ISBN: (纸本)9787111717508

关键词： 经济模型预测控制   分布式模型预测控制   分片线性建模   能源调度与分配  

摘要： 建筑能耗大约占据了全球能耗的40%。本文的主要工作是提供几种控制策略在确保室内舒适的前提下尽可能节省建筑能耗。对于具有结构复杂、热容量大等特征的现代建筑,传统的开关控制和PID控制往往达不到期望的控制效果。一方面是因为传统的控制方法过于简单,没有处理约束的机制;另一方面是因为传统的控制方法几乎都是设定跟踪值的定值控制,最优的跟踪点会受到人员、环境等因素发生变化,而传统方法不能做出及时的调整。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为建筑控温领域最先进的控制手段之一,其最鲜明的特点是能够灵活地处理各种约束。当MPC被应用于智能建筑系统,控制器能够提前接收到建筑物的占用信息,并通过优化计算得到空调系统的设定点,使室内热环境舒适的同时避免不必要的能源消耗。本文在MPC的基础上,开发了几种用于建筑室温控制和能源调度分配的经济模型预测控制(Economic MPC,EMPC)方案。 本文的研究工作如下: (1)基于不适度指数提出了一种考虑到建筑占用信息、当地电价等因素的EMPC方案,使用机理建模的方式建立建筑物的电阻电容(Resistance-Capacitance,RC)模型作为EMPC的预测模型,该方案通过求解优化问题能够在保障室内环境热舒适性的条件下尽可能地节约空调系统的能耗。优化问题的目标函数最初是非线性的,经过线性化近似,使得原有的非线性优化问题转化成线性优化问题,在减少了大量的计算时间的同时控制效果基本不变。 (2)仅用温度来评价室内舒适性并不全面,因此引入了预计平均热感觉指数(Predicted Mean Vote,PMV)作为衡量舒适性的指标。本文使用分片线性建模方法来近似PMV指数的原始非线性公式,并提出一种同时优化PMV指数和空调能耗的EMPC方案。针对该方案需要求解的分片二次规划问题,本文开发了一种迭代算法进行求解,并从理论上证明了该算法是一个下降迭代算法以及该算法能够收敛到分片二次规划问题的局部最优解。与现有的分片二次求解算法相比,本文算法的收敛速度更快,并且受子区域扩张和预测时域增加的影响更小。 (3)针对能源容量有限,有时不能满足全部房间能源需求的可再生能源系统,本文提出了一种划定供能优先级的分布式能源分配策略。该策略为每个房间配置一个子控制器,子控制器和自己的邻居交换信息并求解优化问题,需要求解的优化问题的规模小于集中式的情景,并不随着系统规模的增大发生变化。同时,该策略允许用户设置优先顺序,控制器会为优先级高的房间充分供能,实现满足紧急供能需求的目的。在该策略下,所有的子系统并行优化,大大提升了计算效率,并具有很好的可拓展性。

关键词： 移动边缘计算   5G超密集网络   资源定价机制   平均场博弈   拍卖算法  

摘要： 移动边缘计算通过将任务从云端下沉到边缘服务器执行来为用户提供低时延、高品质的服务。但在5G(the 5th Generation Mobile Communication Technology,5G)超密集网络下大量边缘服务器节点的相互竞争用户,使得边缘服务器节点的通信开销和计算开销有所增加,与此同时每个边缘服务器的资源是有限的,针对边缘服务器如何制定合适的资源配置策略,既能满足用户服务体验质量,同时又能满足边缘服务器的利益和整个边缘计算系统的效益,就成为MEC中一个亟须解决的关键问题。在对MEC中资源配置策略的国内外技术和经济层面的相关研究进行了全面的分析后,本文围绕多用户多服务器环境下,资源配置过程中的服务价格、用户动态性、边缘服务器竞争性及MEC系统整体效益等问题展开研究,提出结合经济模型的资源分配策略,论文主要工作如下。首先,针对服务器竞争性和用户动态性问题,提出基于平均场博弈的资源分配策略。综合考虑资源分配带来的通信代价与计算代价,构建合理的信道模型和根据实时情况动态计算资源价格的模型;在此基础上,分析给出影响资源定价的三种价格导向因素,提高定价的准确性,确保有限的资源获得最优的定价,并根据模型特征提出改进的WOLF-PHC算法来求解最佳的资源分配策略。其次,针对MEC系统整体效益问题,在多用户多边缘服务器环境下,提出基于拍卖算法的MEC系统收益最大化算法。该算法将两次拍卖与组合拍卖相结合,并使用背包算法进行资源分配。根据客户需求的权重优先级进行竞价,结合不同服务器上的实时用户需求,采用不同的竞价方式,使用者会按照服务器的实时定价来支付。通过仿真实验表明,该算法可以有效提高MEC整体效益,并且应用场景具有可扩展性。

