CN116594326A - 一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，包括如下步骤：S1：设置能量枢纽的多种参数控制的事件条件，采用事件触发通信机制，在触发事件条件时触发能量枢纽之间的通讯；多种参数控制的事件条件包括：热功率控制的事件条件、电功率控制的事件条件、频率控制的事件条件和压力控制的事件条件；S2：设置能量枢纽的多种参数的一致性控制律，在触发事件条件时，实现多种参数的调节和稳定控制。本发明采用事件触发通信机制，减少系统通信压力和计算负担，提高系统运行效率；设置能量枢纽的多参数的一致性控制率，准确协调电、热负荷功率，并将管道压力和系统频率控制在设定范围内；控制简单、计算量小、动态响应性好。
Description
技术领域
本发明涉及智慧能源系统控制领域，尤其涉及一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法。
背景技术
能量枢纽(Energy Hub，EH)作为智慧能源系统(Intelligent Energy System，IES)的重要组成部分单元，是一种集成多种形式能源输入和多元化的负荷类型的载体，具有转换和储存电、热复合能源的能力。利用EH对多能源系统建模，根据用户侧所需负荷情况，通过能源转换设备和存储设备对用户需求进行调度，实现各种形式能源的互补协同控制。
近年来，国内外对EH的研究主要集中在EH的建模、调度和底层控制方法上。对于EH建模问题，Moghaddam等通过考虑能源枢纽不同组成部分之间的潜在互连关系，提出了一种基于EH组成元素之间能量流动的建模方法，提高了IES灵活性和多样性。由于EH运行状态可以决定IES性能，许多研究工作着眼于EH调度问题，在数据和需求响应的不确定性下实现IES能源管理。对于IES底层控制方法，EH一致性协同控制算法得到关注与应用，但IES具有多能量载体和多能量转换的特点，不同的能源网络存在不同的时间尺度，常规基于电功率协同的一致性控制通信机制对于IES中热、气协同控制冗余度较大。因而，设计一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，针对不同类型能源的不同特性和能量耦合特征，设置事件条件和控制律，减少系统通信压力和计算负担。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，减少智慧能源系统的通信压力和计算负担。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，包括如下步骤：S1：设置能量枢纽的多种参数控制的事件条件，采用事件触发通信机制，在触发事件条件时触发能量枢纽之间的通讯；多种参数控制的事件条件包括：热功率控制的事件条件、电功率控制的事件条件、频率控制的事件条件和压力控制的事件条件；S2：设置能量枢纽的多种参数的一致性控制律，在触发事件条件时，实现多种参数的调节和稳定控制；多种参数的一致性控制律包括：热功率的一致性控制律、电功率的一致性控制律、频率的一致性控制律和压力的一致性控制律。
进一步地，所述步骤S1中热功率控制的事件条件和电功率控制的事件条件分别表示为：
其中，σi为热功率控制的事件触发系数；ρi为电功率控制的事件触发系数；t表示时间；和/>分别表示热功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>和/>分别表示电功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间热功率差值；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间电功率差值；/>表示第i个EH和相邻EH之间的热功率差值之和；/>表示第i个EH和相邻EH之间的电功率差值之和；||·||2表示二范数。
进一步地，所述步骤S1中频率控制的事件条件表示为：
其中，di为频率控制的事件触发系数；和/>分别表示频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间频率差值；/>为频率控制事件触发阈值；inf{·}表示下确界。
进一步地，所述步骤S1中压力控制的事件条件表示为：
其中，为压力控制的事件触发系数；/>和/>分别表示频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间压力差值；/>为压力控制事件触发阈值。
进一步地，所述步骤S2中热功率的一致性控制律表示为：
其中，LhN表示热输出功率额定值；Lh表示热输出功率实际值；kp表示压力调节系数；FN表示压力额定值，F表示压力实际值；RH表示热输出功率事件触发一致性控制器的增益系数；/> 表示第i个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率一致性调节量；/>表示第i个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率值；kpi表示第i个EH的压力调节系数；/> 表示第j个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率一致性调节量；表示第j个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率值；kpj表示第j个EH的压力调节系数；aij反映EH间连通情况，第i个EH和第j个EH间存在通信链路时aij为1，否则aij为0；n表示EH的个数。
