迭代。在迭代过程中，计算程序实时向控制系统输出迭代所得的较优解，即光伏光热热电联供系统运行的各闭环控制目标值，并作用于控制对象。
本发明主要针对克服热电联供系统存在的供能与负荷不匹配的问题以及全天候全自动调控问题两方面，设计了一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统控制方法，针对热电联供系统存在供能与负荷不匹配，设计了四种控制模式及切换策略，为降低用户的人力维护成本，建立了系统的自动启停、自动闭环运行控制、故障预警、报警和紧急事故自动处理策略。
不同的光伏光热综合利用系统运行条件不尽相同，对每台机组要对顺序控制流程和判断条件、联锁触发条件和自动控制参数进行调整，但其核心思想是一致的。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，其特征在于：包括四种控制模式及其切换方法，系统的自动启停方法，系统故障预警、报警和事故自动处理方法，其中四种控制模式包括：电效率优先模式、热效率优先模式、总效率优先模式、手动模式，当监测到光伏光热综合利用系统中液位、流量、温度信号中的一种或几种的组合达到设定条件时，控制系统自动切换控制模式，在总效率优先模式时，通过退火算法计算得到光伏光热热电联供系统内各闭环控制目标值，具体如下：
建立光伏光热热电联供系统的目标函数，以该系统全天总成本最小作为目标函数为：
式中，CCCHP为全天的总成本，Cdev(x)、CMO(x)、CCG(x)分别为所有设备的投资成本、所有设备的维护与运行成本和耗电成本，i为第i个设备，x为影响成本的参数，t为时刻，N为设备数量，K为电价，Ec,i(x)为耗电量，当为正值时，代表从电网输电至用户；当为负值时，表示电能从系统送至电网，
基于联供系统的容量特性因素，设定约束条件，
式中，PPV(x)为PV/T的电功率；Pgrid(x)为电网给用户的输电量，当为正值时表示电网输电给用户，当为负值表示系统送电至电网；PHP(x)为热泵耗电量；PLoad(x)为用户电负荷；PAux(x)为辅助加热耗电量；QPV/T(x)为PV/T制热量；QAux(x)为辅助加热热量；QHP(x)为热泵制热量；Qheatload(x)为用户热负荷；
根据目标函数和约束条件，基于模拟退火算法建立光伏光热热电联供系统调控模型。
2.根据权利要求1所述的可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，其特征在于：所述的自动启停方法包括：
系统内的所有设备在控制系统调度下依次完成启动准备自检、自动补水、主泵启动、自动联锁投入、自动闭环控制投入、启动完成自检；
系统内的所有设备在控制系统调度下依次完成停止准备自检、主泵停机、补水退出、用水回路切换、停止完成自检。
3.根据权利要求1所述的可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，其特征在于：所述的故障预警、报警和事故自动处理方法是基于数据驱动和机器学习，对系统的正常运行状态数据进行学习，利用学习得到的模型，分析当前状态与历史状态的差异程度，表征系统的异常情况。
4.根据权利要求2所述的可实现全自动运行调控的光伏光热综合利用系统调控方法，其特征在于：机器学习模型采用长短期记忆网络进行训练，将当前持续运行的历史数据输入到模型中，能够计算得到正常运行情况下的运行参数，若模型得到的数据与实际偏差较大，就预示着系统存在故障。
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