关键词： 经济模型预测控制   风电机组   负荷频率控制   分布式控制   多区域互联电力系统  

摘要： 电力系统控制和运行的主要目的是确保供电质量以及可靠性,而有助于实现这一目的的关键措施就是负荷频率控制(Load Frequency Control,LFC)。LFC作为电力系统保证供电质量及电力系统安全与经济运行的重要手段,由于电力系统规模的扩大以及复杂多变的互联网络,已成为现代电力系统设计和运行中一个值得深入探究的控制问题。现如今,人口增长和社会发展正在加剧能源的需求,传统化石燃料燃烧引起的气候变化和环境污染也愈发严重。因此,为了向绿色、清洁的能源系统过渡,人们开发了许多可再生能源的电力生产方式。其中,风能作为具有发展前景的一种清洁能源,占据了可再生能源装机规模相当大的比重。本文针对风电介入下的多区域互联电力系统LFC问题,开展基于经济模型预测控制(Economic Model Predictive Control,EMPC)的研究,这对于现代电力系统控制和运行具有一定的意义和经济价值。本文的主要研究工作可以概括为以下几个方面:(1)介绍了基于不同方法解决LFC问题的研究现状。建立了风电介入下的多区域LFC系统的数学模型,并简要说明了调速器阀门位置以及风电机组输入限制的控制约束。(2)考虑LFC系统的经济性控制问题,设计了一种EMPC控制方法,用于解决受控制约束的负荷频率控制问题。该方法利用一个在经济稳态点处构造的辅助正定函数,设计EMPC开环优化问题的稳定性约束。再利用终端约束集、终端代价函数以及局部控制器三要素,实现闭环系统的稳定性,并通过仿真加以验证该策略的有效性。(3)针对大规模电力系统计算负担较重的问题,提出了一种基于双模策略的DEMPC控制算法。该方法直接优化LFC控制过程中由负荷调频成本、火力发电成本以及风力发电成本等经济性能指标构造的代价函数。该算法在局部优化问题中引入了状态鲁棒约束,并在给定条件下适当选择参数,用以保证LFC系统的可行性以及闭环稳定性,并通过实例验证了该策略在计算效率以及经济性能方面的有效性。

关键词： 随机经济模型   It(?)公式   收敛性   EM方法   时滞波动函数  

摘要： 随机微分方程在数学、物理学等领域都有着广泛的应用.在近几十年来,对随机利率模型的研究成果比较丰硕.无论是在经典的期权定价模型中,还是在CKLS模型中,数值解的收敛性问题逐渐成为了热点研究问题之一.特别是时滞的引入,使得随机利率模型变得更贴切现实中的利率变化,从而研究的问题变得更加复杂.随机利率模型描述了金融中股票证券等的变动,通过对其解性质的研究,可以让人们掌握原本捉摸不透的股票等的变动,所以对解的收敛性的研究是至关重要的.本文主要给出了Black-Scholers-Merton期权定价模型和CKLS时滞随机利率模型数值解的收敛性.由于时滞的影响,需要构造截断Euler-Maruyama方法.首先介绍了随机利率模型的研究背景、发展现状以及研究内容和结构.并且介绍了Euler-Maruyama方法和截断Euler-Maruyama方法近些年的发展和应用.其次,研究Black-Scholers-Merton方程,方程中的漂移项和扩散项满足Lipschitz条件和p阶矩条件,然后给出Euler-Maruyama方法下该模型数值解的收敛性分析,最后将得到的结论应用到具体的实例中,验证结论的有效性.最后,将构造的截断Euler-Maruyama(EM)方法应用在带有时滞波动率函数的CKLS模型上,给出了在局部Lipschitz条件和Khasminskii-type条件下该模型解的存在性,然后在相同条件下给出了该模型数值解的收敛性.证明了截断EM方法的近似解可以在蒙特卡洛中用于一些数值估值的金融工具,如期权和债券.

