一种基于相变材料的储能热库MPC控制方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，尤其涉及一种基于相变材料的储能热库MPC控制方法。

背景技术

随着社会对减轻电网峰值负荷的意识越发提高，储能行业蓬勃发展，热能作为终端能源的主力消耗之一，在巨大的能源需求下，储热技术迅速发展。主流的储热方式可分为潜热储能、显热储能和化学储能，其中潜热储能由于有着能量密度高、材料成本低等优点，其也是未来热储能的主要趋势。而潜热储能的主要载体材料相变材料，近年来，从研究和实际应用各领域均投入其中。现有的研究大多建立在相变材料的本身，解决其过冷现象和相分离问题。对于整体储热系统的控制研究较少。

以往的相变储热系统在控制方面，只能单纯的跟踪热库内的温度，无法准确估计热库实时的热容量。对于整体储热系统的控制研究不够完善，现有将传统的将温控系统的PID控制简单应用于储能系统，单纯的谷电时段储热峰时段放热的控制策略，实际能效比的提升效果还欠佳。另一方面，当天气过冷时，即热负载过大时，热库的热容量下降的很快，这种情况也很大程度上影响用户体验。为解决该类问题，保证用户体验，往往要增加热库的数量，采用多热库分组并联方式来组网运行，增加系统的占地面积，对于安装系统设备的难度增加了一定的难度，对安装的情景也进行了限制。

经检索，申请号CN201910979126.0的中国专利，公开了一种相变储热系统及其控制方法，其采用PID控制和PI控制的双闭环结构，加快整个相变储热装置的温度响应速度，及更具峰谷电价开关锅炉。但是，并未具体考虑储热量和需求侧的匹配问题。

如何从需求侧进行考虑，以相变材料作为储热载体，以此具体落实到谷电时段的储热量及储热时间的长度，实现更合理的分配了储热设备的资源，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的基于相变材料的储能热库MPC控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于相变材料的储能热库MPC控制方法，该方法包括储能热库系统；

该方法包括以下步骤：

步骤1：根据热库系统的相变材料的类型与温度调节系统的可用出水温度范围，对其进行热容量SOC

步骤2：从前一天晚上谷电时段开始到下一个谷电时段开始作为MPC的预测区间，控制器获取上位机气象站信息，预估今日所需的每个时间节点的供暖量Q

步骤3：判断SOC

步骤4：获取在此时刻前，所有实际的实时状态变量带入下一次MPC的求解过程中，即返回步骤2。

进一步地，所述储能热库系统包括电系统、水系统和相变材料，其中：

电系统包括控制器、温度传感器、水泵、电锅炉、中控显示屏和电动阀；

水系统包括盘管式换热器、水管和保温外壳；

相变材料为双层结构，包括上层和下层，其中，上层选择石蜡作为材料的上层保护介质，下层用于换热与储热。

进一步地，该方法中的MPC算法包括以下步骤：

(1)系统与上位机进行交互获取阴晴、温度信息，修正所需热量总值；

(2)获取热库内实时温度，并与相变材料的实验数据对比，判断相变材料是否在系统可用温度范围及材料所属的状态，其中，包括液态、固态和相变态，对材料三种不同形态下，进行统一热容量建模，作为储能热库的容量百分比状态的判定；

(3)把夜间谷电时段锅炉在不同时刻的功率及电量作为MPC的解，在约束条件下，求出相应谷电时段相应时刻的用电量，并每过15分钟进行MPC的状态变量的矫正，实现储能热库的储能最大化利用，进而最大化为用户赚取峰谷电价差。

进一步地，该方法每15分钟进行一次MPC的求解。

进一步地，在步骤1中，具体建模方式为：

1)计算出材料最大可用储热量和无用热量：

式中，Q

2)热容量SOC

Q

Q

Q

式中，δ

进一步地，步骤2中，时间节点具体为：24个小时，每小时作为一个节点。

进一步地，步骤4中，实时状态变量包括实际的供暖量Q

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

基于相变储能热库完成一套控制系统，利用盘管式换热器，将水与相变材料的进行传热，从而实现分布式热储能。并对储能热库的热容量进行数学建模，让用户知道热库的实时热容量的同时，通过MPC算法，计算夜间谷电时段的冲热时长，极大降低用户能耗成本的同时，进一步发展了相变材料在热储能领域实际环境应用的控制优化；

针对相变材料的储能状态进行能量百分比建模，能更好的了解储能设备的储能状态的同时，也对进一步的控制方案带来了简化，采用的MPC算法可自主调度充热放热能的形式，根据用户的供暖需求来进行控制的同时，为用户节省能源消耗费用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提出的基于相变材料的储能热库MPC控制方法的流程示意图；

图2为本发明提出的基于相变材料的储能热库MPC控制方法的逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，基于相变材料的储能热库MPC控制方法，该方法包括储能热库系统；

该方法包括以下步骤：

步骤1：根据热库系统的相变材料的类型与温度调节系统的可用出水温度范围，对其进行热容量SOC

步骤2：从前一天晚上谷电时段开始到下一个谷电时段开始作为MPC的预测区间，控制器获取上位机气象站信息，预估今日所需的每个时间节点的供暖量Q

步骤3：判断SOC

步骤4：获取在此时刻前，所有实际的实时状态变量带入下一次MPC的求解过程中，即返回步骤2。

作为本申请的优选实施例，所述储能热库系统包括电系统、水系统和相变材料，其中：

电系统包括控制器、温度传感器、水泵、电锅炉、中控显示屏和电动阀；

水系统包括盘管式换热器、水管和保温外壳；

相变材料为双层结构，包括上层和下层，其中，上层选择石蜡作为材料的上层保护介质，下层用于换热与储热。

储能热库的理论标称容量中，将一大部分储热容量对应温度在45℃以下，温度下降后，热能的传递从热对流变为热传导，对实际系统中的可用性不足，在固态下的相变材料，主要是通过热传导，供热效果不好，实际可用容量约240～280MJ。对相变材料的这种特性，进行对具体材料的热容量SOC

需要说明的是，整个系统在谷电或平电时段(根据MPC求解中电转热的购电量进行控制)由电锅炉(或热泵)组按MPC所求解的电功率进行储能热库的充热。在峰电或平电时段，由热库进行供暖，控制变频水泵和电磁比例阀控制流速，达到控制热负载端的温度控制。同时监测水和相变材料换热过程中，水的PH值，检测相变材料是否泄露。

作为本申请的优选实施例，该方法中的MPC算法包括以下步骤：

(1)系统与上位机进行交互获取阴晴、温度信息，修正所需热量总值；

(2)获取热库内实时温度，并与相变材料的实验数据对比，判断相变材料是否在系统可用温度范围及材料所属的状态，其中，包括液态、固态和相变态，对材料三种不同形态下，进行统一热容量建模，作为储能热库的容量百分比状态的判定；

(3)把夜间谷电时段锅炉在不同时刻的功率及电量作为MPC的解，在约束条件下，求出相应谷电时段相应时刻的用电量，并每过15分钟进行MPC的状态变量的矫正，实现储能热库的储能最大化利用，进而最大化为用户赚取峰谷电价差。

作为本申请的优选实施例，该方法每15分钟进行一次MPC的求解。

作为本申请的优选实施例，在步骤1中，具体建模方式为：

1)计算出材料最大可用储热量和无用热量：

式中，Q

2)热容量SOC

Q

Q

Q

式中，δ

作为本申请的优选实施例，步骤2中，时间节点具体为：24个小时，每小时作为一个节点。

作为本申请的优选实施例，步骤4中，实时状态变量包括实际的供暖量Q

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。