进一步地，所述步骤S2中电功率的一致性控制律和频率的一致性控制律分别表示为：
其中，uei表示第i个EH电功率调节量；ufi表示第i个EH频率调节量；Re表示电功率事件触发一致性控制器的增益系数；分别表示第i个EH电功率控制最新事件触发时刻/>和第j个EH电功率控制最新事件触发时刻/>的电功率值；Peimax和Pejmax分别表示第i个EH和第j个EH的最大输出电功率；/>表示第i个EH电功率控制最新事件触发时刻/>的频率值；kqmax表示频率事件触发一致性控制器的增益系数。
进一步地，所述步骤S2中压力的一致性控制律表示为：
式中，upi(t)表示第i个EH压力调节量；RF表示压力事件触发一致性控制器的增益系数；和/>分别表示为第i个EH压力控制最新事件触发时刻/>和第j个EH压力控制最新事件触发时刻/>的压力值；/>表示热功率控制最新事件触发时刻的压力允许波动范围上边界；bil表示压力增益系数；Mi表示第i个EH压力控制事件触发次数。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，采用事件触发通信机制，根据条件触发的非周期控制方式，减少系统通信压力和计算负担，提高系统运行效率；设置能量枢纽的多参数的一致性控制率，在不确定性扰动情况下准确协调电、热负荷功率，并将管道压力和系统频率控制在设定范围内；控制简单、计算量小、动态响应性好。
附图说明
图1为本发明实施例中的IES结构示意图；
图2为本发明实施例中的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法流程图；
图3(a)为本发明实施例中基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法应用于IES时，电、热负荷减少情形下，电输出功率响应波形；
图3(b)为本发明实施例中基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法应用于IES时，电、热负荷减少情形下，热输出功率响应波形；
图3(c)为本发明实施例中基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法应用于IES时，电、热负荷减少情形下，频率响应波形；
图3(d)为本发明实施例中基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法应用于IES时，电、热负荷减少情形下，压力响应波形。
图中：
1、能源枢纽；2、热力支路；3、电气支路；4、热负荷；5、电负荷；11、热炉；12、热电联产；13、锅炉；14、变压器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明实施例中的IES结构示意图。
请参见图1，本发明实施例中的IES，包括多个EH能量枢纽1，EH之间通过热力支路2和电气支路3连接，热力支路2承担热负荷4，电气支路3承担电负荷5；EH能量枢纽1包括热炉11、热电联产(Cogeneration,combined heat and power，CHP)12、锅炉13、变压器14等装置，完成具有交互耦合特性的电、热复合能源转换或存储，实现IEM(Intelligent EnergyManagement，智慧能源管理)源荷功率响应平衡。根据图1，建立电网络动态模型为：
式(1)中，为t时刻第/>条电气支路母线电压，/>和/>分别为/>幅值和相角，分别为第/>条电气支路母线视在功率、有功功率、无功功率，/>为第/>条与第条电气支路母线间的导纳，Ne为电气支路母线数。
由于IES电、热能源网络具有不同响应时间尺度，电网络响应速度远快于热网络，因此考虑热网络调节时，可忽略电网络的调节过程，据此建立热网络动态模型为：
式(2)中，分别为t时刻第/>条热力支路x处管道温度和流量，ρ、分别为水密度和容量，/>和/>分别为第/>条热力支路导热系数和横截面积。
为了满足IEM复合能源共享需求，采用一致性控制方法实现各EH协调运行。但在传统一致性控制中，各EH需与相邻EH交互信息生成控制输入，由于电、热网络响应时间尺度差异，造成热网络中许多通信是冗余的，而过多通信会造成沉重计算负担。因此，采用基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，实现节省带宽和信号处理资源的同时，达成一致性控制目标。
请参见图2，本发明实施例中的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：设置能量枢纽的多种参数控制的事件条件，采用事件触发通信机制，在触发事件条件时触发能量枢纽之间的通讯；多种参数控制的事件条件包括：热功率控制的事件条件、电功率控制的事件条件、频率控制的事件条件和压力控制的事件条件；
