基于模型預(yù)測控制的遠(yuǎn)洋海島交通船舶充電調(diào)度方案

張晉源 林湘寧 張哲原

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，武漢 430074)

在陸地資源開發(fā)過度導(dǎo)致能源儲備緊張的大前提下，開發(fā)利用海洋資源逐漸成為了世界各國的共同目標(biāo)[1-5]．受限于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件，目前遠(yuǎn)洋海島仍主要依靠柴油發(fā)電．對遠(yuǎn)洋海島而言，由于柴油等常規(guī)能源補(bǔ)給困難導(dǎo)致價格昂貴，在遠(yuǎn)洋海島清潔能源開發(fā)實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)前，船舶運(yùn)營商可考慮自建小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在風(fēng)況良好時用于給船舶充電，以降低其運(yùn)營成本．若單純利用風(fēng)電進(jìn)行充電，因風(fēng)電出力具有隨機(jī)性和波動性，和充電需求又不一定形成很好的匹配，不能保證其在出行時間到達(dá)時完成充電，因此配備常規(guī)柴機(jī)充電樁，在風(fēng)電不能完全滿足充電需求時進(jìn)行輔助供能．

關(guān)于如何利用可再生能源發(fā)電和常規(guī)能源的協(xié)同對電動船舶進(jìn)行充電的研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)幾近空白．但是，如何利用可再生能源發(fā)電和常規(guī)能源的協(xié)同對電動運(yùn)載工具、如電動汽車進(jìn)行充電，則已經(jīng)積累了較為豐富的研究成果．其中，文獻(xiàn)[6]提出了一種通過控制規(guī)模化電動汽車的充放電，使其能夠與現(xiàn)有的風(fēng)力/火力發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度策略．文獻(xiàn)[7]介紹了近年來充電負(fù)荷、充電控制領(lǐng)域內(nèi)的研究成果，涉及充電負(fù)荷仿真分析模型、充電控制效益、充電控制策略研究等方面，同時指出了尚未解決的問題和可能的研究方向．文獻(xiàn)[8]在電動汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，提出了協(xié)同調(diào)度碳減排效益的測算模型，定量分析了電動汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度在電網(wǎng)和交通領(lǐng)域的碳減排效益．

以上工作為利用可再生能源發(fā)電和常規(guī)能源的協(xié)同對電動運(yùn)載工具進(jìn)行充電奠定了一定的基礎(chǔ)，但這類研究中，常規(guī)能源往往是大電網(wǎng)，其電價與可再生能源價格之間差異不大，因此，可再生能源提供的電能往往僅作為補(bǔ)充；所研究的電動汽車對象其出行時間沒有剛性約束，因此，其充電策略往往僅僅是傾向于成本最低，這類對象跟本文擬研究的通勤電動船舶有顯著差異，因此完全滿足本文探討的遠(yuǎn)洋海島電動通勤船舶低成本運(yùn)行策略仍屬全新的領(lǐng)域，亟待提出新的解決方案．為此，本文擬提出一種可行的遠(yuǎn)洋海島交通船舶充電調(diào)度方案，在對船舶蓄電池剩余電量進(jìn)行監(jiān)測的前提下，應(yīng)用模型控制預(yù)測[9]對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測，并針對24 h運(yùn)行于固定航線的班船[10]，研究了其充電調(diào)度方案，使得其充電成本最低．算例仿真結(jié)果驗證了本文所提充電方案的有效性．

1 調(diào)度場景及基本模塊簡介

1.1 場景及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

在本文場景設(shè)定中，假定某中小型遠(yuǎn)洋海島群共有6艘通勤電動船舶，每艘船舶的電池額定功率及容量均相同．風(fēng)電發(fā)電機(jī)組和柴機(jī)組額定功率需根據(jù)船舶充電的實際需求進(jìn)行確定．

假定船舶航線固定，航行一圈用時5 h，耗電量為電池容量的50%，船舶的荷電狀態(tài)不能低于30%，所以船舶的出行條件為：第一艘船舶出行時間為7：00am，船舶發(fā)船間隔時間為1h，剛好可以保證24 h不間斷運(yùn)行．船舶出行時間詳見表1．

