CN116505557A - 基于mpc的电解铝负荷参与电网调频的控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力***运行与控制技术领域,涉及基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法及***。首先获取采样间隔的***输出和***状态值的测量值;然后在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;最后在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。因此,本发明具有如下优点:MPC控制相比传统PID控制,可以省去多个PID控制进行耦合和PID系数难以整定的问题,实现在多个约束条件下对于非线性被控对象的最优控制。
Description
技术领域
本发明属于电力***运行与控制技术领域,主要涉及一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法及***。
背景技术
随着新能源发电接入我国电网的比例不断上升和传统火电厂的比重下降,传统火电机组的调频能力不足以消纳新能源所带来的频率波动。而如电解铝一类有调频能力的高耗能负荷,可并入电网辅助调频,以达到缓解电网频率波动的目的。
传统的PID控制虽然能改善电力***的动态特性,但由于电网规模的扩大,以及传统PID控制对于非线性被控对象控制效果不理想的缺点,传统PID控制难以满足电网频率控制的要求,因此需要一种非线性控制策略。
MPC控制相比传统PID控制,可以省去多个PID控制进行耦合和PID系数难以整定的问题,实现在多个约束条件下对于非线性被控对象的最优控制。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法,包括
获取采样间隔的***输出和***状态值的测量值;
在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;
在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。
作为优选 ,
电网的***状态量x=[];
和***输出y=[];
其中,表示锅炉输出,/>表示调速器输出,/>表示电解铝响应输出/>表示频率变化量。
作为优选 ,控制信号的目标函数为:
={J[U,x(t)]=]}
其中,为最优化变量,/>为/>时刻的预测状态变量,/>为其转置,Q,R为代价函数的权重系数矩阵,/>为控制步长,/>为输出时域长度,/>为t+k时刻的预测***状态变量,/>为/>时刻的***控制变量,J为控制函数,/>为转置符号,k为时间步长,P为/>时刻的权重系数矩阵,t为开始时刻,/>为定义符号,x(t)为初始预测状态变量。
作为优选 ,给定约束条件为:
S.t.
其中,分别为***控制变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***控制变量,/>分别为***输出变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***输出变量,A,B,C为目标函数系数矩阵,/>为t时刻预测状态变量,x(t)为初始预测状态变量,/>为采样间隔。
一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,包括
第一模块:被配置为用于获取采样间隔的***输出和***状态值的测
量值;
第二模块:被配置为在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;
第三模块:被配置为在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。
作为优选 ,
电网的***状态量x=[];
和***输出y=[];
其中,表示锅炉输出,/>表示调速器输出,/>表示电解铝响应输出/>表示频率变化量。
作为优选 ,控制信号的目标函数为:
={J[U,x(t)]=]}
其中,为最优化变量,/>为/>时刻的预测状态变量,/>为其转置,Q,R为代价函数的权重系数矩阵,/>为控制步长,/>为输出时域长度,/>为t+k时刻的预测***状态变量,/>为/>时刻的***控制变量,J为控制函数,/>为转置符号,k为时间步长,P为/>时刻的权重系数矩阵,t为开始时刻,/>为定义符号,x(t)为初始预测状态变量。
作为优选 ,给定约束条件为:
S.t.
其中,分别为***控制变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***控制变量,/>分别为***输出变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***输出变量,A,B,C为目标函数系数矩阵,/>为t时刻预测状态变量,x(t)为初始预测状态变量,/>为采样间隔。
因此,本发明具有如下优点:MPC控制相比传统PID控制,可以省去多个PID控制进行耦合和PID系数难以整定的问题,实现在多个约束条件下对于非线性被控对象的最优控制。
附图说明
附图1是本发明的一种方法原理图。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明:
实施例1
本实施例的基于模型预测控制的电解铝负荷参与电网调频的策略方法包括以下步骤:
步骤1、构建电解铝负荷与火电机组二次调频协调控制***,具体包括:
步骤1.1、构建锅炉传递函数。
=/>;
步骤1.2、构建调速器模型。
;
步骤1.3、构建发电机—电力***模型。
;
步骤1.4、构建电解铝负荷动态响应,电解铝负荷的动态响应可由现场数据拟合得到。
=/>
其中,为锅炉传递时间常数,S为拉普拉斯算子,/>为调速器时间常数,M为机组惯性常数,D为***负荷阻尼常数,/>是电解铝负荷的实际调整变化量,/>是电解铝负荷的控制信号,/>为电解铝模型动
态响应的比例系数,为电解铝模型动态响应的时间常数。
步骤1.5、构建模型预测控制器。
首先获取采样间隔为K的***输出和***状态值的测量值,其次,在预测时域NP内预测输出信号;将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值;在下一个采样时刻重复上述过程。
目标函数如下:
={J[U,x(k)]=/>R/>}
约束条件如下
S.t.
其中,***状态x=[];***输出变量y=[/>] ,/>为***频率变化量;***控制变量u=[/>],/>为自备火电机组二次调频参值,/>为电解铝饱和电抗器参考值,最优化变量U=[/>];代价函数的权重系数矩阵Q,R,预测步长/>,控制步长/>。
风电功率波动可作为负的扰动输入***,限制条件包括自备火电机组二次调节能力上下限,电解铝负荷调节能力上下限,火电机组二次调频速率限制。
目标函数和约束条件可改写为
={J[U,x(t)]=]}
S.t.
