CN112103994B - 一种基于mpc的风氢耦合系统分层协调控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法及装置，包括如下步骤：(1)将风氢耦合系统划分为上层并网控制和下层电解槽控制；(2)上层并网控制采用MPC控制算法控制并网功率跟踪风功率预测曲线，同时得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量；(3)将电解槽单体的运行状态划分为额定功率运行、波动功率运行、过载功率运行和停机四种运行状态；(4)基于电解槽功率控制量采用时间‑功率双线轮换控制策略确定各电解槽单体的运行状态使得电解槽单体轮流运行在四种运行状态之一。与现有技术相比，本发明方法及装置提升了系统控制的精确性和调度性，延长碱性电解阵列使用寿命，提高系统运行安全性。

Description

一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种风氢耦合系统控制方法及装置，尤其是涉及一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法及装置。
背景技术
随着传统化石能源的逐渐枯竭，对新能源的开发利用是当今的研究热点。以风能为代表的清洁能源越来越受到人们的关注，但是由于其波动性和随机性，风力发电并网率一直处于较低水平，大量风能转换的电能不得不被放弃而产生能源的浪费。另一方面，氢能作为一种能量密度高的清洁燃料同样受到很多关注，但是电能制氢的成本阻碍氢气大规模应用。将两者互相结合是一个两全其美的想法，即解决了弃风问题，也可以使得氢气生产成本得以大幅降低，推进氢气这一清洁能源的发展。
风氢耦合系统并网运行时，风机将风能转化为电能，通过集电线将能量输送至电网，同时电解槽系统作为平抑风电波动的储能设备消耗一部分电能。当电网部分断开时则为离网运行状态，此时，风功率全部由电解槽消纳制氢。一般大型的风电场都属于并网型，将大部分风电功率经过储能系统平滑以后并网消纳，常见于海上风电场和大型陆地风电场；离网型系统容量一般较小，可再生能源经过变流器之后全部输送至储能或电解槽制氢系统消纳，常见于海岛、偏远地区的小规模发电。
实际大型的风氢耦合系统中，由于单个电解槽设备容量有限，所以电解槽系统是由多个电解槽单体组合而成，如果对电解槽系统内部功率分配不加以调节，风电的随机性和不稳定性将会引起电解槽工作点的随机漂移，从而影响电解槽的制氢、寿命和效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)将风氢耦合系统划分为上层并网控制和下层电解槽控制；
(2)上层并网控制采用MPC控制算法控制并网功率跟踪风功率预测曲线，同时得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量；
(3)将电解槽单体的运行状态划分为额定功率运行、波动功率运行、过载功率运行和停机四种运行状态；
(4)基于电解槽功率控制量采用时间-功率双线轮换控制策略确定各电解槽单体的运行状态使得电解槽单体轮流运行在四种运行状态之一。
优选地，步骤(2)具体为：
(21)构建基于动态矩阵控制的预测模型：
Figure GDA0003353000880000021
x(k)为状态量，u(k)为控制输入，d(k)为扰动，y(k)为输出，A、Bu、Bd、C、D为系数矩阵，具体为：
Figure GDA0003353000880000022
u(k)＝Pel(k)，y(k)＝PG(k)，d(k)＝PW(k)，
Figure GDA0003353000880000023
Figure GDA0003353000880000024
D＝[0 0]，
其中，k为采样时刻，PG(k)表示并网功率，P(k)表示储氢罐的压力，Pel(k)表示电解槽功率控制量，PW(k)表示风电场风机功率，η表示电解槽消耗的电能转化为一定量体积氢能的转化效率，T为采样时间间隔，V为储氢罐的容积，p0为标准大气压，p0＝0.1MPa；
(22)构建约束：
Pelmin＜Pel(k)＜Pelmax，
Pmin＜P(k)＜Pmax，
Pelmin为电解槽阵列最小功率，Pelmax为电解槽阵列最大功率，Pmin为储氢罐系统最小压力，Pmax为储氢罐系统最大压力；
(23)构建目标函数：
Figure GDA0003353000880000031
其中，P表示动态矩阵控制的预测长度，M表示动态矩阵控制的控制长度，PW′(k+i)表示风功率预测曲线中k+i时刻风功率预测值，PG(k+i|k)表示k预测时刻预测输出的k+i时刻的并网功率，ΔPel(k+j-1)表示k+j-1时刻电解槽功率控制量增量，qi、rj分别为从k时刻起的第i时刻误差输出权重系数和控制增量权重系数；
(24)根据预测模型和约束条件，求出使得目标函数最优的M个电解槽功率控制量增量，基于第一个控制增量得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量。
优选地，步骤(4)具体为：
(41)将电解槽阵列中的电解槽单体依次排序，确定轮换周期，每一轮换周期到达时调整电解槽单体排列顺序；
