基于模型預(yù)測(cè)控制的廚余垃圾處理廠分布式發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

李安樂(lè)，易志剛，彭星

(湖南仁和環(huán)境股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410005)

0 引言

我國(guó)的廚余垃圾處理行業(yè)規(guī)模隨著城鎮(zhèn)化率的提高而逐步擴(kuò)大，隨之帶來(lái)的廠用電需求會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)不小的供電壓力。廚余垃圾處理廠現(xiàn)階段普遍通過(guò)建設(shè)沼氣發(fā)電來(lái)滿足廠用電需求，不足部分再由主網(wǎng)補(bǔ)充。然而，由于沼氣發(fā)電系統(tǒng)單位容量投資大、系統(tǒng)容量配置需要與沼氣產(chǎn)量相匹配[1－3]，處理廠內(nèi)自有沼氣電站的建設(shè)規(guī)模無(wú)法完全滿足廠內(nèi)電氣設(shè)備的用電需求。

采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是減少垃圾處理廠對(duì)電網(wǎng)的用電需求[4－6]、緩解電網(wǎng)高峰時(shí)段供電壓力的有效手段[7－10]。廚余垃圾處理廠的生產(chǎn)時(shí)間集中在05:00—19:00，用電以白天為主，白天用電量可達(dá)全天的75%，而白天正好是分布式光伏系統(tǒng)的出力時(shí)間段，所以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在垃圾處理廠中的應(yīng)用具有很高的投資價(jià)值[11－12]。而儲(chǔ)能系統(tǒng)作為提高分布式能源消納能力的主要裝置，得到了廣泛研究[13－15]。

現(xiàn)有較多對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中優(yōu)化運(yùn)行的研究，文獻(xiàn)[16]綜合考慮可調(diào)控負(fù)荷的發(fā)用電一體化綜合優(yōu)化調(diào)度策略，將可調(diào)控負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可中斷負(fù)荷，以及考慮電動(dòng)汽車(chē)等實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和用戶側(cè)收益最大化。文獻(xiàn)[17]針對(duì)平抑可再生能源功率波動(dòng)的應(yīng)用需求，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和能量進(jìn)行優(yōu)化配置計(jì)算方法進(jìn)行了研究，通過(guò)電池儲(chǔ)能的合理配置規(guī)劃，避免了電池的過(guò)充過(guò)放，優(yōu)化電池的運(yùn)行參數(shù)。文獻(xiàn)[18]提出含風(fēng)光水火電互補(bǔ)系統(tǒng)的火電日前優(yōu)化調(diào)度模型，提高了多能源優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行中新能源利用率。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究中沒(méi)有考慮分布式發(fā)電系統(tǒng)的功率預(yù)測(cè)誤差，隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的普及，如果功率的預(yù)測(cè)誤差沒(méi)有得到處理，將給電網(wǎng)帶來(lái)不必要的沖擊，并且對(duì)分布式電源在廚余垃圾處理廠用電中的運(yùn)行未進(jìn)行研究。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出基于模型預(yù)測(cè)控制的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略。首先，對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)出力進(jìn)行日前預(yù)測(cè)，結(jié)合廠用電計(jì)算出對(duì)主網(wǎng)用電量的需求計(jì)劃；然后，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度，通過(guò)合理調(diào)整沼氣發(fā)電系統(tǒng)出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)出力來(lái)平抑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)出力預(yù)測(cè)誤差。優(yōu)化調(diào)度儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC值，避免了過(guò)充過(guò)放影響壽命。最后，以某廚余垃圾處理廠實(shí)例驗(yàn)證所提方法的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

1 廚余垃圾處理廠基本結(jié)構(gòu)

本文所研究的廚余垃圾處理廠供用電系統(tǒng)主要由沼氣發(fā)電系統(tǒng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和廠用電負(fù)荷組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。所采用的小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)以380 V低電壓等級(jí)采用多回線路接入用戶變低壓側(cè)。

圖1 廚余垃圾處理廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 日前優(yōu)化調(diào)度

