JP7224608B2 - Mpcに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法および装置 - Google Patents
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Description
(1)風力水素結合システムを上層グリッド接続制御と下層電解槽制御に分割するステップと、
(2)上層グリッド接続制御によってMPC制御アルゴリズムを採用して、グリッド接続電力を制御し、風力予測曲線を追跡すると同時に、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得するステップと、
(3)電解槽セルの運転状態を定格電力運転、変動電力運転、過負荷電力運転、シャットダウンという4つの運転状態に分割するステップと、
(4)電解槽電力制御量に基づいて、時間-電力の二線式入替えの制御戦略を採用して、各電解槽セルの運転状態を決定し、電解槽セルが4つの運転状態のいずれかで順番に運転するようにするステップと、を含む。
(21)動的マトリックス制御に基づく予測モデルを構築し、
u(k)=Pel(k)、y(k)=PG(k)、d(k)=PW(k)、
D=[0 0]であり、
ここで、kはサンプリング時刻であり、PG(k)はグリッド接続電力であり、P(k)は水素貯蔵タンクの圧力であり、Pel(k)は電解槽電力制御量であり、PW(k)は風力発電ファンの電力であり、ηは電解槽の消費する電気エネルギーを一定量の体積の水素エネルギーに変換する変換効率であり、Tはサンプリング時間間隔であり、Vは水素貯蔵タンクの容積であり、p0は標準大気圧であり、p0=0.1MPaであり、
(22)制約を構築し、
Pelminは電解槽アレイの最小電力であり、Pelmaxは電解槽アレイの最大電力であり、Pminは水素貯蔵タンクシステムの最小圧力であり、Pmaxは水素貯蔵タンクシステムの最大圧力であり、
(23)目的関数を構築し、
(24)予測モデルと制約条件に基づいて、目的関数を最適化するM個の電解槽電力制御量の増分を求め、1番目の制御増分に基づいて、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得する。
(41)電解槽アレイ内の電解槽セルを順番に並べ替え、入替え周期を決定し、各入替え周期が到着したときに電解槽セルの並べ順序を調整し、
(42)各入替え周期の初期時刻に、電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に後ろ向きに設定し、入替え周期の期間中に、電解槽電力制御量が変動する場合、現在の電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを基準とし、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを変動電力運転状態として引き続き設定し、同時に、最初の位置にある電解槽セルに到着するまで各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに設定し、次に、変動電力運転状態での電解槽セルに到着するまで最後の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに続けて設定する。
(421)電解槽電力制御量Pelと電解槽アレイの実際の構成容量Ppzに基づいて、電解槽アレイが過負荷状態にあるかどうかを判断し、Pel≦Ppzの場合、過負荷がないと判断し、ステップ(422)に進み、そうでない場合、ステップ(423)に進み、ここで、Ppz=nPeであり、Peは電解槽セルの定格電力であり、nは電解槽セルの構成の総数であり、
(422)電解槽電力制御量Pelに基づいて、定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N11、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N12、およびシャットダウン運転状態に設定された電解槽セルの数N13を決定し、N11+N12+N13=nであり、
(423)電解槽電力制御量Pelに基づいて、過負荷電力運転状態に設定された電解槽セルの数N21、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N22、および定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N23を決定し、N21+N22+N23=nである。
N11=nの場合、N12=N13=0であり、すべての電解槽セルは定格電力運転状態で運転するように設定され、
N11<nの場合、N12=1、N13=n-N11-1である。
まず、過負荷の量POL=Pel-nPeを決定し、
次に、次の式でN21を取得し、
最後に、POL-N21・(φ―1)Pe=0の場合、N22=0、N23=n-N21であり、POL-N21・(φ―1)Pe≠0の場合、N22=1、N23=n-N21-1であり、φは電解槽の過負荷係数である。
非過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN11個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転し、N12個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N13個の電解槽セルがシャットダウン運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定され、