(42)在每个轮换周期初始时刻，根据电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，按照当前电解槽单体排列顺序从位于首位的电解槽单体开始向后依次分配各电解槽单体的运行状态，在轮换周期时间段内，当电解槽功率控制量发生波动，则根据当前电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准，将上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体仍然配置为波动功率运行状态，同时向前依次配置各电解槽单体的运行状态直至到达首位电解槽单体后从末位电解槽单体向前继续依次配置各电解槽单体的工作状态直至到达处于波动功率运行状态的电解槽单体。
优选地，步骤(41)调整电解槽单体排列顺序的具体方式为：将上一轮轮换周期中位于首位的电解槽单体移动至末位。
优选地，步骤(42)每个轮换周期初始时刻以及轮换周期时间段内确定电解槽单体的数量具体方式为：
(421)根据电解槽功率控制量Pel和电解槽阵列实际配置容量Ppz确定电解槽阵列是否处于过载状态，若Pel≤Ppz则未过载，执行步骤(422)，否则过载，执行步骤(423)，其中Ppz＝nPe，Pe为电解槽单体额定功率，n为电解槽单体配置总数量；
(422)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为额定功率运行状态的电解槽单体个数N11、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N12以及配置为停机运行状态的电解槽单体的个数N13，满足N11+N12+N13＝n；
(423)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为过载功率运行状态的电解槽单体个数N21、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N22以及配置为额定功率运行状态的电解槽单体的个数N23，满足N21+N22+N23＝n。
优选地，步骤(422)N11、N12、N13具体为：
Figure GDA0003353000880000041
其中，
Figure GDA0003353000880000042
表示向下取整，
若N11＝n，则N12＝N13＝0，所有电解槽单体均配置为运行于额定功率运行状态，
若N11＜n，则N12＝1，N13＝n-N11-1。
优选地，步骤(423)N21、N22、N23具体为：
首先，确定过载量POL＝Pel-nPe，
然后，通过下式获取N21，
Figure GDA0003353000880000043
其中，
Figure GDA0003353000880000044
表示向下取整，
最后，若
Figure GDA0003353000880000045
则N22＝0，N23＝n-N21，若
Figure GDA0003353000880000046
则N22＝1，N23＝n-N21-1，
Figure GDA0003353000880000047
为电解槽的过载系数。
优选地，步骤(42)每个轮换周期初始时刻分配电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N11个电解槽单体运行于额定功率运行状态、N12个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N13个电解槽单体运行于停机运行状态；
若处于过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N21个电解槽单体运行于过载功率运行状态、N22个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N23个电解槽单体运行于额定功率运行状态。
优选地，步骤(42)在轮换周期时间段内以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准向前配置各电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和停机运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和停机运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或停机运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置未配置完成的另一种运行状态；
若处于过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和过载运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和过载运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或过载运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置另一种运行状态。