考慮到廚余垃圾處理廠中的分布式發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，采用了一種基于改進(jìn)長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short－Term Memory，LSTM)與高斯過(guò)程回歸(Gaussian Process Regression，GPR)的組合預(yù)測(cè)方法對(duì)分布式光伏發(fā)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)[19－20]，該方法能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲得高精度、可靠性強(qiáng)的預(yù)測(cè)結(jié)果，同時(shí)兼顧準(zhǔn)確性和可靠性。其中GPR主要用于將LSTM預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行修正。

分布式功率預(yù)測(cè)流程如圖2所示。首先補(bǔ)全分布式發(fā)電功率時(shí)間序列缺失值，并進(jìn)行歸一化，劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集；然后輸入特征數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制規(guī)劃問(wèn)題，利用遺傳算法得到最優(yōu)輸入組合及其訓(xùn)練集和測(cè)試集；再將所得結(jié)果輸入改進(jìn)LSTM中進(jìn)行訓(xùn)練，得到第一次點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果；最后將預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)值作為訓(xùn)練集和測(cè)試值輸入GPR模型中，得到最終點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖2 分布式功率預(yù)測(cè)流程

利用改進(jìn)的LSTM－GPR方法得到分布式光伏系統(tǒng)日前預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)PV，廚余垃圾處理廠的廠用電負(fù)荷PL和沼氣發(fā)電系統(tǒng)出力PB基本穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。通過(guò)式(1)可計(jì)算出廚余垃圾處理廠和電網(wǎng)的計(jì)劃交互功率PG。

電價(jià)按照當(dāng)?shù)仉娏Σ块T(mén)的電價(jià)政策實(shí)施市場(chǎng)購(gòu)電，通過(guò)與沒(méi)加分布式發(fā)電系統(tǒng)的交互功率進(jìn)行對(duì)比可得分布式發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化調(diào)度策略

分布式發(fā)電系統(tǒng)的日前預(yù)測(cè)功率和實(shí)際出力功率存在一定的誤差，雖然誤差會(huì)隨著時(shí)間尺度的減小而減小。若誤差不進(jìn)行相應(yīng)處理，隨著分布式發(fā)電的普及，會(huì)給上級(jí)電網(wǎng)及廠用電帶來(lái)功率沖擊，這不利于其在廚余垃圾處理廠的推廣。

采用儲(chǔ)能系統(tǒng)是平抑功率沖擊的有效方法，但是儲(chǔ)能電池造價(jià)昂貴，并且長(zhǎng)時(shí)間工作在過(guò)充和過(guò)放的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)加速儲(chǔ)能電池的損耗，從而帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，不符合清潔發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的理念。

為解決上述問(wèn)題，本文提出基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化調(diào)度策略[21]。借助分布式發(fā)電系統(tǒng)出力的日前預(yù)測(cè)功率來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電以平抑功率沖擊。日前預(yù)測(cè)功率由于時(shí)效性較長(zhǎng)，存在一定的誤差，因此利用模型預(yù)測(cè)控制對(duì)其進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，從而滿足廠用電的需求。

3.1 模型預(yù)測(cè)控制建模

根據(jù)廚余垃圾處理廠的功率交互關(guān)系建立優(yōu)化調(diào)度策略的狀態(tài)空間模型如式(2)所示。

式中，k表示時(shí)間狀態(tài)；x(k)表示處理廠在k時(shí)刻的狀態(tài)變量；y(k)為k時(shí)刻的輸出變量；Δu(k)表示k時(shí)刻的控制變量；Δd(k)為功率計(jì)算的不可控變量；A、B、C和D為已知的系數(shù)矩陣。各個(gè)變量的實(shí)際意義如式(3)所示。

式中，PS(k)和SS(k)分別表示k時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率、儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，PS(k)>0表示電池放電，反之表示電池充電；ΔPS(k)＝PS(k)－PS(k－1)表示k時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率增量；ΔPV(k)和ΔPL(k)分別表示k時(shí)刻分布式發(fā)電系統(tǒng)出力和廠用電負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)功率增量。