過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN21個の電解槽セルが過負荷電力運転状態で運転し、N22個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N23個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定される。
非過負荷状態の場合、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態またはシャットダウン運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、設定されていないもう1つの運転状態を順番に設定し、
過負荷状態の場合、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態または過負荷運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、もう1つの運転状態を順番に設定する。
(1)本発明のシステム全体は階層制御戦略を採用する。上層のMPC制御アルゴリズム(モデル予測制御)はシステムレベルから、グリッド接続条件下で可能な限り風力をグリッド接続し消費する。下層の電解槽制御戦略は各電解槽セルの電力割り当てを協調する。
(2)本発明は、風力予測を動的マトリックス制御と組み合わせ、予測された風力によってグリッド接続電力のスケジューリング計画を策定し、動的マトリックス制御アルゴリズムを使用してグリッド接続電力の追跡の精度を改善する。
(3)本発明の下層は、時間-電力の二線式入替えの制御戦略を採用し、各入替え周期が到着すると、電解槽セルの並べ順序を調整することによって、時間に基づく入替えを実現する。入替え周期中に電解槽電力制御量に基づいて、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを基準とし、他の電解槽セルの運転状態を設定することによって、電力に基づく入替えを実現する。時間に基づく入替えによって、シャットダウン時間が長すぎることによる電解槽の温度低下を回避でき、電解槽の反応速度に影響を与えるのを防ぐことができ、電力に基づく入替えによって、電力が安全な水素生成電力よりも低く、時間が長いために発生する安全上のリスクを回避でき、二線式入替えの戦略によって、システムの耐用年数とシステム操作の安全性を延ばすことができる。
図1に示すように、MPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法であって、この方法は、
(1)風力水素結合システムを上層グリッド接続制御と下層電解槽制御に分割するステップと、
(2)上層グリッド接続制御によってMPC制御アルゴリズムを採用して、グリッド接続電力を制御し、風力予測曲線を追跡すると同時に、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得するステップと、
(3)電解槽セルの運転状態を定格電力運転、変動電力運転、過負荷電力運転、シャットダウンという4つの運転状態に分割するステップと、
(4)電解槽電力制御量に基づいて、時間-電力の二線式入替えの制御戦略を採用して、各電解槽セルの運転状態を決定し、電解槽セルが4つの運転状態のいずれかで順番に運転するようにするステップと、を含む。
(21)動的マトリックス制御に基づく予測モデルを構築し、
u(k)=Pel(k)、y(k)=PG(k)、d(k)=PW(k)、
D=[0 0]であり、
ここで、kはサンプリング時刻であり、PG(k)はグリッド接続電力であり、P(k)は水素貯蔵タンクの圧力であり、Pel(k)は電解槽電力制御量であり、PW(k)は風力発電ファンの電力であり、ηは電解槽の消費する電気エネルギーを一定量の体積の水素エネルギーに変換する変換効率であり、Tはサンプリング時間間隔であり、Vは水素貯蔵タンクの容積であり、p0は標準大気圧であり、p0=0.1MPaであり、
(22)制約を構築し、
Pelminは電解槽アレイの最小電力であり、Pelmaxは電解槽アレイの最大電力であり、Pminは水素貯蔵タンクシステムの最小圧力であり、Pmaxは水素貯蔵タンクシステムの最大圧力であり、
(23)目的関数を構築し、
(24)予測モデルと制約条件に基づいて、目的関数を最適化するM個の電解槽電力制御量の増分を求め、1番目の制御増分に基づいて、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得し、具体的には、このステップでは、予測モデルと制約条件に基づいて、目的関数を最適化する制御増分を取得し、この問題は二次計画の問題であり、かつローリング最適化プロセスであり、つまり、各時刻に対して、対応する二次計画の最適解を解き、かつ最初の制御増分をシステムに適用し、次の時刻に同じ操作を再度実行し、二次計画の問題を再度解き、かつ最初の制御増分をシステムに適用し、このように循環ローリングして、実際のグリッド接続電力が指令曲線に最大限に従うことができる。
(41)電解槽アレイ内の電解槽セルを順番に並べ替え、入替え周期を決定し、各入替え周期が到着したときに電解槽セルの並べ順序を調整し、
(42)各入替え周期の初期時刻に、電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に後ろ向きに設定し、入替え周期の期間中に、電解槽電力制御量が変動する場合、現在の電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを基準とし、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを変動電力運転状態として引き続き設定し、同時に、最初の位置にある電解槽セルに到着するまで各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに設定し、次に、変動電力運転状態での電解槽セルに到着するまで最後の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに続けて設定する。