一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制装置，该装置包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述的计算机程序时实现所述的基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明整个系统采用分层控制策略，上层的MPC控制算法(模型预测控制)从系统层面出发，在并网条件下将风功率尽可能地并网消纳，下层的电解槽控制策略协调各个电解槽单体的功率分配；
(2)本发明将风功率预测与动态矩阵控制相结合，通过预测的风功率制订并网功率的调度计划，并运用动态矩阵控制算法提高并网功率的跟踪精准度；
(3)本发明下层采用时间-功率双线轮换控制策略，每一轮换周期到达时调整电解槽单体排列顺序即实现了基于时间的轮换，在轮换周期内根据电解槽功率控制量，以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准，配置其他电解槽单体的运行状态即实现了基于功率的轮换，通过基于时间的轮换可以避免电解槽由于停机时间过长而导致的温度下降影响电解槽的反应速度，基于功率的轮换可以避免因功率低于产氢安全功率时间过长而存在的安全隐患，双线轮换策略可以延长系统使用寿命和系统运行安全性。
附图说明
图1为本发明一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法的流程框图；
图2为本发明DMC控制时域图；
图3为本发明动态矩阵控制流程图；
图4为本发明实施例中张北某风场某日一台2MW风机的风功率预测曲线；
图5为本发明实施例中跟踪效果图及电解槽功率曲线；
图6为本发明时间-功率双线轮换控制策略下电解槽功率曲线；
图7为无时间-功率双线轮换控制策略下电解槽功率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)将风氢耦合系统划分为上层并网控制和下层电解槽控制；
(2)上层并网控制采用MPC控制算法控制并网功率跟踪风功率预测曲线，同时得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量；
(3)将电解槽单体的运行状态划分为额定功率运行、波动功率运行、过载功率运行和停机四种运行状态；
(4)基于电解槽功率控制量采用时间-功率双线轮换控制策略确定各电解槽单体的运行状态使得电解槽单体轮流运行在四种运行状态之一。
本发明上层控制策略为基于MPC(模型预测控制)的系统层面控制策略，目的是在并网工况下，使得并网功率最大程度上跟随风功率预测得到的并网调度指令。下层控制策略为电解槽内部控制策略，旨在优化电解槽系统的工作状态以达到延长电解槽系统使用寿命和提高系统运行安全性的目的。
模型预测控制(MPC)是一类特殊的控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。预测控制的算法有几十种，其中具有代表性的主要有模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)和广义预测控制(GPC)等。其中动态矩阵控制采用的是工程上易于测取的对象阶跃响应做模型。其算法较简单，计算量少且鲁棒性强，采用了增量算法，是基于系统阶跃响应的算法，在控制中包含了数字积分环节，对消除系统静差非常有效，这是DMC算法的显著优越之处，在石化工业中得到了广泛的应用，本发明即采用动态矩阵控制(DMC)对风氢耦合系统进行控制。尽管预测控制算法形式多种多样，就一般意义来说，预测控制算法都包含预测模型、滚动优化和反馈校正三个主要部分。其中预测模型泛指具有预测功能的信息集合，不论其具有什么表现形式，均可作为预测模型。滚动优化是预测控制的最主要特征，预测控制通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用，这一性能指标涉及到系统未来的行为，通常可取对象输出在未来的采样点上跟踪某一期望轨迹的方差为最小。预测控制中优化不是一次离线进行，而是反复在线进行的，这就是滚动优化的含义，这也是预测控制区别于传统最优控制的根本特点。预测控制都把优化建立在系统实际的基础上，并力图在优化时对系统未来的动态行为作出较准确的预测。因此，预测控制中的优化不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因而构成了闭环优化。如图2所示为DMC控制时域图，考虑优化时域P的条件下，计算控制时域M个控制量，但是只将第一个控制量作用于系统，然后再进行相同的优化过程，计算出下一时刻的M个控制量，如此滚动优化。优化时域P表示预测长度从k时刻起，未来多少步的输出能逼近期望值，P太小，快速性虽好，但稳定性和鲁棒性差；P太大，稳定性虽好，但调节作用差。控制时域M表示系统确定未来控制量改变的数口，小的M值有利于控制系统的稳定，但对复杂系统来说，得到的动态性能太差；大的M值则表征允许有较多步的控制增量变化，从而增大控制的灵活性，有较快速的响应，但有可能引起系统不稳定。一般情况下，对于具有简单动态响应的对象，M＝1～2；对于包括有振荡等复杂动态响应的对象，M＝4～8。必须注意M<P。