其中,P为半正定矩阵,Q/>为半正定矩阵,R/>为正定矩阵。K为增益系数,/>为约束时域长度,/>为输入时域长度,/>为输出时域长度,/>为t+k时刻的预测***状态变量。
将输入序列带入上式得到:
=/>
u(t/t)+/>(t+k-1/t)
+C/>
将上式带入+C/>带入上式
V[x(t)]=F/>+/>
S.t.GU
其中,,G,E,Y,F,H为常数参数,可由Q,R,和上式计算得到,/>为***状态变量初始值,/>为第k次的系数矩阵,V[x(t)]为目标函数,/>为t时刻的最优化变量,/>为k时刻的最优化变量,/>为向量/>是/>的转置,U为最优化变量,/>是由/>决定的约束条件。
步骤2、实时采集电网的***状态量x=[]和***输出y=[/>];
步骤3:根据步骤2所采集的***状态量和***输出进行基于MPC的频率控制:通过输入步骤二中所实时采集电网的***状态量和***输出,在预测时域NP内预测输出信号;将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值;在下一个采样时刻重复上述过程。
实施例2
本发明还提供一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,
包括
第一模块:被配置为用于获取采样间隔的***输出和***状态值的测
量值;
第二模块:被配置为在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;
第三模块:被配置为在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。
上述第一、二、三模块的具体实现过程在实施例1中有记载描述,在此不在赘述。
综上,本发明解决了传统PID对于具有调频能力的高负荷负载,如电解铝一类的非线性被控对象的控制效果不理想的问题,提出了一种基于模型预测控制的电解铝负荷参与电网调频的控制策略,通过构建电解铝负荷与火电机组二次调频协调控制***和模型预测控制器,实时采集电网的***状态量,根据所采集的***状态量和***输出进行基于MPC的频率控制,实现了基于模型预测控制的电解铝负荷参与电网调频的控制策略。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现,例如,面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法,其特征在于,包括
获取采样间隔的***输出和***状态值的测量值;
在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;
在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。
2.根据权利要求1所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法,其特征在于,
电网的***状态量x=[];
和***输出y=[];
其中,表示锅炉输出,/>表示调速器输出,/>表示电解铝响应输出/>表示频率变化量。
3.根据权利要求2所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法,其特征在于,控制信号的目标函数为:
={J[U,x(t)]=]}
其中,为最优化变量,/>为/>时刻的预测状态变量,/>为其转置,Q,R为代价函数的权重系数矩阵,/>为控制步长,/>为输出时域长度,/>为t+k时刻的预测***状态变量,/>为/>时刻的***控制变量,J为控制函数,/>为转置符号,k为时间步长,P为/>时刻的权重系数矩阵,t为开始时刻,/>为定义符号,x(t)为初始预测状态变量。
4.根据权利要求3所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制方法,其特征在于,给定约束条件为:
S.t.
其中,分别为***控制变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***控制变量,/>分别为***输出变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***输出变量,A,B,C为目标函数系数矩阵,/>为t时刻预测状态变量,x(t)为初始预测状态变量,/>为采样间隔。
5.一种基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,其特征在于,包括
第一模块:被配置为用于获取采样间隔的***输出和***状态值的测
量值;
第二模块:被配置为在预测时域内预测输出信号,具体是将预测输出作为未知控制信号的函数,将已有输入、控制信号及量测输出作为已知量,根据***模型在控制时域内进行计算;
第三模块:被配置为在给定约束条件下,对控制信号的目标函数进行在线优化;利用最优化过程获得第一个控制信号控制***,直至获得新的量测值后在下一个采样时刻重复优化过程。
6.根据权利要求5所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,其特征在于,
电网的***状态量x=[];
和***输出y=[];
其中,表示锅炉输出,/>表示调速器输出,/>表示电解铝响应输出/>表示频率变化量。
7.根据权利要求6所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,其特征在于,控制信号的目标函数为:
={J[U,x(t)]=]}
其中,为最优化变量,/>为/>时刻的预测状态变量,/>为其转置,Q,R为代价函数的权重系数矩阵,/>为控制步长,/>为输出时域长度,/>为t+k时刻的预测***状态变量,/>为/>时刻的***控制变量,J为控制函数,/>为转置符号,k为时间步长,P为/>时刻的权重系数矩阵,t为开始时刻,/>为定义符号,x(t)为初始预测状态变量。
8.根据权利要求7所述的基于MPC的电解铝负荷参与电网调频的控制***,其特征在于,给定约束条件为:
S.t.
其中,分别为***控制变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***控制变量,/>分别为***输出变量的最小值和最大值,/>为t+k时刻的***输出变量,A,B,C为目标函数系数矩阵,/>为t时刻预测状态变量,x(t)为初始预测状态变量,/>为采样间隔。/>
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鲍益: "高耗能电解铝负荷参与电力***调频及辅助服务策略研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, pages 52 - 55 * |
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Application publication date: 20230728 |
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