[发明专利]基于模型预测控制的电氢耦合系统灵活裕度计算方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的电氢耦合系统灵活裕度计算方法，其特征是，它包括以下内容：

1)构建电氢耦合系统状态空间模型

①风电场模型为：

C_wdx_w＝0＝ζ_w-η_gen，wp_gen，wΔt-w_w (1)

其中，C_w表示风电场储能的容量，dx_w为风电场的荷电状态变化值，ζ_w为对风速数据的收集计算风电场收集的风能；η_gen，w为风电场本身的发电效率；p_gen，w为风电场的输出功率；w_w为调度周期的弃风量，Δt为采样时间；

②光伏站模型为：

C_pvdx_pv＝0＝ζ_pv-η_gen，pvp_gen，pvΔt-w_pv (2)

其中，C_pv表示光伏站储能的容量，dx_pv为光伏站的荷电状态变化值，ζ_pv为对辐照数据的收集计算光伏站收集的太阳能，η_gen，pv为光伏电厂本身的发电效率，p_gen，pv为光伏站的输出功率，w_pv为调度周期的弃光量，Δt为采样时间；

③电池储能模型为：

C_bdx_b＝η_load，bp_load，bΔt-η_gen，bp_gen，bΔt (3)

其中，C_b表示电池储能的容量，dx_b为电池的荷电状态变化值，η_load，b为电池的充电效率，p_1oad，b为电池的充电功率，η_gen，b表示电池的放电效率，p_gen，b为电池的放电功率，Δt为采样时间；

④氢储能系统模型

C_hdx_h＝ζ_h+η_load，hp_1oad，hΔt-η_gen，hp_gen，hΔt (4)

其中，C_h表示储氢罐的容量，dx_h为电池的荷氢状态变化值，ζ_h为氢气供给与供需，η_load，h表示电解槽的制氢效率，p_load，h为电解槽功率，η_gen，h表示燃料电池的发电效率，p_gen，h为燃料电池的输出功率，Δt为采样时间；

⑤燃气机组模型为：

C_fdx_f＝ζ_f-η_gen，fp_gen，fΔt (5)

其中，C_f表示储气罐的容量，dx_f为储气罐的荷气状态变化值，ζ_f为燃气输入量，η_gen，f为燃气发电效率，p_gen，f为燃气机组的输出功率，Δt为采样时间；

2)模型所需满足的约束条件

①爬坡约束：机组与负荷爬坡率约束

dp_{load，i，min}≤dp_load，i≤dp_{load，i，max} (6)

其中，dp_{load，i，min}与dp_{load，i，max}分别为负荷爬坡率下限和上限值；

dp_{gen，i，min}≤dp_gen，i≤dp_{gen，i，max} (7)

其中，dp_{gen，i，min}与dp_{gen，i，max}分别为机组爬坡率下限和上限值；

②输出功率约束：系统负荷与出力约束

0≤kp_{load，i，min}≤kp_load，i≤kp_{load，i，max} (8)

其中，p_{load，i，min}与p_{load，i，max}分别为负荷需求下限和上限值，k为二进制数，表示是否存在负荷需求，1为存在，0为不存在；

0≤Xp_{gen，i，min}≤Xp_gen，i≤Xp_{gen，i，max} (9)

其中，p_{gen，i，min}与p_{gen，i，max}分别为机组出力下限和上限值，X为二进制数，表示是否存在机组出力，1为存在，0为不存在；

③储能约束：荷电状态与储能容量约束

其中，x_min与x_max分别为荷电状态下限和上限值，C_i表示储能容量，存在储能时C＞0，否则C＝0时，无荷电状态约束；

④可再生能源弃用约束：能源输入/消耗与溢出能量约束

其中，ζ_i为系统外部输入能源与系统能源需求的差值；w_i为溢出能量值，当ζ_i＞0表示系统存在能源过剩；w_i≥0表示存在弃风、弃光；ζ_i＜0表示系统存在能源短缺；

电氢耦合系统的状态空间离散方程为：

y(k)＝Cx(k)