为了使得并网功率尽可能的跟踪风功率曲线，根据动态矩阵要求建立相关的模型，通过对系统中功率流动的方向进行分析，梳理出各功率之间的控制流程图如图3所示，图中，PW表示风电场风机功率，PW′表示风电场风机功率预测值，PG表示并网功率，Pel表示电解槽功率控制量。因此，本发明步骤(2)具体为：
(21)构建基于动态矩阵控制的预测模型：
Figure GDA0003353000880000071
x(k)为状态量，u(k)为控制输入，d(k)为扰动，y(k)为输出，A、Bu、Bd、C、D为系数矩阵，具体为：
Figure GDA0003353000880000072
u(k)＝Pel(k)，y(k)＝PG(k)，d(k)＝PW(k)，
Figure GDA0003353000880000073
Figure GDA0003353000880000074
D＝[0 0]，
其中，k为采样时刻，PG(k)表示并网功率，P(k)表示储氢罐的压力，Pel(k)表示电解槽功率控制量，PW(k)表示风电场风机功率，η表示电解槽消耗的电能转化为一定量体积氢能的转化效率，T为采样时间间隔，V为储氢罐的容积，p0为标准大气压，p0＝0.1MPa；
(22)构建约束：
Pelmin＜Pel(k)＜Pelmax，
Pmin＜P(k)＜Pmax，
Pelmin为电解槽阵列最小功率，Pelmax为电解槽阵列最大功率，Pmin为储氢罐系统最小压力，Pmax为储氢罐系统最大压力；
(23)构建目标函数：
Figure GDA0003353000880000081
其中，P表示动态矩阵控制的预测长度，M表示动态矩阵控制的控制长度，PW′(k+i)表示风功率预测曲线中k+i时刻风功率预测值，PG(k+i|k)表示k预测时刻预测输出的k+i时刻的并网功率，ΔPel(k+j-1)表示k+j-1时刻电解槽功率控制量增量，qi、rj分别为从k时刻起的第i时刻误差输出权重系数和控制增量权重系数；
(24)根据预测模型和约束条件，求出使得目标函数最优的M个电解槽功率控制量增量，基于第一个控制增量得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量，具体地，在本步骤中根据预测模型和约束条件，求出使得目标函数最优的控制增量，此问题为二次规划问题，并且是一个滚动优化的过程，即对每个时刻求解相应的二次规划最优解，并将第一个控制增量作用于系统，等到下一时刻时再重新进行相同的操作，再求解一次二次规划问题并将第一个控制增量作用于系统，如此循环滚动可以最大程度让实际并网功率跟随指令曲线。
步骤(4)具体为：
(41)将电解槽阵列中的电解槽单体依次排序，确定轮换周期，每一轮换周期到达时调整电解槽单体排列顺序；
(42)在每个轮换周期初始时刻，根据电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，按照当前电解槽单体排列顺序从位于首位的电解槽单体开始向后依次分配各电解槽单体的运行状态，在轮换周期时间段内，当电解槽功率控制量发生波动，则根据当前电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准，将上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体仍然配置为波动功率运行状态，同时向前依次配置各电解槽单体的运行状态直至到达首位电解槽单体后从末位电解槽单体向前继续依次配置各电解槽单体的工作状态直至到达处于波动功率运行状态的电解槽单体。
步骤(41)调整电解槽单体排列顺序的具体方式为：将上一轮轮换周期中位于首位的电解槽单体移动至末位。
步骤(42)每个轮换周期初始时刻以及轮换周期时间段内确定电解槽单体的数量具体方式为：
(421)根据电解槽功率控制量Pel和电解槽阵列实际配置容量Ppz确定电解槽阵列是否处于过载状态，若Pel≤Ppz则未过载，执行步骤(422)，否则过载，执行步骤(423)，其中Ppz＝nPe，Pe为电解槽单体额定功率，n为电解槽单体配置总数量；
(422)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为额定功率运行状态的电解槽单体个数N11、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N12以及配置为停机运行状态的电解槽单体的个数N13，满足N11+N12+N13＝n；
(423)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为过载功率运行状态的电解槽单体个数N21、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N22以及配置为额定功率运行状态的电解槽单体的个数N23，满足N21+N22+N23＝n。
步骤(422)N11、N12、N13具体为：
Figure GDA0003353000880000091
其中，
Figure GDA0003353000880000092
