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压缩自然资源能源成本管理的模型预测控制策略
汽油加油站
Charles Kagiri Lijun张晓华*电气电子与计算机工程系
比勒陀利亚大学(电子邮件:kagiricharles@gmail.com)。1 .东北大学，辽宁沈阳110004
摘要:在分时电价环境下，压缩天然气站压缩机运行优化调度能够显著降低电力成本。提出了一种压缩机活动调度的模型预测控制策略。该策略确保了对天然气需求模式可能发生的变化作出强有力的响应，同时将电力成本最大限度地减少了53.87%。
关键词:模型预测控制，压缩天然气，需求响应，扰动。
1.介绍
为了减缓气候变化的影响，减少对能源的依赖，改善空气质量，使用化石燃料替代品驱动的车辆被确定为一项重要战略，将大大有助于实现上述目标(Yeh（2007年)）。然而，全球运输仍然主要由内燃机(ICE)主导，因为它与竞争技术相比具有多功能性(Lave和MacLean（2002)）。在从化石燃料过渡的过程中，压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)等较低的排放选择被证明是ICE的汽油和柴油的可行的低排放替代品(Weaver（1989)）。已证明CNG提供最低的温室气体排放，并为车主提供最低的碳氢化合物燃料总所有权成本(Hesterberg等人。（2008)）。因此，CNG在全球范围内的使用越来越多，以及CNG交付给最终用户的基础设施(Frick等人。(2007)).
CNG快速加油站特别受路边CNG加油站的欢迎，因为它允许消费者在四到五分钟内为他们的车辆加油，这与柴油和汽油泵的加油时间相当(Khadem等人。（2015)）。为车辆加油而必须进行的CNG 压缩会产生电费，从而导致向消费者运送天然气的费用。从性能、操作、设备和技术角度考虑能源效率策略， CNG加油站可以从中受益（夏和张(2010）；夏等人。（2012 年)；夏和张(2015年)）。CNG站提高能源效率有助于降低天然气输送成本，从而降低天然气价格，从而提高CNG作为运输燃料的吸引力。
对压缩天然气快速加气站的研究在文献中具有重要意义热力学第一定律，由孔兹(1994)著。随后，研究人员对该模型进行了改进，考虑了快速加气站与气体相互作用的不同成分，给出了CNG站的数学描述(farzane - gord (2008);Deymi-Dashtebayaz等(2012);Khadem等(2015))。关于CNG换料基础设施与电网网络之间的相互作用的研究很少(Bang等人(2014))。本文提出了一种基于分时电价(TOU)的加气站运行优化策略，以实现电力成本的最小化。分时电价是电力供应商实施的一种需求响应(DR)战略，目的是影响消费者在其用电模式中的行为，以应对基于时间的差别定价(Albadi和El-Saadany (2008);Nwulu and Xia (2015);夏万吉儒(2015))。DR项目在短期内为参与者带来经济利益，同时在长期内降低系统总容量需求，并通过最大限度地减少被迫中断的可能性来提高电网的可靠性(Setlhaolo等人(2014))。以降低加气站电费为目标的加气站运行模型预测控制(MPC)策略是本文的新贡献。MPC方法已经被用于各种过程优化问题，因为它能够处理硬约束和状态以及可能的干扰(Mayne等人(2000);Wanjiru等(2016);梅与夏(2017);夏等(2011))。由于各种过程优化应用的通用性，经济的MPC工作在最近的文献中特别受欢迎(Rawlings等人(2017);Van Staden等人(2011))。在涉及需求侧能源管理问题的应用中，如当前研究(Wu et al. (2015);张夏(2016))。目前的问题需要预测未来快速加气站的行为优化最小电力在处理加油站天然气需求可能出现的干扰时的成本。
压缩机
u
相比
优先级面板
级联存储
mmax
高压
中等压力
低压
自动售货机
莫
米min
图1所示。快速加气站布局示意图
2.战略制定
CNG加气站示意图如图1所示。在基线运行时，公用事业的气体在站压缩机处被压缩，在开关u处被打开。这些气体被填充到级联存储的三个储罐中，以提高与质量最小m相对应的最小值的压力min。气体通过优先面板阀，在级联存储的三层之间转移填充，直到达到与最大气体质量m相对应的最大压力max,当压缩机关掉。车辆助长车站通过分发器接收气体的公斤级联存储与分发器算法补偿温度变化和级联的三个层次之间切换存储,确保气体的流量保持在一个最小值。当级联库中气体浓度达到m时min时，打开压缩机补充库存。电站压缩机运行所产生的电力成本取决于一天中的时间，因为压缩机是在TOU制度下运行的。本研究的目的是优化安排压缩机的启动时间，以满足加油站的天然气需求，同时产生最低的电力成本。该系统被认为是一个质量流系统，从级联存储到车辆的质量必须由压缩机充分补充，以使后续车辆得到充分的填充。压力限制的三个水库梯级存储通常这样质量的气体在存储能够填补任何汽车参观CNG站和相应的质量限制系统被认为是一个质量流系统(Kagiri et al .(2017、2018))。提出了一种鲁棒的MPC方法，既能确定系统在控制范围内的性能，又能保持系统对天然气需求干扰的处理能力。通过求解有限开环优化问题，以系统在级联存储中气体质量的当前状态为初始值，得到了当前时刻的控制动作国家(Bemporad等人(2002))。压缩机开关u，是控制变量，用于解决当前的问题
这是开关在k处的预测状态th 基于时间t和N时可用信息的采样间隔是控制视界和t。
(2)
其中T是总模拟时间和Ts 为采样时间。目标函数是从压缩机启动时间开始最小化电力成本
Pcomp 是压缩机的额定功率，Pe(k)为每千瓦时的电价。限制压缩机开关的开/关操作频率也很重要，因为高频率的启动/停止实例会增加压缩机机械部件的磨损(Nguyen等人(2008))。我们使当前控制时刻的第一个控制步解的值与前一次迭代的第一个控制步解的值之间的差值最小
吗?
