[发明专利]一种零能耗建筑系统电-氢-热双层能量优化调控方法

权利要求书

1.一种零能耗建筑系统电-氢-热双层能量优化调控方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤S1、零能耗建筑系统状态空间模型；

步骤S2、构造经济优化目标函数及约束；

步骤S3、提出状态控制功率偏差修正策略；

步骤S4、提出双层能量优化调控策略。

2.根据权利要求1所述的零能耗建筑系统电-氢-热双层能量优化调控方法，其特征在于，所述步骤S1零能耗建筑系统状态空间模型具体步骤如下：

系统控制变量矩阵、状态变量矩阵、输出变量矩阵、扰动变量矩阵为：

其中：x为状态变量，u为控制变量，y为输出变量，w为扰动变量，W_h为建筑热负荷扰动，E_h为储热罐储热量，W_H2为氢负荷扰动，P_el为电解槽功率，P_bat为蓄电池功率，P_fc为燃料电池功率，LOH为氢水平，SOC为荷电状态；

零能耗建筑系统线性离散系统状态空间标准表达为：

其中：A为系统矩阵，B为控制矩阵，M_w为扰动矩阵，C为输出矩阵，x为状态变量，u为控制变量，y为输出变量，w为扰动变量，k为当前时刻，k+1为下一时刻；

零能耗建筑系统中系统矩阵、控制矩阵、输出矩阵、扰动矩阵为：

其中：α1、α2、α3、α4、α5为常数，A为系统矩阵，B为控制矩阵，M_w为扰动矩阵，C为输出矩阵。

3.根据权利要求1所述的零能耗建筑系统电-氢-热双层能量优化调控方法，其特征在于，所述步骤S2、构造经济优化目标函数及约束具体步骤如下：

零能耗建筑系统的预测净功率值为：

P_net＝P_wt+P_pv-P_load-P_ev-P_grid (4)

其中：P_wt为风机预测功率值，P_pv为光伏预测功率值，P_load为建筑用电负荷预测值，P_ev为电动汽车充电功率，P_grid为峰时并网协议功率，P_net为预测净功率值；

零能耗建筑系统净功率修正量为：

ΔP_net＝ΔP_wt+ΔP_pv-ΔP_load (5)

其中：ΔP_wt为风机功率修正量，ΔP_pv为光伏功率修正量，ΔP_load为建筑用电负荷修正量，ΔP_net为净功率修正量；

零能耗建筑系统功率平衡方程表示为：

P_el+P_fc+P_bat＝P_net+ΔP_net (6)

其中：P_el为电解槽功率，P_bat为蓄电池功率，P_fc为燃料电池功率，P_net为预测净功率值，ΔP_net为净功率修正量；

总经济优化目标函数由各控制设备经济目标函数之和构成，表示为：

minJ_total＝J_el+J_fc+J_bat (7)

其中：J_total为总经济优化目标函数，J_bat为蓄电池经济目标函数，J_el为电解槽经济目标函数，J_fc为燃料电池经济目标函数，min为最小值；

电解槽经济目标函数表示为：

其中：J_el为电解槽经济目标函数，P_el,up为电解槽经济优化功率，C_el为电解槽投资成本，C_el,om为电解槽运维成本，L_el为电解槽运行寿命，C_el,on为电解槽启动成本，C_el,off为电解槽停机成本，δ_el为电解槽运行变量(0-1变量)，δ_el,on为电解槽启动变量(0-1变量)，δ_el,off为电解槽停机变量(0-1变量)，Z_el为引入电解槽辅助变量，T₁为经济优化采样时间，k为当前时刻；

引入电解槽辅助变量与启停定义为：

其中：δel为电解槽运行变量(0-1变量)，δel,on为电解槽启动变量(0-1变量)，δel,off为电解槽停机变量(0-1变量)，Z_el为引入电解槽辅助变量，P_el,up为电解槽经济优化功率，k为当前时刻，k-1为上一时刻；

线性化后电解槽功率约束表示为：

其中：为电解槽经济优化最小运行功率，为电解槽经济优化最大运行功率，P_el,up为电解槽经济优化功率，δ_el为电解槽运行变量(0-1变量)，Z_el为引入电解槽辅助变量，k为当前时刻；

电解槽经济优化运行功率上下限值为：

其中：为电解槽经济优化最小运行功率，为电解槽经济优化最大运行功率，P_el,N为电解槽额定运行功率，LOH_max为氢水平最大值，LOH为氢水平，P_el,up为电解槽经济优化功率，k为当前时刻，α1为常数，min为最小值；

电解槽启停约束为：

其中：δ_el为电解槽运行变量(0-1变量)，δ_el,on为电解槽启动变量(0-1变量)，δ_el,off为电解槽停机变量(0-1变量)，k为当前时刻，k-1为上一时刻；

