研究背景

近年來(lái)，冷、熱、電三聯(lián)供（CCHP）分布式能源系統(tǒng)得到了各國(guó)政府的認(rèn)同和應(yīng)用，已成為各國(guó)節(jié)能和改善環(huán)境的重要舉措之一，CCHP分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能減排主要體現(xiàn)在減少建筑物能耗方面。制定合理、高效的CCHP優(yōu)化策略對(duì)提高清潔能源的消納水平、實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用具有重大意義。

在綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度與控制中，可再生能源出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度對(duì)調(diào)度結(jié)果有很大影響，而預(yù)測(cè)模型的精度具有隨時(shí)間尺度減小而不斷提高的特點(diǎn)，但只依靠頻繁調(diào)用預(yù)測(cè)模型減小預(yù)測(cè)時(shí)間尺度將增大計(jì)算負(fù)擔(dān)，因此可以結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制（MPC），通過(guò)預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋矯正減小預(yù)測(cè)誤差與不確定性帶來(lái)的影響。

論文所解決的問(wèn)題及意義

為提高CIES的關(guān)鍵設(shè)備在變工況運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，本文以上海世博園區(qū)B片區(qū)綜合能源站為研究對(duì)象，構(gòu)建基于MPC的CCHP區(qū)域綜合能源站運(yùn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

其中滾動(dòng)優(yōu)化階段基于MPC以最大化綜合能源系統(tǒng)的日收益為目標(biāo)，結(jié)合機(jī)組啟停懲罰成本，構(gòu)建混合整數(shù)線性滾動(dòng)優(yōu)化模型，以此制定大時(shí)間尺度下的能源上游關(guān)鍵設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃；基于滾動(dòng)優(yōu)化階段制定的調(diào)度計(jì)劃，在較小的時(shí)間尺度上根據(jù)超短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)建立以最小化功率調(diào)整懲罰成本為目標(biāo)函數(shù)的混合整數(shù)線性規(guī)劃滾動(dòng)優(yōu)化模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整能源上游關(guān)鍵設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖1 上海世博園區(qū)B片區(qū)能源站系統(tǒng)

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)上海世博園區(qū)B片區(qū)綜合能源站的優(yōu)化，主要采用MPC尋找收益最優(yōu)解。目標(biāo)函數(shù)為典型日收益最大化，同時(shí)根據(jù)典型日負(fù)荷曲線進(jìn)行求解，獲得系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行策略。優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程

本文提出的基于MPC的多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化策略原理如圖3所示。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于預(yù)測(cè)誤差和電、熱、冷負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，滾動(dòng)優(yōu)化階段制定的調(diào)度計(jì)劃與實(shí)際的負(fù)荷需求有偏差，因而需要進(jìn)行小時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖3 基于MPC的多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化策略

基于本文所提出的基于MPC的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法，本文對(duì)05月12日和01月09日兩個(gè)典型日的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化。冬夏兩季的優(yōu)化方案與現(xiàn)有運(yùn)行方案的對(duì)比分別如圖4～圖5所示。

圖4 夏季運(yùn)行方案優(yōu)化前后供冷量對(duì)比

圖5 冬季運(yùn)行方案優(yōu)化前后供熱量對(duì)比

結(jié)論

本文建立了以日收益最大為目標(biāo)的含儲(chǔ)能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略，分別對(duì)夏季和冬季典型日進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化，得到夏季和冬季典型日最優(yōu)運(yùn)行策略。通過(guò)與夏季和冬季典型日的原有運(yùn)行策略相比較，日累計(jì)收益分別提高了27.4%和15.6%。本文所提的基于MPC的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法能夠提高綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和供能可靠性，對(duì)其他類似綜合能源系統(tǒng)有一定的參考意義。

本文編自2022年第4期《電氣技術(shù)》，論文第一作者為楊海濤，1976年生，博士，主要從事新能源消納、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化控制及電力市場(chǎng)營(yíng)銷等方面的研究工作。本課題得到了國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目的支持。

引用本文

楊海濤， 江晶晶， 趙敏， 趙鋒， 竇真蘭. 基于模型預(yù)測(cè)控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法[J]. 電氣技術(shù)， 2022, 23(4): 7-13. YANG Haitao, JIANG Jingjing, ZHAO Min, ZHAO Feng, DOU Zhenlan. Operational optimization method of regional integrated energy system based on model predictive control. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 7-13.