关键词： 波浪能发电装置   模型预测控制   计算复杂度   模型失配   时变权重  

摘要： 海洋波浪能极具开发潜力,可以通过波浪能发电技术转换为电能,有助于缓解能源短缺。波浪能发电装置用于从海洋中提取能量,如何提高装置的能量捕获效率并保证其运行安全一直是波浪能发电技术的研究重点,为此研究人员提出了多种针对波浪能发电装置的控制方法。波浪能发电装置的控制实际上是一个约束优化问题,而模型预测控制由于具有处理约束的能力尤其适用于该问题。为了实现捕能优化,模型预测控制面临的在线计算负担、模型失配和由固定权重导致的能量捕获损失问题不容忽视。 本文以振荡浮子式波浪能发电装置为研究对象,针对波浪能发电装置的经济模型预测控制中存在的计算负担和模型失配问题进行了研究,并提出了时变权重理论,以提高能量输出和保障系统安全。首先,本文对波浪能发电装置进行了受力分析,建立了状态空间模型。接着,以能量收益为目标设计目标函数,结合物理约束建立优化问题,将经济模型预测控制方法应用到波浪能发电装置。然后,针对经济模型预测控制方法的在线计算负担问题,引入了Hildreth’s数值优化算法,并探究其在波浪能发电装置控制中的实际效果和优势。最后,为了解决模型失配问题并实现能量捕获最大化,提出了基于时变权重的自适应经济模型预测控制方法,该方法的自适应层用于改善由激励力动力学模型不准引起的模型失配问题,时变权重理论则用于在保障系统高海浪运行安全的同时,提高波浪能发电装置在低海浪时的能量输出。 本文通过数值仿真测试了上述控制方法的性能。结果表明,建立的波浪能发电装置的数学模型可以满足仿真需要。设计的经济模型预测控制方法可以使浮子速度和波浪激励力达到近似共振状态,从而提高波浪能捕获效率。与内点法和有效集法相比,Hildreth’s算法具有相同的求解效果和更快的求解速度,且求解速度相对稳定,可以作为波浪能发电装置经济模型预测控制求解器的一个更优的选择。自适应层在处理模型失配问题上具有良好的效果,可以使最终能量输出达到未发生模型失配情况下能量输出的98%以上。基于时变权重的经济模型预测控制比单纯的经济模型预测控制具有更好的性能,可以通过提高低海浪下的瞬时功率,使整体能量输出提高4%以上。

关键词： 供热锅炉   烟气脱硝   三聚氰酸   Aspen plus   经济模型  

摘要： 燃煤和燃生物质锅炉是重要的供暖设备,燃烧排放烟气中含有大量氮氧化物。为达到国家环保法规要求,对供热机组提出安装脱硝等环境治理设施。为进一步降低烟气中氮氧化物的浓度,采用脱硝技术对燃烧后烟气进行脱硝处理,普遍使用尿素作为还原剂将烟气中的氮氧化物进行还原。传统尿素水解、热解制氨技术存在能耗高、经济性差以及排放大量二氧化碳的问题,亟待开发清洁高效、低能耗、经济性优良的新型制氨系统。 本论文提出供热锅炉脱硝系统氨-三聚氰酸联产制备技术,将实验与过程模拟结合进行深入研究,以获得高产量的氨气和三聚氰酸联产制备方案。建立尿素热解实验系统,分析了不同制备方案下氨气和三聚氰酸的产量,氨气的释放特性。采用正交实验分析法,获得尿素热解联产制备氨气和三聚氰酸的最优方案。使用Aspen plus软件建立氨-三聚氰酸联产制备系统模型,探究了各影响因素对热解产物分布的灵敏性。根据Aspen plus模拟结果建立了供热机组脱硝经济模型,以240t/h CFB供热锅炉为例,从运营成本、设备投资及收益方面进行经济可行性分析,与传统尿素热解制氨方法进行经济优势分析,得到以下主要结论: (1)经热重实验表明,预热器的熔融温度应设置在150℃～190℃之间,反应器反应温度应设置在210℃～260℃。据此开展尿素热解实验获得,尿素在熔融温度160℃,熔融时间45 min;反应温度240℃,反应时间20 min的最优方案下,热解产生18.45%氨气和52.35%三聚氰酸。且在热解过程中,氨气响应速度快且响应时间短。 (2)建立aspen plus过程模型,结合系统能耗及产物产量分析表明,提高熔融温度,氨气产量逐渐升高,160℃后增长速率逐渐减缓。预热器温度控制在160℃效果最好。增加熔融时间,氨气产量逐渐升高,超过45 min增长速率减缓,熔融温度45 min效果最好。随着反应时间进行,氨气和三聚氰酸产量增加,20min后产量增长速率减缓,反应时间为20 min效果最好。随着反应温度升高,氨气和三聚氰酸产量大幅增加,240℃后产量增长速率减缓,表明反应温度240℃效果最好。 (3)建立经济性模型,设计三种方案进行经济性分析,经分析表明每年可分别获得94.38万元、513.72万元、283.14万元收益。按照超低排放标准,该技术可脱除587吨氮氧化物,减少623吨碳排放,故供热锅炉脱硝系统氨-三聚氰酸联产制备技术具备经济可行性,适于推广应用。