其中，x_w为风电场的荷电状态，ζ_w为对风速数据的收集计算风电场收集的风能，η_gen，w为风电场本身的发电效率，p_gen，w为风电场的输出功率，w_w为调度周期的弃风量，x_pv为光伏站的荷电状态，ζ_pv为对辐照数据的收集计算光伏站收集的太阳能，η_gen，pv为光伏电厂本身的发电效率，p_gen，pv为光伏站的输出功率，w_pv为调度周期的弃光量，C_b表示电池储能的容量，x_b为电池的荷电状态，η_load，b为电池的充电效率，p_load，b为电池的充电功率，η_gen，b表示电池的放电效率，p_gen，b为电池的放电功率，C_h表示储氢罐的容量，x_h为电池的荷氢状态，ζ_h为氢气供给与供需，η_load，h表示电解槽的制氢效率，p_load，h为电解槽功率，η_gen，h表示燃料电池的发电效率，p_gen，h为燃料电池的输出功率；ζ_f为燃气输入量，x_f为储气罐的荷气状态，η_gen，f为燃气发电效率，p_gen，f为燃气机组的输出功率，k为当前时刻，k+1为下一时刻，Δt为采样时间，y为被控输出变量，C为输出矩阵；

电氢耦合系统的状态变量为：

x(k)＝[x_w(k)，x_pv(k)，x_b(k)，x_h(k)，x_f(k)]^T (13)

其中，x_w为风电场的荷电状态，x_pv为光伏站的荷电状态，x_b为电池的荷电状态，x_h为电池的荷氢状态，x_f为储气罐的荷气状态，k为当前时刻；

电氢耦合系统的控制变量为：

u(k)＝[p_gen，w(k)，p_gen，pv(k)，p_gen，b(k)，p_load，b(k)，p_gen，h(k)，p_load，h(k)，p_gen，f(k)，w_w(k)，w_pv(k)]^T (14)

其中，p_gen，w为风电场的输出功率，p_gen，pv为光伏站的输出功率，p_load，b为电池的充电功率，p_gen，b为电池的放电功率，p_load，h为电解槽功率，p_gen，h为燃料电池的输出功率，w_w为调度周期的弃风量，w_pv为调度周期的弃光量，k为当前时刻；

电氢耦合系统的扰动变量为：

d(k)＝[ξ_w(k)，ξ_pv(k)，ξ_h(k)，ξ_f(k)]^T (15)

其中，ζ_w为对风速数据的收集计算风电场收集的风能，ζ_pv为对辐照数据的收集计算光伏站收集的太阳能，ζ_h为氢气供给与供需，ζ_f为燃气输入量，k为当前时刻；

电氢耦合系统的输出变量为：

y(k)＝[x_b(k)，x_h(k)]^T (16)

其中，x_b为电池的荷电状态，x_h为电池的荷氢状态；

电氢耦合系统中系统矩阵、控制矩阵和输出矩阵为：

其中：A为系统矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵，η_gen，w为风电场本身的发电效率，η_gen，pv为光伏电厂本身的发电效率，C_b表示电池储能的容量，η_load，b为电池的充电效率，η_gen，b表示电池的放电效率，C_h表示储氢罐的容量，η_load，h表示电解槽的制氢效率，η_gen，h表示燃料电池的发电效率，η_gen，f为燃气发电效率；

3)对基于模型预测控制的电氢耦合系统功率调控求解

①电氢耦合系统功率调控函数为：

其中：N_p为预测时域，N_c为控制时域，Q，R为权重矩阵，j为1，2，3…N_p的常数，J为目标函数，y为输出变量，y_ref为状态量参考轨迹，k为当前时刻，Δu为控制增量；

4)电氢耦合系统的评价指标为：

①爬坡功率不满足指标为：

其中，E_IR为爬坡功率不满足指标，dp_gen，i，为机组爬坡功率，dp_load，i，为负荷爬坡功率，dP_net，t表示t时刻净负荷爬坡率；ρ_s表示在s场景中灵活裕度不足概率；N_T表示系统调度区间数；β_s，t表示灵活裕度不足次数；N_G表示发电机组数；N_L表示负荷数；

②出功率不满足指标

其中，E_IO为输出功率不满足指标，P_net，t表示t时刻净负荷功率，p_gen，i，为机组输出功率，p_load，i，为负荷功率，ρ_s表示在s场景中灵活裕度不足概率；N_T表示系统调度区间数；N_G表示发电机组数；N_L表示负荷数；

③供电能不满足指标：

其中，E_IC为提供电能不满足指标，P_net，t表示t时刻净负荷功率，p_gen，i，为机组输出功率，p_load，i，为负荷功率，ρ_s表示在s场景中灵活裕度不足概率；N_T表示系统调度区间数；N_G表示发电机组数；N_L表示负荷数。