在k時(shí)刻對(duì)未來(lái)m個(gè)時(shí)間段分布式發(fā)電系統(tǒng)出力和廠用電負(fù)荷進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)，可以得到比日前預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。設(shè)從k時(shí)刻開(kāi)始往后m步的預(yù)測(cè)輸出向量為Y(k)，其展開(kāi)式如式(4)所示。

式中，y(k＋n｜k)為在k時(shí)刻對(duì)k＋n時(shí)刻的超短期預(yù)測(cè)輸出變量，整數(shù)n?[1，m]。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)和約束條件

優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)是通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電來(lái)平抑功率的日前預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)誤差，使廚余垃圾處理廠與電網(wǎng)的最終交互功率和預(yù)測(cè)的計(jì)劃交互功率PG相吻合，同時(shí)避免儲(chǔ)能系統(tǒng)的過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。

式中，Yref(k)和ΔU(k)分別表示k時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)輸出參考向量和控制向量；PG，ref(k＋n｜k)和SS，ref(k＋n｜k)分別表示在k時(shí)刻對(duì)k＋n時(shí)刻預(yù)測(cè)的并網(wǎng)交互功率和儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)；Δu(k＋n｜k)表示在k時(shí)刻對(duì)k＋n時(shí)刻預(yù)測(cè)的控制變量，這也是調(diào)度優(yōu)化所求的目標(biāo)值。

優(yōu)化調(diào)度模型需要以下約束條件。

1)功率平衡約束

廚余垃圾處理廠各部分功率交互關(guān)系如下:

2)并網(wǎng)交互功率跟蹤偏差約束

需要對(duì)處理廠與電網(wǎng)的交互功率設(shè)置約束，防止其和計(jì)劃值偏差過(guò)大，如式(8)—(10)所示。

式中，PG，max(k＋n｜k) 和PG，min(k＋n｜k) 為k時(shí)刻并網(wǎng)交互功率的上限和下限；α為允許的偏離誤差。

3)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束

式中，PS，min和PS，max分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的上限和下限；ΔPE(k＋n｜k)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)在k時(shí)刻預(yù)測(cè)k＋n時(shí)刻的功率增量。

4)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)約束

式中，SS，min和SS，max分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值的下限和上限；SS(k＋n｜k)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)在k時(shí)刻預(yù)測(cè)k＋n時(shí)刻的SOC值。

3.3 滾動(dòng)優(yōu)化

在k時(shí)刻進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)如式(14)所示。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制的思想，在k時(shí)刻測(cè)量輸出變量值y(k)，反推出k時(shí)刻的狀態(tài)變量x(k)，并對(duì)k時(shí)刻往后m個(gè)時(shí)間段進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)，得出Y(k)中的y(k＋1｜k)，y(k＋2｜k)，…，y(k＋m｜k)，這樣便可使式(5)轉(zhuǎn)化為一個(gè)二次規(guī)劃問(wèn)題；對(duì)其進(jìn)行求解可得到k時(shí)刻的控制變量ΔU(k)，取其中的第一項(xiàng)Δu(k＋1｜k)作用于下一時(shí)刻，到k＋1時(shí)刻再用求出的Δu(k＋1｜k)和測(cè)量出的y(k＋1)對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行刷新。這樣一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程就是滾動(dòng)優(yōu)化，利用此原理對(duì)廚余垃圾處理廠進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

4 算例驗(yàn)證

以某廚余垃圾處理廠作為實(shí)際算例進(jìn)行驗(yàn)證，該工廠的機(jī)電設(shè)備裝機(jī)容量為3 000 kW，最大運(yùn)行功率1 500 kW，沼氣發(fā)電機(jī)組安裝容量為1 000 kW，機(jī)組出力隨沼氣產(chǎn)量變化保持在500~950 kW，采用最大輸出功率為700 kW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，一個(gè)調(diào)度時(shí)間段Δt為5 min。

4.1 分布式光伏功率日前預(yù)測(cè)

采用基于LSTM與GPR的光伏日前功率預(yù)測(cè)方法對(duì)分布式光伏發(fā)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)，在利用其進(jìn)行光伏日前功率預(yù)測(cè)時(shí)，考慮輻射度、溫度、風(fēng)向、時(shí)間類型、濕度等影響因素。利用廚余垃圾廠內(nèi)光伏發(fā)電歷史數(shù)據(jù)，按照8∶1∶1的比例劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 分布式光伏功率日前預(yù)測(cè)曲線