关键词： 城乡收入差距   碳排放   机制分析   空间计量经济模型  

摘要： 城乡收入差距的扩大不仅严重影响到经济高质量发展,也对我国实现经济低碳转型形成严峻挑战。城乡发展不平衡造成城乡收入差距的扩大,严重阻碍了经济的可持续发展。在这一过程中,城乡收入差距扩大可能引致产业结构向重化工业方向倾斜,不利于产业结构优化升级和能源消费结构转型,从而提高碳排放强度,使经济低碳转型面临严峻挑战。现有文献侧重基于省域和地级市的面板数据研究城乡收入差距对雾霾污染的影响,缺乏在县域尺度下探讨其对碳排放影响的实证研究。由此,研究城乡收入差距对碳排放的影响并揭示其作用机制具有较强的理论价值和政策涵义,对缩小城乡收入差距、破解不平衡不充分发展难题、实现“双碳”目标等方面具有重要的现实意义。 为此,本文利用2000—2017年全国1728个县的城乡收入差距、碳排放量及其他社会经济自然条件的面板数据,运用Arc GIS和全局空间自相关方法厘定城乡收入差距和碳排放的时空变化与特征,在理论研究假说的基础上,依据STIRPAT模型和环境库兹涅茨曲线(EKC假说),构建空间计量经济模型定量分析城乡收入差距对碳排放的影响和揭示作用机理,在替换空间权重矩阵、系统GMM方法下展开稳健性检验。主要结论与政策建议如下: 研究表明:(1)城乡收入差距和碳排放的时空变化显著且空间集聚特征明显。我国城乡居民收入比值由2000年的3.67持续上升到2003年的3.82,再回落到2018年的2.43,高值区集中在新疆西部地区以及青海和云贵川部分地区。县域人均碳排放量从2.34 t/人上升至8.25 t/人,总体增长率高达252.56%,在空间分布上呈北高南低的特征。(2)城乡收入差距对碳排放具有显著的正向影响,且通过了稳健性检验。这表明进一步缩小城乡收入差距能够有效减少二氧化碳的排放,实现城乡均衡发展和“双碳”目标的共赢。(3)异质性结果表明,相较于东北和东部地区,中西部地区的城乡收入差距对碳排放的影响更为显著,即缩小城乡收入差距带来的碳减排效果更为明显。(4)从影响机制来看,缩小城乡收入差距能通过提升技术创新水平、促进产业结构升级以及提高环境规制强度,进而减少碳排放量。 基于此,研究结论蕴含相应政策启示:(1)深化城乡收入分配制度改革,缩小城乡之间的收入差距,推动实现城乡均衡发展和经济低碳转型的“双赢”局面。(2)碳减排政策制定要坚持“因地制宜”,避免“一刀切”。对于中西部地区,宜充分发挥缩小城乡收入差距带来的碳减排效果,增强通过技术创新、产业结构升级及环境规制强度提升等途径来减缓碳排放的优势;对于东北和东部地区,应继续鼓励低碳排放的行业和企业的发展,并推动清洁能源的采用。(3)充分发挥技术创新优势,推动低碳经济的发展。加强城乡地区间技术创新的交流和合作,为农村地区提供更多的创新资源和技术支持,在缩小城乡收入差距的过程中借助技术创新实现碳减排。(4)通过政府投资和政策扶持鼓励农村地区发展新型产业,缩小城乡收入差距以加快推进产业结构升级,进而减少碳排放。(5)加强农村地区的环境监管和执法力度,缩小城乡收入差距以推动农村居民在环境政策制定的积极性,从而提高环境规制强度,实现可持续发展。

