一种基于相变材料的储能热库MPC控制方法

本发明涉及电网，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、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；

4、该方法包括以下步骤：

5、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socpcm的材料储能百分比的数学建模；

6、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qload(t)，根据所需供暖总量计算夜间的充热量qpcm,char(t)，每个时刻的充热量qpcm,char(t)作为mpc的解。

7、步骤3：判断socpcm是否超过100％，不超过则求解成功，超过则引入平电时段进行日间充热，重新计算mpc的解，在该时刻的mpc求解结束后，把该时刻的充热量qpcm,char(t)作为夜间锅炉的出力情况，根据公式式中pe2h为锅炉功率，得出电锅炉的实际功率，按功率折算出消耗电量；

8、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。

9、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：

10、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；

11、水系统包括盘管式换热器、水管和保温外壳；

12、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。

13、进一步地，该方法中的mpc算法包括以下步骤：

14、(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；

15、(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；

16、(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。

17、进一步地，该方法每15分钟进行一次mpc的求解。

18、进一步地，在步骤1中，具体建模方式为：

19、1)计算出材料最大可用储热量和无用热量：

20、

21、

22、式中，qpcm,max为最大可用储热量，qpcm,min为无用储热量，δqpcm为相变段的热量，qpcm,sp为固态段的热量，qpcm,lp为液态段的热量；mpcm为热库中相变材料的质量，δhm为相变材料的单位相变潜热，csp为固态相变材料的比热值，clp为液态相变材料的比热值，tpcm,max为相变材料可用温度的上限，tpcm,min为相变材料可用温度的下限，t0为室温η(t)为材料时间衰减函数，通过材料循环实验所得出。

23、2)热容量socpcm：

24、

25、qpcm，char(t)＝αcwms[tin(t)-tpcm(t)]，

26、qpcm，dis(t)＝αcwms[tout(t)-tpcm(t)]；

27、qpcm，char(t0)＜＝δsyspchar,max,qpcm,dis(t0)＜＝δsyspdis,max；

28、式中，δpcm为相变储热自放热率，qpcm,char为相变储能系统吸收的热量，qpcm，dis为相变储能系统放出的热量，hpcm,char为热库充能功率，hpcm,dis为热库放能功率，式中α为流入相变储能装置的流量百分比；cw为水的比热容；ms为储热系统的总流量；tin(t)为储热系统进口温度；tout(t)为储热系统出口温度；tpcm(t)为相变材料的实时温度；δsys为系统自放热功率；pchar,max为最大充热功率；pdis,max为最大放热功率，t0为单位时间。

29、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。

30、进一步地，步骤4中，实时状态变量包括实际的供暖量qload(t)和更新的天气信息。

31、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

32、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；

33、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。

技术特征：

1.一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，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，所述储能热库系统包括电系统、水系统和相变材料，其中：

3.根据权利要求2所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，该方法中的mpc算法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，该方法每15分钟进行一次mpc的求解。

5.根据权利要求4所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，在步骤1中，具体建模方式为：

6.根据权利要求5所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，步骤2中，时间节点具体为：24个小时，每小时作为一个节点。

7.根据权利要求6所述的基于相变材料的储能热库mpc控制方法，其特征在于，步骤4中，实时状态变量包括实际的供暖量qload(t)和更新的天气信息。

技术总结
本发明公开了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<subgt;PCM</subgt;的材料储能百分比的数学建模。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，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。

技术研发人员：邵广翼,张延迟,吴昊,吴茜,魏庆
受保护的技术使用者：上海电机学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5