设置EH热功率控制的事件条件和电功率控制的事件条件为：
式(3)中，其中，σi为热功率控制的事件触发系数；ρi为电功率控制的事件触发系数；t表示时间；和/>分别表示热功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>和/>分别表示电功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间热功率差值；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间电功率差值；/>表示第i个EH和相邻EH之间的热功率差值之和；/>表示第i个EH和相邻EH之间的电功率差值之和；||·||2表示二范数。
与EH电、热功率控制不同，电气支路频率控制和热力支路压力控制目标为实际值稳定在额定值，据此设置频率控制的事件条件为：
式(4)中，di为频率控制的事件触发系数；和/>分别表示频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间频率差值；/>为频率控制事件触发阈值；inf{·}表示下确界。
设置压力控制事件触发条件为：
式(5)中，和/>分别为频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻，/>为最近事件时刻和当前时时刻间压力差值，/>为压力控制的事件触发系数，/>为压力控制事件触发阈值。
步骤S2：设置能量枢纽的多种参数的一致性控制律，在触发事件条件时，实现多种参数的调节和稳定控制；多种参数的一致性控制律包括：热功率的一致性控制律、电功率的一致性控制律、频率的一致性控制律和压力的一致性控制律。
为实现各EH热输出功率精确分配，令EH热输出功率与调节系数kp之间满足一致性目标：
式中，Lhi(t)(i＝1,2…,n)为各EH热输出功率，n为EH数量。令则根据式(3)，/>可表示为：
由式(7)，设置基于事件触发的热输出功率的一致性控制律为：
式(8)中，LhN(t)为热输出功率额定值，kp为压力调节系数，FN和F分别压力额定值和实际值，RH为热输出功率事件触发一致性控制器的增益系数，aij反映EH间连通情况，第i个EH和第j个EH间存在通信链路aij为1，否则aij为0。
设置PI控制器Di(s)实现热功率误差调节并生成校正项δhi，则δhi＝Di(s)uhi。
为实现各EH电输出功率精确分配，令EH电输出功率与调节系数kq之间满足一致性目标：
式(9)中，Pei、Peimax(i＝1,2…,n)分别为各EH电输出功率值和最大功率值。由于IEM电力支路对频率变化具有较高敏感性，频率偏差会影响系统安全稳定允许。为了实现存在不确定性情况下维持频率稳定与电输出精确功率分配，根据式(3)和式(4)，可表示为：
由式(10)和式(11)，设计基于事件触发的电输出功率的一致性控制律和频率的一致性控制律分别为：
式(12)和式(13)中，uei和ufi分别为第i个EH电功率调节量和频率调节量，Re为电功率事件触发一致性控制器的增益系数；kqmax表示频率事件触发一致性控制器的增益系数。
设置PI控制器，实现满足Pei/Peimax＝Pej/Pejmax时，各EH电功率精确分配，并且当uei(t)和ufi(t)趋向于0时，频率维持额定值fN。
为实现热力支路压力控制在允许范围内，根据式(5)，可表示为：
式(14)中，Fi(t)分别第i个EH最新事件触发时刻与当前时刻的压力值。
由式(14)，设计基于事件触发的压力的一致性控制律为：
式中，upi(t)为第i个EH压力调节量，RF为压力事件触发一致性控制器的增益系数，为热功率控制最新事件触发时刻的压力允许波动范围上边界，bil为压力增益系数，Mi为第i个EH压力控制事件触发次数。
设置PI控制器Gi(s)实现压力误差upi调节并生成校正项δpi，则δpi＝Gi(s)upi。
本发明实施例中，利用DSP实验平台，验证基于事件触发的一致性控制方法的有效性和正确性。DSP实验平台的IEM实验系统具有3个电、热存储与转换EH，实验参数为：EH1热输出功率为982.3kW，电输出功率为2049.3kW；EH2热输出功率为471.5kW，电输出功率为981.8kW；EH3热输出功率为237.3kW，电输出功率为489.3kW；电气支路额定频率为50Hz，热力支路压力允许范围为1.08MPa-1.12MPa。
在电负荷、热负荷突降情况下，验证电输出功率、热输出功率、频率和压力响应性能。设置情形如下：IEM电负荷由3519kW突降至2950kW，热负荷由1691kW突降至1450kW。电输出功率、热输出功率、频率、压力动态响应情况如图3所示。由图3(a)-(b)分析可知，电负荷、热负荷突降情况下，事件触发通信机制设置有效，无需获取IEM网络参数，采用所提一致性控制方法即快速调节各EH电、热输出功率，实现功率准确分配目标。由于电负载需求发生突变，系统频率也发生了波动，图3(c)表明各EH频率经短暂调整，快速抑制电负荷变化引起的频率偏差，稳定维持在额定值50Hz。同时，由于热负载需求发生突变，压力也发生了波动，图3(d)表明热力支路压力控制在允许范围内，保证系统安全稳定运行。由电功率输出和频率响应波形分析可知，仅需约0.2s即可实现电气支路恢复平稳，而热功率输出和压力响应波形表明热力支路恢复平稳需150s，验证了合理设置事件触发通信机制的必要性。