表1 船舶出行時間表

船舶運(yùn)營商為了節(jié)省成本，自己利用風(fēng)能發(fā)電，所發(fā)風(fēng)電多余部分以1元/(kW·h)賣給電網(wǎng)，常規(guī)機(jī)組所發(fā)電的購買價格為5元/(kW·h)；為縮減成本，船舶的運(yùn)行能源主要依靠運(yùn)營商自己所發(fā)風(fēng)能．由于港口空間有限，每種能源接口每次僅能對一艘船舶進(jìn)行充電．

船舶電池剩余電量為EB(t)，電池容量為EBM，船舶航行一圈能量消耗固定為EC，蓄電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)記為：

(1)

在第t小時內(nèi)，風(fēng)電發(fā)電功率為PW(t)，風(fēng)電發(fā)電量為W(t)，船舶充風(fēng)電量為wc(t)，柴機(jī)組發(fā)電量等于為F(t)，船舶的總充電量為S(t)，風(fēng)電并網(wǎng)的電量為e(t)，充電成本為c(t)．

1.2 風(fēng)電功率預(yù)測模塊

由于超短期風(fēng)電功率預(yù)測模塊輸出的預(yù)測結(jié)果是混合充電系統(tǒng)模型預(yù)測控制策略的前置輸入，因此需要結(jié)合一種良好的風(fēng)功率預(yù)測算法．獲取同一風(fēng)電場的實際功率數(shù)據(jù)，利用文獻(xiàn)[11-14]的4種風(fēng)功率預(yù)測算法對風(fēng)電功率進(jìn)行時間分辨率[15]為15 min、為期3 h的風(fēng)功率預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果進(jìn)行歸一化評判．評判結(jié)果證明基于本文所采用的風(fēng)電場功率數(shù)據(jù)，極限學(xué)習(xí)機(jī)(extreme learning machine，ELM)略優(yōu)于其他算法．因此，選擇采用預(yù)測前瞻周期3 h并隨時間推進(jìn)而實時更新的ELM算法[13]作為風(fēng)電功率預(yù)測方法．

1.3 混合充電控制模塊

混合充電控制模塊的核心是MPC控制模塊，其輸入包括實時獲取的最新超短期風(fēng)電功率預(yù)測數(shù)據(jù)Pw(Δti)、船舶的剩余電量EB(t)以及柴機(jī)組輸出功率Pf，在線求解有限時域優(yōu)化問題后，輸出本調(diào)度周期內(nèi)的混合儲能系統(tǒng)充放電功率．

由1.2節(jié)，風(fēng)電預(yù)測信息每15 min更新一次，因此，為了在每一次迭代計算中都能恰好獲取最新的預(yù)測數(shù)據(jù)，將MPC的采樣時刻設(shè)置為15 min，4次采樣間隔之間執(zhí)行一次充電調(diào)度．

2 混合充電系統(tǒng)模型預(yù)測控制策略

由1.2已知，對風(fēng)電功率預(yù)測的時間分辨率為15 min范圍3 h．而每艘船的充電時間為1 h，所以船舶的充電時間可分為4個15 min的時段：Δt0、Δt1、Δt2、Δt3，再將此4段分為兩段，前45 min為時段A，最后15 min為時段B，則A、B段的風(fēng)電發(fā)電量分別為WA、WB：

WA(t)=Pw(Δt0)×Δt+

Pw(Δt1)×Δt+Pw(Δt2)×Δt

(2)

(3)

WB(t)=Pw(Δt3)×Δt

(4)

設(shè)在第t小時，船舶充電前后的剩余電量分別為EBq(t)和EBh(t)．充電系統(tǒng)的調(diào)度策略與船舶充電前剩余電量EBq(t)和充電時間內(nèi)的風(fēng)電功率Pw(t)有關(guān)．

常規(guī)機(jī)組將電池SOC由30%提升至80%用時設(shè)定為

(5)

