一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法及系统

本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法及系统。

背景技术：

1、当前，随着新能源的快速发展和电力系统规模的不断扩大，电网的稳定性和可靠性面临着越来越大的挑战。传统的电力系统主要依赖于发电机组来维持电网的频率稳定，然而，传统机组的调节速度有限，且燃料成本较高，对电力系统的经济性和环境影响也存在一定的局限性。此外，由于电力系统中不断增加的新能源并网，如风电和光伏发电，其波动性和间歇性给电网的频率稳定性带来了新的挑战。

2、为了解决上述问题，近年来储能技术被广泛研究和应用于电力系统中，以提供灵活的能量调节和频率稳定支持。其中，氢储能和电化学储能作为储能技术的重要分支，具有能量密度高、快速响应、可持续性等优势，被认为是潜力巨大的解决方案。

3、然而，目前的氢-电混合储能系统在实际应用中面临一些挑战。传统的控制策略往往无法充分利用储能系统的优势，导致电网频率调节不够精确，传统机组调节频率较高，从而降低了系统的效率和可靠性。因此，需要一种基于模型预测控制的分层协调控制方法，以提高氢-电混合储能系统的性能和效益。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法及系统，其目的在于充分利用电储能响应速度快，氢储能容量大的优势，实现了氢-电混合储能电站对新能源发电功率波动的补偿，维持了电网的频率稳定，同时对各机组发电成本进行优化，同时减少了机组的调节频率，提高了机组的使用寿命，并对电化学储能的soc(state of charge，电池荷电状态)进行了管理，有利于减少电化学储能的配置容量及功率。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法，该方法包括以下步骤：

3、建立带有传统机组、电化学与氢储能的混合储能系统的区域电网频率响应模型，氢储能中的燃料电池与电解槽根据其响应时间分别用惯性环节表示；

4、对于该模型，使用分层控制的思路：上层控制在慢时间尺度进行，为功率优化控制，下层控制在快时间尺度进行，使用模型预测控制(model predictive control，mpc)；

5、对于上层功率优化控制，使用yalmip求解器优化计算出传统机组和氢储能的目标功率值，将该值传递给下层模型预测控制；

6、对于下层模型预测控制，负责控制机组按目标功率值出力，同时利用电化学储能的快速响应特性平抑电网频率波动。

7、进一步地，所述的分层协调控制方法，控制的对象为含有氢-电混合储能的区域电网频率响应模型，其中包含传统机组、电化学储能、氢燃料电池、电解槽、风电场及本地负载，且采用分层控制方法。根据电化学储能与氢储能之间的特性差异(响应时间、控制灵活性等)，令电化学储能在下层响应快速功率波动，氢储能则在慢时间尺度上进行补充。

8、进一步地，所述的分层协调控制方法，上层进行功率优化控制，在慢时间尺度进行控制，控制时间周期为tup，为分钟级别的控制。上层功率优化控制器输入为传统机组、储能电站中电化学、氢储能的输出功率值，以及电化学储能的soc，上层功率优化控制器输出为传统机组，氢储能的启停以及目标功率值。上层控制的目的主要有4方面：1.对波动功率按照经济最优在两个传统机组和氢储能机组直接分配；2.减少氢储能与传统机组的调节频率，提高二者的使用寿命；3.维持电化学的soc在合理区间，可减小电化学储能的容量配置；4.释放电化学储能的功率，使其为下一段时间的功率调节做准备，可减小电化学储能的功率配置。

9、进一步地，所述的分层协调控制方法，下层使用模型预测控制，在短时间尺度进行控制，控制时间周期为tm，为毫秒级的控制。下层控制器的输入为区域电网中的各状态变量以及上层控制器的输出值，下层控制器的输出为控制信号，控制信号分别送入传统机组、电化学储能、氢储能中的电解槽与燃料电池。下层控制的目的主要有3方面：1.控制两个传统机组按照上层功率优化结果进行出力；2.控制储氢按照上层优化结果出力，包括电解槽、燃料电池的启停，以及出力大小；3.利用电化学储能的快速响应能力，平抑新能源与负荷产生的功率波动，从而保证电网频率的稳定。

10、本发明另一方面提供了一种基于模型预测控制的混合储能分层控制系统，包括：

11、上层功率优化控制器，用于优化计算出传统机组和氢储能的目标功率值，将该值传递给下层模型预测控制器；

12、下层模型预测控制器，用于负责控制机组按目标功率值出力，同时利用电化学储能的快速响应特性平抑电网频率波动。

13、其中，上层功率优化控制器使用yalmip求解器。

14、本发明的有益效果如下：

15、氢-电混合储能电站的加入可以综合电储能功率大与氢储能容量大的优点；下层使用模型预测控制对电网频率进行控制，其效果优于传统的pi控制以及惯量阻尼控制，并且该控制可以控制各机组精确跟踪上层控制器的目标指令值；上层功率优化控制可以降低区域电网的发电成本，降低电化学储能的配置容量及功率；将控制分为上下两层，并且分为快慢时间尺度，可以降低机组的调节频率，从而延长机组的使用寿命。

技术特征：

1.一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的分层协调控制方法，其特征在于，控制的对象为含有氢-电混合储能的区域电网频率响应模型，其中包含传统机组、电化学储能、氢燃料电池、电解槽、风电场及本地负载，且采用分层控制方法。根据电化学储能与氢储能之间的特性差异，令电化学储能在下层响应快速功率波动，氢储能则在慢时间尺度上进行补充。

3.根据权利要求1或2所述的分层协调控制方法，其特征在于，上层进行功率优化控制，在慢时间尺度进行控制，控制时间周期为tup，为分钟级别的控制。

4.如权利要求1或2所述的分层协调控制方法，其特征在于，下层使用模型预测控制，在短时间尺度进行控制，控制时间周期为tm，为毫秒级的控制。

5.如权利要求4所述的分层协调控制方法，其特征在于，下层模型预测控制的输入为区域电网中的各状态变量以及上层功率优化控制的输出值，下层功率优化控制的输出为控制信号，控制信号分别送入传统机组、电化学储能、氢储能中的电解槽与燃料电池。

6.一种基于模型预测控制的混合储能分层控制系统，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的分层协调控制系统，其特征在于，上层功率优化控制器使用yalmip求解器。

技术总结
本发明公开了一种基于模型预测控制的混合储能分层控制方法及系统，属于电气工程领域。包括：建立了包含传统机组、电化学与氢储能的区域电网频率响应模型；对该模型进行分层控制，下层使用模型预测控制，在快时间尺度进行控制；上层为功率优化控制，在慢时间尺度进行控制；上层使用yalmip求解器优化计算出传统机组和氢储能的目标功率值，将该值传递给下层模型预测控制；下层负责控制机组按目标功率值出力，同时利用电化学储能的快速响应特性平抑电网频率波动。本发明通过对氢‑电混合储能系统使用分层控制，可以在保证电网频率稳定的前提下，降低发电机组的总成本，维持电化学储能的SOC，减少传统机组、氢储能的调节频率从而提高其使用寿命。

技术研发人员：陈霞,李超,董天翔,文劲宇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19