燃料电池经济目标函数表示为：

其中：J_fc为燃料电池经济目标函数，P_fc,up为燃料电池经济优化功率，C_fc为燃料电池投资成本，C_fc,om为燃料电池运维成本，L_fc为燃料电池运行寿命，C_fc,on为燃料电池启动成本，C_fc,off为燃料电池停机成本，δ_fc为燃料电池运行变量(0-1变量)，δ_fc,on为燃料电池启动变量(0-1变量)，δ_fc,off为燃料电池停机变量(0-1变量)，Z_fc为引入燃料电池辅助变量，T1为经济优化采样时间，k为当前时刻；

引入燃料电池辅助变量与启停定义为：

其中：δ_fc为燃料电池运行变量(0-1变量)，δ_fc,on为燃料电池启动变量(0-1变量)，δ_fc,off为燃料电池停机变量(0-1变量)，Z_fc为引入燃料电池辅助变量，P_fc,up为燃料电池经济优化功率，k为当前时刻，k-1为上一时刻；

线性化后燃料电池功率约束表示为：

其中：为燃料电池经济优化最小运行功率，为燃料电池经济优化最大运行功率，P_fc,up为燃料电池经济优化功率，δ_fc为燃料电池运行变量(0-1变量)，Z_fc为引入燃料电池辅助变量，k为当前时刻；

燃料电池经济优化运行功率上下限值为：

其中：为燃料电池最小运行功率，为燃料电池最大运行功率，P_fc,N为燃料电池额定运行功率，LOH_min为氢水平最小值，LOH为氢水平，k为当前时刻，α₂为常数，min为最小值；

燃料电池启停约束为：

其中：δ_fc为燃料电池运行变量(0-1变量)，δ_fc,on为燃料电池启动变量(0-1变量)，δ_fc,off为燃料电池停机变量(0-1变量)，k为当前时刻，k-1为上一时刻；

蓄电池任意k时刻经济优化功率可表示为：

P_bat,up(k)＝P_bat,ch,up(k)-P_bat,dis,up(k) (18)

其中：P_bat,up为蓄电池经济优化功率，P_bat,ch,up为蓄电池经济优化充电功率，P_bat,dis,up为蓄电池经济优化放电功率，k为当前时刻；

蓄电池经济目标函数表示为：

其中：J_bat为蓄电池经济目标函数，C_bat为蓄电池投资成本，H_bat为蓄电池最大循环充放次数，δ_bat,ch和δ_bat,dis分别为蓄电池充放电运行状态变量(0-1变量)，Z_bat,ch和Z_bat,dis为引入蓄电池充放电辅助变量，E_bat为蓄电池额定容量，P_bat,ch,up为蓄电池经济优化充电功率，P_bat,dis,up为蓄电池经济优化放电功率，T1为经济优化采样时间，k为当前时刻；

引入蓄电池辅助变量定义为：

其中：δ_bat,ch和δ_bat,dis分别为蓄电池充放电运行状态变量(0-1变量)，Zbat,ch和Z_bat,dis分别为引入蓄电池充放电辅助变量，P_bat,ch,up为蓄电池经济优化充电功率，P_bat,dis,up为蓄电池经济优化放电功率，k为当前时刻；

蓄电池充放电功率约束表示为：

其中：δ_bat,ch和δ_bat,dis分别为蓄电池充放电运行状态变量(0-1变量)，为蓄电池最大充电功率，为蓄电池最大放电功率，Z_bat,ch和Z_bat,dis分别为引入蓄电池充放电辅助变量，为蓄电池最小充电功率，为蓄电池最小放电功率，P_bat,ch,up为蓄电池经济优化充电功率，P_bat,dis,up为蓄电池经济优化放电功率，k为当前时刻；

其中：为蓄电池最大充电功率，为蓄电池最大放电功率，为蓄电池最小充电功率，为蓄电池最小放电功率P_bat,ch,N为蓄电池额定充电功率，P_bat,dis,N为蓄电池额定放电功率，SOC_min为荷电状态最小值，SOC_max为荷电状态最大值，SOC为荷电状态，k为当前时刻，α₃为常数，min为最小值；

蓄电池不同时充放电约束为：

δ_bat，dis(k)+δ_bat，ch(k)≤1 (23)

其中：δ_bat,ch和δ_bat,dis分别为蓄电池充放电运行状态变量(0-1变量)，k为当前时刻；

经济优化功率平衡等式约束

P_el,up(k)+P_fc,up(k)+P_bat,up(k)＝P_net(k) (24)

其中：P_el,up为电解槽经济优化功率，P_fc,up为燃料电池经济优化功率，P_bat,up为蓄电池经济优化功率，P_net为预测净功率值，k为当前时刻；

电解槽与燃料电池不同时工作约束为：

δ_el(k)+δ_fc(k)≤1 (25)

其中：δ_el为电解槽运行变量(0-1变量)，δ_fc为燃料电池运行变量(0-1变量)，k为当前时刻；

储热约束

0≤E_h(k)≤E_h,max (26)

其中：E_h,max为储热罐储热最大值，E_h为储热罐储热量，k为当前时刻。