表示向下取整，
若N11＝n，则N12＝N13＝0，所有电解槽单体均配置为运行于额定功率运行状态，
若N11＜n，则N12＝1，N13＝n-N11-1。
步骤(423)N21、N22、N23具体为：
首先，确定过载量POL＝Pel-nPe，
然后，通过下式获取N21，
Figure GDA0003353000880000093
其中，
Figure GDA0003353000880000101
表示向下取整，
最后，若
Figure GDA0003353000880000102
则N22＝0，N23＝n-N21，若
Figure GDA0003353000880000103
则N22＝1，N23＝n-N21-1，
Figure GDA0003353000880000104
为电解槽的过载系数。
步骤(42)每个轮换周期初始时刻分配电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N11个电解槽单体运行于额定功率运行状态、N12个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N13个电解槽单体运行于停机运行状态；
若处于过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N21个电解槽单体运行于过载功率运行状态、N22个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N23个电解槽单体运行于额定功率运行状态。
步骤(42)在轮换周期时间段内以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准向前配置各电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和停机运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和停机运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或停机运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置未配置完成的另一种运行状态；
若处于过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和过载运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和过载运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或过载运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置另一种运行状态。
一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制装置，该装置包括存储器和处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于当执行计算机程序时实现基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法。
在对电解槽功率控制过程中，由于电解槽具有一定的延时特性，为了使得电解槽更好地服从调度，引入风功率预测来对电解槽的控制进行时间上的迁移，同时将风功率预测与动态矩阵控制相结合，不仅可以提升电解槽系统的调度性还能提升控制的精准性。如图4所示，以张北某风场某日一台2MW风机的风功率预测曲线为例进行动态矩阵控制的验证。
为了使得电解槽系统满足相应地风功率吸收需求，在充分考虑电解槽的过载特性的基础上，配置电解槽系统为4个500kW的电解槽单体组成。在上述风功率曲线的作用下进行仿真验证，仿真的参数如表1：
表1仿真参数
仿真时长/s 1200 优化时域/s 10
电解槽单体容量/kW 300 控制时域/s 1
轮换时间/s 300 电解槽单体数量/个 4
根据上述参数设置进行动态矩阵控制算法MATLAB仿真，结果如图5所示，其中参考曲线为风功率曲线，跟踪曲线为并网功率，可以看出并网功率可以很好的跟随风功率指令，同时由于风功率大部分都并网消纳，电解槽系统的功率相对来说处于比较低的水平。
在离网状态下，风功率全部由电解槽系统消纳，通过对风功率的数值分析并结合市场上电解槽单体容量的数量等级，同时考虑电解槽短时过载能力，选择4个500kW的电解槽单体组成电解槽系统。图6为离网状态4个电解槽单体按照时间-功率双线轮换控制策略各自消纳的功率曲线，图6的(a)～(d)依次为1#～4#电解槽单体的功率变化曲线。
为了对比分析有无轮值策略的情况下，电解槽系统的表现，将同样的风功率曲线应用于无时间-功率双线轮换控制策略的电解槽系统得到图7所示结果，图7的(a)～(d)依次为1#～4#电解槽单体的功率变化曲线。
根据电解槽的功率曲线提出相应的参数指标，在电解槽的运行周期内，定义其功率处于额定功率的时间占比为Ye，功率处于波动功率时间占比为Ys；处于停机状态的时间占比为Yt；处于运行功率低于氢气安全功率非停机状态的时间占比为Yq。