針對此情況，制定了如下調(diào)度策略：

①船舶起充前的剩余電量與預(yù)測的風(fēng)電發(fā)電功率足夠大時，即在1 h內(nèi)僅用風(fēng)電便可將船舶的剩余電量充滿．即滿足公式：

(6)

則調(diào)度策略1為：對船舶充風(fēng)電至滿后將風(fēng)電并網(wǎng)．在此情景下，船舶充風(fēng)電量為

wc(t)=EBM-EBq(t)

(7)

柴機(jī)組發(fā)電量F(t)為零；船舶的總充電量為

S(t)=wc(t)

(8)

風(fēng)電并網(wǎng)的電量為

e(t)=EB(t)+W(t)-EBM

(9)

充電成本為

c(t)=-1×e(t)

(10)

②當(dāng)船舶起充前的剩余電量與預(yù)測的風(fēng)電發(fā)電功率滿足公式：

Pw(Δt3)×Δt≤EBM

(11)

即在1 h內(nèi)風(fēng)電量滿足出行條件但不能使電池充滿，則需要在第45 min的預(yù)測考慮20%的偏差裕度，當(dāng)滿足公式：

0.8×Pw(Δt3)×Δt

(12)

即最后15 min預(yù)測風(fēng)電量的80%與船舶起充剩余電量及前45 min充電量之和達(dá)到0.8EBM．

調(diào)度策略2為：繼續(xù)對船舶充風(fēng)電最后15 min在此情景下，船舶充風(fēng)電量為

wc(t)=W(t)

(13)

柴機(jī)組發(fā)電量為零；船舶的總充電量為

S(t)=wc(t)

(14)

風(fēng)電并網(wǎng)的電量e(t)為零；充電成本c(t)為零．

③若不能滿足方程(12)，則調(diào)度策略3為：對船舶充45 min風(fēng)電后，切換到常規(guī)機(jī)組充電至滿足出行條件為止，風(fēng)電在45 min時并網(wǎng)直到下一艘船接入充電．在此情景下，船舶充風(fēng)電量為

wc(t)=WA(t)

(15)

柴機(jī)組發(fā)電量為

F(t)=0.8EBM-EB(t)-WA(t)

(16)

船舶的總充電量為

S(t)=wc(t)+F(t)

(17)

風(fēng)電并網(wǎng)電量為

e(t)=WB(t)

(18)

充電成本為

c(t)=-e(t)+5×F(t)

(19)

④若船舶起充前的剩余電量與預(yù)測的風(fēng)電發(fā)電功率過小，既不滿足公式(6)也不滿足公式(11)，此時：

(20)

即風(fēng)電充1 h不考慮20%的偏差裕度也無法滿足出行條件，則執(zhí)行的調(diào)度策略4與調(diào)度策略3相同．在此情景下，船舶充風(fēng)電量為

wc(t)=WA(t)

(21)

柴機(jī)組發(fā)電量

F(t)=0.8EBM-EB(t)-WA(t)

(22)

船舶的總充電量為

S(t)=wc(t)+F(t)

(23)

風(fēng)電并網(wǎng)電量為

e(t)=WB(t)

(24)

充電成本為

e(t)=-e(t)+5×F(t)

(25)

在1 h的充電調(diào)度中，最后15 min的充電策略是核心．需根據(jù)考慮了偏差裕度的最后15 min的風(fēng)電預(yù)測發(fā)電量大小，進(jìn)行充電策略的調(diào)整．若公式(12)滿足，則最后15 min不用切換電源，否則必須切換．

MPC充電策略執(zhí)行流程圖如圖1所示．

圖1 模型預(yù)測控制充電策略執(zhí)行流程

3 算例分析

3.1 算例場景

算例共有6艘通勤電動船舶，每艘船舶的電池額定功率均為200 kW，容量均為100 (kW·h)．風(fēng)電發(fā)電機(jī)組及柴機(jī)組最大功率為200 kW，船舶航線固定，航行一圈用時5 h，耗電量為50 (kW·h)，船舶的荷電狀態(tài)不能低于30%，出行時荷電狀態(tài)不能低于80%．仿真在Matlab平臺中進(jìn)行．