其中xi;值是一个加权因子，它的选择是为了在不增加电力成本的前提下，达到最小的开关次数。目标函数受存储容量的约束
(5)
(6)
其中mcmp压缩机的气体的质量流量，mo(i)是在i中分配的气体th采样瞬间，其值为控制层位上的气体需求剖面。该算法将线性不等式转化为
其中
AXle;b形式的线性不等式约束变成
此外，目标函数受终端约束
在算法中可以写成
其中
问题的控制向量Xmpc可以写入标准格式
在通用的OPTI工具箱求解算法中目标函数表示为
在采样瞬间t，控制器解决了视界N的开环优化 问题。解决方案中控制变量u(kk)的第一个元素是在工厂上实现的唯一元素。然后测量状态 m(jk)，并将被测量反馈给控制器，作为系统的初始质量，用于随后的采样瞬间，k 1。所有输入变量也被更新和优化周期重复到整个模拟实践结束。
MPC控制器的工作流程为:
(1)对于瞬时t，利用式(2)求出控制视界N(t)
(2)通过最小化目标函数(4)，使m(k)受约束条件(5)和约束条件(13)，在控制范围内找到控制变量uisin;{0,1}的最优解。
(3)从溶液中只实现u(k|k)到工厂
(4)测量状态m(k 1)进行反馈
图2所示。快速加气站单位的压缩天然气需求
(5)设置k = k 1，更新系统状态、输入和输出
(6)重复步骤1-5，直到k达到预定义值
3.案例研究
南非约翰内斯堡的一个天然气加气站是目前工作的案例研究。该电站的天然气由市政管道供应，通过一台容量为900Nm3/hr的132kW往复式压缩机，该压缩机具有三条线路的优先面板，为6000L级联存储。梯级储罐的高压、中压和低压最小工作压力分别为210、150和75 bar，三级梯级储罐均充注最大压力为250bar。
图2显示了加油站分配器24小时控制范围内的天然气需求概况。早晨5点到10点之间是天然气需求的高峰时段，这是人们开始前往一天中不同目的地的时间。在下午晚些时候的15:00，由于驾车者要为傍晚的人流高峰时间加满油，也会出现大量的需求高峰。尽管一些驾车者为第二天的旅行加油，但夜间的汽油需求比白天要少。该电站从南非国家公用事业供应商Eskom购买电力，根据Miniflex TOU电价，电价为Pe在南非，兰特每千瓦时(R/kWh)为
与poffpeak pstandard和ppeak的价格标准
非高峰时间、标准时间和高峰时间分别由公用事业公司决定。从级联储气库中所持气体的最大质量m开始max 当压缩机关闭时，车辆在基线运行中加油，直到储存的气体质量降至最小mmin。打开压缩机开关u，将级联库填满，直到m库的气体质量达到最大值max 是压缩机关机和循环时达到。
储存的CNG质量(Kg)
1
压缩机开关,你
非高峰
标准
峰
0
20.
0
5
10 15时间(小时)
750
700
650
600
550
500
450
0
5
10
时间(小时)
图3所示。压缩机运行和级联存储中的气体水平低于基线运行
个别车辆所需气体(公斤)
12
个别车辆每小时的汽油需求
10
8
6
One hundred.
90
80
70
60
50
40
30.
20.
10
0
每小时的天然气需求(公斤)
4
2
0
0
5
10
15
20.
时间(小时)
图4所示。快速加气站单元的压缩天然气需求受到需求剖面干扰
是重复的。图3显示了压缩机开关在基线运行时的动作和级联储存中气体质量的变化。压缩机运行在上午高峰电价时间、标准电价时间以及傍晚高峰电价时间的部分开通，当日的电费为432.59 r。目前的研究优化了压缩机的运行，使压缩机在较高的电价时间内的开机状态最小化，同时使开关频率最小化，并具有对干扰的响应能力。
3.1燃气需求干扰
天然气需求的突然变化引起的一些车辆转移推动时间20:00,23:59至17点至19点被认为是一个似是而非的干扰来源天然气快速进水,这样的天然气需求的变化,如图2所示,在图4。该扰动的特征是在研究的24小时期间的最后两个小时内没有车辆加油。
4.结果与讨论
利用Matlab的OPTI工具箱界面中的SCIP求解器，在控制时间为24小时，xi;值为0.2的采样时间为4分钟的条件下，得到了优化问题的解。压气机开关动作和级联存储质量状态如图5所示。压缩机刚好在早晨高峰前打开，以补充级联存储，以便存储中的气体能够维持早晨的需求
储存的CNG质量(Kg)
压缩机开关,你
5
10
1
0
0
20.
时间(小时)
0
750
700
650
600
550
500
450
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