表2仿真结果数据对比
Figure GDA0003353000880000111
表2为协调轮值控制策略下以及无协调轮值控制策略下的仿真结果数据对比表，从表格数据可以看出，轮值控制策略相比于无轮值控制策略，各个电解槽单体的运行状态时间占比相对稳定，轮换策略使得电解槽的停机时长不会过长，而出现温度下降过低的问题。同时对于产氢安全性方面，处于低功率运行的时间占比都在5％以下，相比于无轮值控制策略最高的9.08％降低了45％的危险运行时间，保证了电解槽运行过程中氢气和氧气的混合浓度不会达到爆炸极限。
本发明整个系统采用分层控制策略，上层的MPC控制算法(模型预测控制)从系统层面出发，在并网条件下将风功率尽可能地并网消纳，下层的电解槽控制策略协调各个电解槽单体的功率分配；将风功率预测与动态矩阵控制相结合，通过预测的风功率制订并网功率的调度计划，并运用动态矩阵控制算法提高并网功率的跟踪精准度；下层采用时间-功率双线轮换控制策略，每一轮换周期到达时调整电解槽单体排列顺序即实现了基于时间的轮换，在轮换周期内根据电解槽功率控制量，以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准，配置其他电解槽单体的运行状态即实现了基于功率的轮换，通过基于时间的轮换可以避免电解槽由于停机时间过长而导致的温度下降影响电解槽的反应速度，基于功率的轮换可以避免因功率低于产氢安全功率时间过长而存在的安全隐患，双线轮换策略可以延长系统使用寿命和系统运行安全性。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将风氢耦合系统划分为上层并网控制和下层电解槽控制；
(2)上层并网控制采用MPC控制算法控制并网功率跟踪风功率预测曲线，同时得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量，MPC为模型预测控制；
(3)将电解槽单体的运行状态划分为额定功率运行、波动功率运行、过载功率运行和停机四种运行状态；
(4)基于电解槽功率控制量采用时间-功率双线轮换控制策略确定各电解槽单体的运行状态使得电解槽单体轮流运行在四种运行状态之一。
2.根据权利要求1所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
(21)构建基于动态矩阵控制的预测模型：
Figure FDA0003353000870000011
x(k)为状态量，u(k)为控制输入，d(k)为扰动，y(k)为输出，A、Bu、Bd、C、D为系数矩阵，具体为：
Figure FDA0003353000870000012
u(k)＝Pel(k)，y(k)＝PG(k)，d(k)＝PW(k)，
Figure FDA0003353000870000013
Figure FDA0003353000870000014
D＝[0 0]，
其中，k为采样时刻，PG(k)表示并网功率，P(k)表示储氢罐的压力，Pel(k)表示电解槽功率控制量，PW(k)表示风电场风机功率，η表示电解槽消耗的电能转化为一定量体积氢能的转化效率，T为采样时间间隔，V为储氢罐的容积，p0为标准大气压，p0＝0.1MPa；
(22)构建约束：
Pelmin＜Pel(k)＜Pelmax，
Pmin＜P(k)＜Pmax，
Pelmin为电解槽阵列最小功率，Pelmax为电解槽阵列最大功率，Pmin为储氢罐系统最小压力，Pmax为储氢罐系统最大压力；
(23)构建目标函数：
Figure FDA0003353000870000021
其中，P表示动态矩阵控制的预测长度，M表示动态矩阵控制的控制长度，P′W(k+i)表示风功率预测曲线中k+i时刻风功率预测值，PG(k+i|k)表示k预测时刻预测输出的k+i时刻的并网功率，ΔPel(k+j-1)表示k+j-1时刻电解槽功率控制量增量，qi、rj分别为从k时刻起的第i时刻误差输出权重系数和控制增量权重系数；
(24)根据预测模型和约束条件，求出使得目标函数最优的M个电解槽功率控制量增量，基于第一个控制增量得到用于下层电解槽控制的电解槽功率控制量。
3.根据权利要求1所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
(41)将电解槽阵列中的电解槽单体依次排序，确定轮换周期，每一轮换周期到达时调整电解槽单体排列顺序；
(42)在每个轮换周期初始时刻，根据电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，按照当前电解槽单体排列顺序从位于首位的电解槽单体开始向后依次分配各电解槽单体的运行状态，在轮换周期时间段内，当电解槽功率控制量发生波动，则根据当前电解槽功率控制量确定运行于四种运行状态的电解槽单体的数量，以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准，将上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体仍然配置为波动功率运行状态，同时向前依次配置各电解槽单体的运行状态直至到达首位电解槽单体后从末位电解槽单体向前继续依次配置各电解槽单体的工作状态直至到达处于波动功率运行状态的电解槽单体。