風(fēng)電發(fā)電機(jī)組和柴機(jī)組額定功率需根據(jù)滿足船舶出行的充電需求進(jìn)行確定．一般而言，船舶蓄電池的荷電狀態(tài)SOC必須始終≥30%，否則會損害電池壽命．在上面已假定電池容量為100 (kW·h)，船舶航行一周耗電量為50 (kW·h)，因此船舶出行時蓄電池的荷電狀態(tài)約束必須SOC≥80%．由于對于實時調(diào)度和超短期預(yù)測而言，其調(diào)度周期和預(yù)測周期均為15 min，最不利的情形是：在實時調(diào)度的最后一個周期(15 min)到來前，由于無風(fēng)，電池SOC總維持30%，且預(yù)測發(fā)現(xiàn)最后15 min仍無風(fēng)，為滿足出行需要，在充電的最后15 min由常規(guī)電源充電至80%，即充入50 (kW·h)的電量，由此折算得到的柴機(jī)組功率應(yīng)為200 kW．

至于風(fēng)機(jī)的定容，在最理想的風(fēng)況下(額定風(fēng)速～25 m/s)，風(fēng)機(jī)能按額定功率輸出，則其容量定為50 kW完全可以在1h充入50 (kW·h)的電能，滿足船舶出行的需要．但實際風(fēng)速在很多時候低于額定風(fēng)速，為盡可能利用風(fēng)能，風(fēng)機(jī)功率應(yīng)該適當(dāng)提高，當(dāng)其功率提高至200 kW時，一方面，該功率適配了電池功率，另一方面，即便前45 min仍無風(fēng)，一旦最后15 min風(fēng)速在額定風(fēng)速以上，仍可以僅由風(fēng)機(jī)充電至80%，滿足船舶出行需求．如繼續(xù)提升至200 kW以上，當(dāng)風(fēng)速達(dá)額定風(fēng)速以上后，風(fēng)機(jī)輸出功率已經(jīng)超過電池額定功率，如不想棄風(fēng)，必須再配置一臺與電網(wǎng)連接的逆變器，這變相增加了投資和運(yùn)行成本，顯然是不太恰當(dāng)?shù)模虼耍L(fēng)機(jī)的適當(dāng)功率應(yīng)在50 ～200 kW之間．為充分利用風(fēng)能，本文姑且建議風(fēng)機(jī)定容按上限，即也定為200 kW．在工程中具體該如何定容，應(yīng)根據(jù)實際風(fēng)況、以及海島電網(wǎng)收購風(fēng)電的價格等確定．

關(guān)于建模時的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)來源，從文獻(xiàn)[16]獲取了某風(fēng)電場全年8 760 h的風(fēng)速數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)是以1 h為分辨率，超短期預(yù)測需用到15 min為分辨率的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)洋海島上的以15 min為分辨率的風(fēng)速數(shù)據(jù)不論從文獻(xiàn)還是從現(xiàn)場調(diào)研都不易獲?。疄榇?，對上面的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了內(nèi)插，形成了8 760×4個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再從中截取了48 h的數(shù)據(jù)作為典型日數(shù)據(jù)，如圖2中的紅色曲線所示，橫坐標(biāo)每15 min為一刻度，也代表了調(diào)度的分辨率．在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用1.2節(jié)描述的ELM算法進(jìn)行超短期預(yù)測，得到風(fēng)電超短期預(yù)測的時間序列，如圖2中的藍(lán)色曲線所示．調(diào)度方案生成依據(jù)的正是以上超短期預(yù)測數(shù)據(jù)．

圖2 典型日風(fēng)電功率輸出及其預(yù)測波形(每0.25 h)

3.2 典型日充電調(diào)度效果對比

3.2.1 典型日柴機(jī)單獨(dú)作用下充電效果

由于默認(rèn)船舶首次出行前電池電量為滿狀態(tài)，所以第一艘船實際開始充電時間為12：00，所以相應(yīng)調(diào)度數(shù)據(jù)從12：00開始采集．