(421)電解槽電力制御量Pelと電解槽アレイの実際の構成容量Ppzに基づいて、電解槽アレイが過負荷状態にあるかどうかを判断し、Pel≦Ppzの場合、過負荷がないと判断し、ステップ(422)に進み、そうでない場合、ステップ(423)に進み、ここで、Ppz=nPeであり、Peは電解槽セルの定格電力であり、nは電解槽セルの構成の総数であり、
(422)電解槽電力制御量Pelに基づいて、定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N11、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N12、およびシャットダウン運転状態に設定された電解槽セルの数N13を決定し、N11+N12+N13=nであり、
(423)電解槽電力制御量Pelに基づいて、過負荷電力運転状態に設定された電解槽セルの数N21、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N22、および定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N23を決定し、N21+N22+N23=nである。
N11=nの場合、N12=N13=0であり、すべての電解槽セルは定格電力運転状態で運転するように設定され、
N11<nの場合、N12=1、N13=n-N11-1である。
まず、過負荷の量POL=Pel-nPeを決定し、
次に、次の式でN21を取得し、
最後に、POL-N21・(φ-1)Pe=0の場合、N22=0、N23=n-N21であり、POL-N21・(φ―1)Pe≠0の場合、N22=1、N23=n-N21-1であり、φは電解槽の過負荷係数である。
非過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN11個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転し、N12個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N13個の電解槽セルがシャットダウン運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定され、
過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN21個の電解槽セルが過負荷電力運転状態で運転し、N22個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N23個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定される。
非過負荷状態の場合、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態またはシャットダウン運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、設定されていないもう1つの運転状態を順番に設定し、
過負荷状態の場合、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態または過負荷運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、もう1つの運転状態を順番に設定する。
Claims (10)
- (1)風力水素結合システムを上層グリッド接続制御と下層電解槽制御に分割するステップと、
(2)上層グリッド接続制御においてMPC制御アルゴリズムを採用して、グリッド接続電力が風力予測曲線を追跡するように制御すると同時に、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得し、ここで、MPCとはモデル予測制御であるステップと、
(3)複数の電解槽セルのそれぞれの運転状態を定格電力運転、変動電力運転、過負荷電力運転、シャットダウンという4つの運転状態のいずれかに分割するステップと、
(4)電解槽電力制御量に基づいて、各電解槽セルの電力の異なる運転状態にある時間の割合が安定するように、各電解槽セルの運転状態を決定し、電解槽セルが4つの運転状態のいずれかで順番に運転するようにするステップと、を含むことを特徴とするMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - ステップ(2)は、具体的に、以下のとおりであり、
(21)動的マトリックス制御に基づく予測モデルを構築し、
u(k)=Pel(k)、y(k)=PG(k)、d(k)=PW(k)、
D=[0 0]であり、
ここで、kはサンプリング時刻であり、PG(k)はグリッド接続電力であり、P(k)は水素貯蔵タンクの圧力であり、Pel(k)は電解槽電力制御量であり、PW(k)は風力発電ファンの電力であり、ηは電解槽の消費する電気エネルギーを一定量の体積の水素エネルギーに変換する変換効率であり、Tはサンプリング時間間隔であり、Vは水素貯蔵タンクの容積であり、p0は標準大気圧であり、p0=0.1MPaであり、
(22)制約を構築し、
Pelminは電解槽アレイの最小電力であり、Pelmaxは電解槽アレイの最大電力であり、Pminは水素貯蔵タンクシステムの最小圧力であり、Pmaxは水素貯蔵タンクシステムの最大圧力であり、
(23)目的関数を構築し、
(24)予測モデルと制約条件に基づいて、目的関数を最適化するM個の電解槽電力制御量の増分を求め、1番目の制御増分に基づいて、下層電解槽制御に使用される電解槽電力制御量を取得する、ことを特徴とする請求項1に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - ステップ(4)は、具体的に、以下のとおりであり、