4.根据权利要求3所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(41)调整电解槽单体排列顺序的具体方式为：将上一轮轮换周期中位于首位的电解槽单体移动至末位。
5.根据权利要求3所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(42)每个轮换周期初始时刻以及轮换周期时间段内确定电解槽单体的数量具体方式为：
(421)根据电解槽功率控制量Pel和电解槽阵列实际配置容量Ppz确定电解槽阵列是否处于过载状态，若Pel≤Ppz则未过载，执行步骤(422)，否则过载，执行步骤(423)，其中Ppz＝nPe，Pe为电解槽单体额定功率，n为电解槽单体配置总数量；
(422)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为额定功率运行状态的电解槽单体个数N11、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N12以及配置为停机运行状态的电解槽单体的个数N13，满足N11+N12+N13＝n；
(423)根据电解槽功率控制量Pel确定配置为过载功率运行状态的电解槽单体个数N21、配置为波动功率运行状态的电解槽单体的个数N22以及配置为额定功率运行状态的电解槽单体的个数N23，满足N21+N22+N23＝n。
6.根据权利要求5所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(422)N11、N12、N13具体为：
Figure FDA0003353000870000031
其中，
Figure FDA0003353000870000032
表示向下取整，
若N11＝n，则N12＝N13＝0，所有电解槽单体均配置为运行于额定功率运行状态，
若N11＜n，则N12＝1，N13＝n-N11-1。
7.根据权利要求5所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(423)N21、N22、N23具体为：
首先，确定过载量POL＝Pel-nPe，
然后，通过下式获取N21，
Figure FDA0003353000870000033
其中，
Figure FDA0003353000870000034
表示向下取整，
最后，若
Figure FDA0003353000870000035
则N22＝0，N23＝n-N21，若
Figure FDA0003353000870000036
则N22＝1，N23＝n-N21-1，
Figure FDA0003353000870000037
为电解槽的过载系数。
8.根据权利要求5所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(42)每个轮换周期初始时刻分配电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N11个电解槽单体运行于额定功率运行状态、N12个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N13个电解槽单体运行于停机运行状态；
若处于过载状态，则按照当前电解槽单体排列顺序，从首位电解槽单体开始向后依次配置N21个电解槽单体运行于过载功率运行状态、N22个电解槽单体运行于波动功率运行状态、N23个电解槽单体运行于额定功率运行状态。
9.根据权利要求5所述的一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法，其特征在于，步骤(42)在轮换周期时间段内以上一时刻处于波动功率运行状态的电解槽单体为基准向前配置各电解槽单体的运行状态具体为：
若处于未过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和停机运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和停机运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或停机运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置未配置完成的另一种运行状态；
若处于过载状态下，按照如下方式配置额定运行状态和过载运行状态的电解槽单体：依次交替配置额定运行状态和过载运行状态下的电解槽单体直至额定运行状态或过载运行状态中的一种运行状态配置完毕后依次配置另一种运行状态。
10.一种基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制装置，其特征在于，该装置包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～9任意一项所述的基于MPC的风氢耦合系统分层协调控制方法。
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