當(dāng)只有柴機(jī)作用時，典型日柴機(jī)發(fā)電量如圖3所示，當(dāng)經(jīng)過前12 h消耗后，6艘船從18：00開始，航行一圈消耗的50 kW·h電能均由常規(guī)機(jī)組補(bǔ)充．

在柴機(jī)單獨(dú)作用下，充電成本均源于購置柴機(jī)發(fā)出的電能，該成本與充電所消耗的總電量成正比，每個小時的充電如圖4所示，經(jīng)積分計算后得到充電總成本，為5 150元．

3.2.2 典型日風(fēng)機(jī)柴機(jī)共同作用下充電效果

圖5所示為風(fēng)電(藍(lán)色)與柴機(jī)電(紅色)之和在典型日各小時段發(fā)電量波動圖．16-19、34-36、41、42為第2節(jié)中情景①的調(diào)度；22、25、28、37、40、45顯示了情景②的調(diào)度；由第2節(jié)可知，情景③與情景④的調(diào)度方式相同，所以剩余部分皆為情景③、④的調(diào)度方式．

圖3 柴機(jī)單獨(dú)作用下典型日發(fā)電量

圖4 柴機(jī)單獨(dú)作用下典型日充電成本

圖5 典型日風(fēng)力發(fā)電機(jī)及柴機(jī)發(fā)電量累計時序序列

風(fēng)電并網(wǎng)電量如圖6所示，出現(xiàn)第2節(jié)中情景②時，并網(wǎng)風(fēng)電量為零．

圖6 典型日每小時并網(wǎng)風(fēng)電量波動圖

對由柴油發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)互為補(bǔ)充充電的模式而言，典型日的充電成本曲線如圖7所示．其中，由柴油機(jī)充電的那部分電量其成本與充電所消耗的總電量成正比，以5元/(kW·h)產(chǎn)生正的成本，由風(fēng)電充電的那部分電量則成本為零；當(dāng)充風(fēng)機(jī)單獨(dú)出力已經(jīng)能正好滿足船舶充電需求時，充電的運(yùn)行成本為零；當(dāng)充風(fēng)機(jī)單獨(dú)出力不僅能滿足船舶充電需求還有富余，該富余電能向電網(wǎng)回饋，可以收到1元/(kW·h)賣電利潤，導(dǎo)致充電的運(yùn)行成本為負(fù)，如圖8的橫軸下半部分波形所示，這正好驗證了情景①僅有風(fēng)電發(fā)電且風(fēng)電有余量的情況；而充電成本為零則驗證了情景②風(fēng)電量能滿足出行條件但不夠電池充滿的情況．對圖7的波形進(jìn)行積分計算，得到其充電總成本為2 241.3元，相對于單純柴機(jī)發(fā)電，成本降低了56.47%．

圖7 典型日每小時發(fā)充電成本

典型日各小時船舶出發(fā)前SOC狀況如圖8所示．在情景①的調(diào)度策略執(zhí)行后，船舶電量充滿；情景②的調(diào)度策略執(zhí)行后，船舶雖不能充滿，但SOC超過出行條件要求的80%；而情景③和情景④對應(yīng)的調(diào)度策略剛好使得船舶在出行前SOC達(dá)到80%．

圖8 典型日各小時船舶出發(fā)前SOC波動圖

4 結(jié) 語

本文提出由風(fēng)電發(fā)電樁和常規(guī)柴機(jī)組發(fā)電樁組成的充電系統(tǒng)，設(shè)計出通過輸入船舶充電前剩余電量并根據(jù)風(fēng)電功率的預(yù)測結(jié)果，采用MPC方法求取最優(yōu)充電調(diào)度決策．算例仿真表明，該方案能充分利用MPC控制方法的前瞻性優(yōu)勢，實現(xiàn)對船舶充電的優(yōu)化調(diào)度，完成減小充電成本的目的．