[论文解读] Control of Energy Storage in Home Energy Management Systems: Non-Simultaneous Charging and Discharging Guarantees

Kaitlyn Garifi, Kyri Baker+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Smart Grid Energy ManagementEngineering参考文献 23被引用 19

一句话总结

本文提出了一种基于模型预测控制（MPC）的家庭能量管理系统（HEMS）的凸优化公式，该公式在基于线性储能系统（ESS）的模型中保证了非同时充放电。通过利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最优性条件，该方法确保在各种电价方案（包括分时电价（TOU）和净计量）下，次优解不会涉及同时的ESS充放电，即使在考虑效率损耗的情况下也是如此。

ABSTRACT

In this paper we provide non-simultaneous charging and discharging guarantees for a linear energy storage system (ESS) model for a model predictive control (MPC) based home energy management system (HEMS) algorithm. The HEMS optimally controls the residential load and residentially-owned power sources, such as photovoltaic (PV) power generation and energy storage, given residential customer preferences such as energy cost sensitivity and ESS lifetime. Under certain problem formulations with a linear ESS model, simultaneous charging and discharging can be observed as the optimal solution when there is high penetration of PV power. We present analysis for a proposed HEMS optimization formulation that ensures non-simultaneous ESS charging and discharging operation for a linear ESS model that captures both charging and discharging efficiency of the ESS. The energy storage system model behavior guarantees are shown for various electricity pricing schemes such as time of use (TOU) pricing and net metering. Simulation results demonstrating desirable ESS behavior are provided for each electricity pricing scheme.

研究动机与目标

• 解决基于MPC的HEMS中凸公式化下可能出现的ESS同时充放电问题，尽管这在物理上不可行。
• 提供理论保证，证明在诸如TOU和净计量等现实电力定价方案下，同时运行是次优的。
• 在不采用非凸或限制性ESS模型的前提下，确保非同时ESS运行，同时保持计算可处理性。
• 证明在目标函数中引入ESS寿命惩罚项可增强非同时运行的保证，尤其是在高峰时段电力免费时。
• 通过多种定价情景的仿真验证所提出的公式，显示一致且符合物理实际的ESS行为。

提出的方法

• 构建一个基于凸MPC的HEMS优化问题，采用线性ESS模型，通过参数$\eta_c$和$\eta_d$捕捉充放电效率。
• 通过电价$c_e^{(t)}$将分时电价（TOU）和净计量纳入目标函数，其中在高峰时段$c_e^{(t)} = 0$。
• 在目标函数中引入惩罚项$\alpha \cdot P_{\rm ch}$和$\beta \cdot P_{\rm dis}$，以抑制同时的ESS充放电。
• 对优化问题应用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，分析原始变量和对偶变量，证明同时运行是次优的。
• 利用KKT分析推导出任何包含同时ESS充放电的解均不可能是最优解的条件，从而保证非同时行为。
• 通过在多种TOU和净计量情景下对功率曲线、ESS荷电状态（SoC）及充放电行为的仿真，验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于线性ESS模型的凸MPC-HEMS公式中，什么条件下同时ESS充放电是次优的？
• RQ2 不同的电力定价方案——特别是TOU和净计量——如何影响同时ESS运行的最优性？
• RQ3 目标函数中的惩罚项是否可以在不引入非凸性或限制性ESS模型的前提下，确保非同时ESS运行？
• RQ4 ESS寿命建模在增强非同时运行保证方面起什么作用，尤其是在高峰时段电力免费时？
• RQ5 KKT最优性条件能否被正式用于证明在现实HEMS约束下，同时ESS充放电不可能是任何最优解的一部分？

主要发现

• 在所有研究的情景下，包括TOU电价和净计量，通过KKT条件证明了同时ESS充放电是次优的。
• 当高峰时段电价为零时，目标函数中引入ESS寿命惩罚项（$\alpha$和$\beta$）是确保非同时运行的必要条件。
• 在不允许反送电的TOU电价下，ESS在低谷和肩峰时段充电（当太阳能超过负荷时），并在高峰时段放电以避免使用电网，表现出非同时行为。
• 在净计量且高峰时段电力免费的情况下，ESS在高峰时段充电（当电力免费时），在高峰时段放电，同时将多余太阳能反送电网，证实了非同时运行。
• 仿真结果表明，在所有情况下，ESS的充放电行为均保持一致且非同时，ESS荷电状态（SoC）根据电价和太阳能可用性动态调整。
• 所提出的公式避免了使用非凸或非光滑的ESS模型，同时保持了计算效率，并确保了物理上真实的ESS动态行为。