关键词： 循环流化床   组合脱硫   数据模型   经济模型   运行优化  

摘要： 循环流化床锅炉作为一种洁净煤燃烧技术,可以通过低温燃烧抑制NOx的生成和炉内脱硫,实现低成本污染物排放控制。随着火电燃煤机组大气污染物超低排放标准的实施,大量CFB机组采用组合脱硫的运行方式实现SO2的超低排放。因此探究在何种运行方式下既能满足排放标准又能实现低成本脱硫具有重要意义。本文进行了如下工作:(1)基于循环流化床炉内、外脱硫系统脱硫机理和影响因素的分析,建立炉内、外脱硫系统SO2排放浓度预测模型。通过对比支持向量回归(SVR)、LightGBM、长短时记忆神经网络(LSTM)三种不同的算法模型精度和泛化能力选取最佳的建模方法。由于初始建模时选取的变量较多,变量间可能存在耦合导致模型的泛化能力不够高,因此使用皮尔逊相关系数(PCCs)、最大信息系数(MIC)、平均影响值(MIV)这三种变量选择方法通过对输入变量降维来改进模型,提高模型的泛化能力。将改进后的模型在不同的工况下进行验证,实验结果表明模型的精度和泛化能力均能达到预期效果。(2)通过对炉、内外脱硫过程的研究建立炉、内外脱硫系统经济模型,主要包括炉内的脱硫原料成本、电量成本和炉外的脱硫原料成本、电量成本、工业用水成本和副产物石膏收益成本。以建立的组合脱硫系统的成本模型作为目标函数,SO2超低排放标准作为约束,在石灰石浆液密度一定的条件下,借助粒子群优化算法和第三章建立的SO2排放浓度预测模型,对脱硫系统的控制量进行寻优。结果表明,使用寻出的脱硫控制量,可以保证在满足排放标准的前提下实现低成本脱硫。(3)分工况计算炉内不同钙硫比对脱硫效率的影响,分析了在煤种收到基全硫量、石灰石价格的变化对组合脱硫成本与炉内、外脱硫份额的影响。对比分析了该300MW循环流化床锅炉组合脱硫系统优化前后的各项脱硫成本及炉内、外脱硫比例。在150MW和300MW工况下脱硫运行总成本降幅分别为10.1%和4.6%。

关键词： 线性变参数系统   经济模型预测控制   分层控制框架   线性矩阵不等式  

摘要： 经济模型预测控制(EconomicModelPredictiveControl,EMPC)可以有效处理经济目标优化问题，其不仅能显示处理约束、实现多变量控制，还可以折衷闭环系统的稳定性与经济性。此外，相应的鲁棒MPC通过可处理系统的不确定部分来维持系统的稳定性。但目前关于线性变参数系统(LinearParameter-Varying,LPV)的经济目标优化问题研究少有进展，或是并未考虑在实际情况下LPV系统中调度参数无法突变的性质，导致所设计的算法保守性较强。在这种情况下，设计一种在保证稳定性前提下降低保守性的基于Tube的EMPC(TEMPC)控制策略具有十分重要的理论价值。　　在国内外现有成果的基础上，结合鲁棒不变集、终端不变集和EMPC的分层控制框架，研究参数变化率有界的LPV系统的经济目标优化问题算法设计。论文主要研究内容如下：　　(1)针对参数变化率有界的LPV系统，提出一种TEMPC控制策略。首先，将LPV系统变换为一个包含常规线性系统的名义部分与包含关于系统状态的乘性扰动部分。其次，通过调度参数的有界变换率构造每一时刻的鲁棒不变集并由此获得紧缩约束。然后运用多目标的分层思想，给定对应系统的经济目标函数并设计获得关于此经济目标函数最优平衡点的跟踪目标函数。再次，通过构造收缩约束保证闭环系统对于经济目标优化问题的稳定性。最后，由仿真实验验证提出控制策略的有效性。　　(2)针对参数变化率有界的LPV系统的经济目标优化问题，提出一种分层的基于线性矩阵不等式(LinearMatrixInequality,LMI)的TEMPC策略。首先，运用分层规划思想保证对于经济优化问题的稳定性。之后，将用于构造收缩约束的关于经济最优稳态点的跟踪目标优化问题改写为LMI的形式。最后，由对比仿真结果说明提出控制策略的有效性和优越性。　　(3)对于电动汽车空调系统的能耗问题，将提出的节能TEMPC策略用于该问题中。首先，建立车舱内热负荷动力学模型。其次，定量分析各外部环境对系统能耗的影响。最后，通过与基于Tube的跟踪MPC相对比，以验证提出的控制策略对空调能耗降低的有效性、优越性。