综上所述，本发明实施例的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，采用事件触发通信机制，根据条件触发的非周期控制方式，减少系统通信压力和计算负担，提高系统运行效率；设置能量枢纽的多参数的一致性控制率，在不确定性扰动情况下准确协调电、热负荷功率，并将管道压力和系统频率控制在设定范围内；控制简单、计算量小、动态响应性好。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：设置能量枢纽的多种参数控制的事件条件，采用事件触发通信机制，在触发事件条件时触发能量枢纽之间的通讯；多种参数控制的事件条件包括：热功率控制的事件条件、电功率控制的事件条件、频率控制的事件条件和压力控制的事件条件；
S2：设置能量枢纽的多种参数的一致性控制律，在触发事件条件时，实现多种参数的调节和稳定控制；多种参数的一致性控制律包括：热功率的一致性控制律、电功率的一致性控制律、频率的一致性控制律和压力的一致性控制律。
2.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S1中热功率控制的事件条件和电功率控制的事件条件分别表示为：
其中，σi为热功率控制的事件触发系数；ρi为电功率控制的事件触发系数；t表示时间；和/>分别表示热功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>和/>分别表示电功率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间热功率差值；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间电功率差值；/>表示第i个EH和相邻EH之间的热功率差值之和；/>表示第i个EH和相邻EH之间的电功率差值之和；·2表示二范数。
3.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S1中频率控制的事件条件表示为：
其中，di为频率控制的事件触发系数；和/>分别表示频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间频率差值；/>为频率控制事件触发阈值；inf{·}表示下确界。
4.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S1中压力控制的事件条件表示为：
其中，为压力控制的事件触发系数；/>和/>分别表示频率控制的最新事件时刻和下一个事件时刻；/>表示最近事件时刻和当前时刻之间压力差值；/>为压力控制事件触发阈值。
5.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S2中热功率的一致性控制律表示为：
其中，LhN表示热输出功率额定值；Lh表示热输出功率实际值；kp表示压力调节系数；FN表示压力额定值，F表示压力实际值；RH表示热输出功率事件触发一致性控制器的增益系数；
表示第i个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率一致性调节量；/>表示第i个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率值；kpi表示第i个EH的压力调节系数；
表示第j个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率一致性调节量；/>表示第j个EH热功率控制最新事件触发时刻/>的热输出功率值；kpj表示第j个EH的压力调节系数；
aij反映EH间连通情况，第i个EH和第j个EH间存在通信链路时aij为1，否则aij为0；n表示EH的个数。
6.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S2中电功率的一致性控制律和频率的一致性控制律分别表示为：
其中，uei表示第i个EH电功率调节量；ufi表示第i个EH频率调节量；Re表示电功率事件触发一致性控制器的增益系数；分别表示第i个EH电功率控制最新事件触发时刻/>和第j个EH电功率控制最新事件触发时刻/>的电功率值；Peimax和Pejmax分别表示第i个EH和第j个EH的最大输出电功率；/>表示第i个EH电功率控制最新事件触发时刻/>的频率值；kqmax表示频率事件触发一致性控制器的增益系数。
7.如权利要求1所述的基于事件触发的智慧能源系统一致性控制方法，其特征在于，所述步骤S2中压力的一致性控制律表示为：
式中，upi(t)表示第i个EH压力调节量；RF表示压力事件触发一致性控制器的增益系数；和/>分别表示为第i个EH压力控制最新事件触发时刻/>和第j个EH压力控制最新事件触发时刻/>的压力值；/>表示热功率控制最新事件触发时刻的压力允许波动范围上边界；bil表示压力增益系数；Mi表示第i个EH压力控制事件触发次数。
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