結(jié)合以上分布式光伏發(fā)電曲線和廠用電負(fù)荷PL、沼氣發(fā)電系統(tǒng)出力PB，可以利用式(1)計(jì)算出垃圾處理廠和電網(wǎng)預(yù)期交互功率，其曲線如圖4所示。

圖4 工廠和電網(wǎng)預(yù)期交互功率曲線

4.2 滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度

利用滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電平抑分布式發(fā)電的日前預(yù)測(cè)誤差，該處理廠所采用的儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繛?00 kW·h，充放電工作效率為0.9，最大充放電功率為150 kW，SOC值上限為0.9，下限值為0.1。模型經(jīng)過(guò)運(yùn)行得到:未經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化的交互功率和預(yù)計(jì)交互功率如圖5所示，經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化的交互功率和預(yù)計(jì)交互功率如圖6所示(8:20—12:30)，儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC一整天的變化情況如圖7所示。

對(duì)比圖5和圖6可以得出，經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化后的處理廠和電網(wǎng)的交互功率明顯和預(yù)期交互功率更加吻合，有效避免了分布式發(fā)電系統(tǒng)日前預(yù)測(cè)誤差給電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，促進(jìn)了可再生能源的消納，證明了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在廚余垃圾處理廠的實(shí)用性。從圖7可以看出，所提優(yōu)化策略很好地避免了儲(chǔ)能系統(tǒng)的過(guò)充過(guò)放，避免了儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗。

圖5 未經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化的交互功率和預(yù)期功率

圖6 經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化的交互功率和預(yù)期功率

圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

按照全部自發(fā)自用來(lái)設(shè)計(jì)光伏裝機(jī)容量，項(xiàng)目產(chǎn)生的收益來(lái)自于抵消向電網(wǎng)購(gòu)電形成的收益減去儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗產(chǎn)生的費(fèi)用，該項(xiàng)目分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)省的電費(fèi)見(jiàn)表1。推算項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)的25年內(nèi)累計(jì)節(jié)省電費(fèi)1 355.25萬(wàn)元，分布式光伏發(fā)電投資262.5萬(wàn)元，儲(chǔ)能系統(tǒng)投資60萬(wàn)元，折舊率為8%，光伏發(fā)電利潤(rùn)912.75萬(wàn)元，投資回收期8.16年，年均投資收益率為8.3%。如能將CO2減排量開(kāi)發(fā)成CCER碳交易項(xiàng)目，預(yù)計(jì)可提高項(xiàng)目投資收益率2.7%，投資收益率為11%。

表1 光伏系統(tǒng)輸出電量統(tǒng)計(jì)表

4.4 環(huán)境效益

在廚余垃圾處理廠建立分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有較好的環(huán)境效益。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候變化司研究確定的?2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子?，采用PVsyst提供的計(jì)算方法，光伏發(fā)電替代火力發(fā)電，可以計(jì)算節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤、粉塵減排、CO2減排量、SO2減排量和NOx減排量等指標(biāo)，該項(xiàng)目25年的發(fā)電期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的減排值見(jiàn)表2。如果能將CO2減排量開(kāi)發(fā)成CCER碳交易項(xiàng)目，按20元/t價(jià)格測(cè)算，預(yù)計(jì)每年可增加收益12萬(wàn)元，與項(xiàng)目折舊費(fèi)用相當(dāng)。

表2 節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)表 t

5 結(jié)語(yǔ)

在廚余垃圾處理廠建立分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠很好地補(bǔ)充沼氣發(fā)電的電力供應(yīng)不足問(wèn)題，還能降低沼氣電站的投資并減少大氣污染物排放，滿足國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策要求?；谀Ｐ皖A(yù)測(cè)控制的分布式發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略，能夠有效降低分布式發(fā)電系統(tǒng)的引入對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有利于減少電網(wǎng)的用電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源的充分利用。實(shí)際算例驗(yàn)證了本策略能有效地降低成本、減少污染物排放，具有很高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。