(41)電解槽アレイ内の電解槽セルを順番に並べ替え、入替え周期を決定し、各入替え周期が到着したときに電解槽セルの並べ順序を調整し、
(42)各入替え周期の初期時刻に、電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に後ろ向きに設定し、入替え周期の期間中に、電解槽電力制御量が変動する場合、現在の電解槽電力制御量に基づいて4つの運転状態で運転している電解槽セルの数を決定し、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを基準とし、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを変動電力運転状態として引き続き設定し、同時に、最初の位置にある電解槽セルに到着するまで各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに設定し、次に、変動電力運転状態での電解槽セルに到着するまで最後の位置にある電解槽セルから各電解槽セルの運転状態を順番に前向きに続けて設定する、ことを特徴とする請求項1に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - ステップ(41)で電解槽セルの並べ順序を調整するための具体的な方法は、前の入替え周期に最初の位置にある電解槽セルを最後の位置に移動することである、ことを特徴とする請求項3に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。
- ステップ(42)で、各入替え周期の初期時刻および入替え周期の期間中に電解槽セルの数を決定するための具体的な方法は以下のとおりであり、
(421)電解槽電力制御量Pelと電解槽アレイの実際の構成容量Ppzに基づいて、電解槽アレイが過負荷状態にあるかどうかを判断し、Pel≦Ppzの場合、過負荷がないと判断し、ステップ(422)に進み、そうでない場合、ステップ(423)に進み、ここで、Ppz=nPeであり、Peは電解槽セルの定格電力であり、nは電解槽セルの構成の総数であり、
(422)電解槽電力制御量Pelに基づいて、定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N11、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N12、およびシャットダウン運転状態に設定された電解槽セルの数N13を決定し、N11+N12+N13=nであり、
(423)電解槽電力制御量Pelに基づいて、過負荷電力運転状態に設定された電解槽セルの数N21、変動電力運転状態に設定された電解槽セルの数N22、および定格電力運転状態に設定された電解槽セルの数N23を決定し、N21+N22+N23=nである、ことを特徴とする請求項3に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - ステップ(42)で、各入替え周期の初期時刻に電解槽セルの運転状態を設定することは、具体的に、以下のとおりであり、
非過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN11個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転し、N12個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N13個の電解槽セルがシャットダウン運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定され、
過負荷状態の場合、現在の電解槽セルの並べ順序にしたがって、最初の位置にある電解槽セルからN21個の電解槽セルが過負荷電力運転状態で運転し、N22個の電解槽セルが変動電力運転状態で運転し、N23個の電解槽セルが定格電力運転状態で運転するように順番に後ろ向きに設定される、ことを特徴とする請求項5に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - ステップ(42)で、入替え周期の期間中に、前の時刻で変動電力運転状態での電解槽セルを基準として、各電解槽セルの運転状態を前向きに設定することは、具体的に、以下のとおりであり、
非過負荷状態の場合、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態とシャットダウン運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態またはシャットダウン運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、設定されていないもう1つの運転状態を順番に設定し、
過負荷状態の場合、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを以下のように設定し、定格運転状態と過負荷運転状態での電解槽セルを順番に交替に設定し、定格運転状態または過負荷運転状態のうちの1つの運転状態の設定が完了した後、もう1つの運転状態を順番に設定する、ことを特徴とする請求項5に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法。 - メモリとプロセッサを含み、前記メモリはコンピュータプログラムを格納するために使用され、前記プロセッサは前記コンピュータプログラムが実行されるときに、請求項1~9のいずれか一項に記載のMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御方法を実装するために使用される、ことを特徴とするMPCに基づく風力水素結合システムの階層協調制御装置。
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