DES -PSO與現(xiàn)有主要分布式能源規(guī)劃設(shè)計軟件的對比

葛興凱， 古云蛟

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

DES -PSO與現(xiàn)有主要分布式能源規(guī)劃設(shè)計軟件的對比

葛興凱， 古云蛟

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

為合理規(guī)劃分布式能源、提高能源利用效率，開發(fā)了分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件DES-PSO。將DES-PSO與國內(nèi)外8款同類軟件進行了對比分析，指出了該軟件的優(yōu)勢和不足，同時也為DES-PSO后續(xù)的開發(fā)與完善指明了方向。

分布式能源； 微電網(wǎng)； 規(guī)劃設(shè)計； 軟件

隨著能源枯竭與環(huán)境污染的日趨嚴重，分布式能源越來越受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)能源相比，分布式能源具有污染低、效率高的特點，已逐漸成為傳統(tǒng)能源的重要補充。在應(yīng)用分布式能源時，如何合理地規(guī)劃分布式能源、提高能源利用效率成為阻礙分布式能源推廣的一大難題。因此，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)均開展了分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件的研發(fā)，并取得了一定的成果。

1 DES-PSO簡介

DES-PSO(Distributed Energy System Planning Design & Optimization)以投資經(jīng)濟性最優(yōu)、CO2排放量最少為設(shè)計目標，針對典型分布式能源系統(tǒng)，采用針對性優(yōu)化算法進行設(shè)計，可大大降低多種系統(tǒng)設(shè)計的耦合性，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。該軟件適用于多種分布式能源系統(tǒng)設(shè)計場景，可實現(xiàn)資源及負荷數(shù)據(jù)的生成與分析、系統(tǒng)配置的優(yōu)化計算、設(shè)計結(jié)果比較與推薦等功能。軟件對于典型系統(tǒng)采用針對性優(yōu)化算法，較為合理地確定分布式能源系統(tǒng)技術(shù)的組合和規(guī)模，是一種綜合性強、集成度高的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工具，能夠有效實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計界面如圖1所示。

圖1 DES-PSO軟件設(shè)計界面

軟件采用流程化分布式能源系統(tǒng)設(shè)計方法，主要包括信息輸入、優(yōu)化計算、結(jié)果輸出三個部分，如圖2所示。

圖2 分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計流程圖

(1) 信息輸入。獲取并輸入以下信息： 用戶負荷數(shù)據(jù)，包括用戶的電負荷、冷負荷及熱負荷；市場信息數(shù)據(jù)，包括電價、氣價、設(shè)備成本、投資利率等；設(shè)備技術(shù)參數(shù)，包括設(shè)備發(fā)電效率、熱轉(zhuǎn)換效率等；環(huán)境資源數(shù)據(jù)，包括全年輻照強度、風(fēng)速、溫度等。數(shù)據(jù)可以通過算法生成，也可以通過外部文件導(dǎo)入。

(2) 優(yōu)化計算。在信息輸入部分的基礎(chǔ)上進行設(shè)備選型的優(yōu)化計算，以滿足用戶負荷需求為約束，以實現(xiàn)系統(tǒng)投資成本最低或CO2排放最少為目標，通過計算得到構(gòu)成該分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備類型及容量配置。

(3) 結(jié)果輸出。在得到系統(tǒng)配置方案后，根據(jù)分布式能源系統(tǒng)所有設(shè)備全年運行結(jié)果計算投資回收期、投資回報率等經(jīng)濟性參數(shù)，另外還可對系統(tǒng)進行各種因素的敏感性分析，如能源價格、設(shè)備價格、利率變化等對結(jié)果的影響程度。

2 國內(nèi)外同類軟件

2.1 DER-CAM

DER-CAM是CERTS“微網(wǎng)研究與示范工程項目”進行的軟件開發(fā)項目之一。該模型在最早由伯克利實驗室的Chris Marnay等人提出的分布式電源客戶選擇經(jīng)濟模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來[1，8]。DER-CAM能夠以微網(wǎng)年供能成本(購電成本、燃料成本、分布式能源年值成本及運行維護成本)最低和(或)CO2排放量最低為優(yōu)化目標進行優(yōu)化規(guī)劃，可確定微網(wǎng)內(nèi)部分布式能源最優(yōu)的容量組合及相應(yīng)的運行計劃[1]。

2.2 μGrid

2.3 HOMER

HOMER是由NREL資助開發(fā)的可再生能源混合發(fā)電經(jīng)濟技術(shù)環(huán)境優(yōu)化分析計算模型，主要針對小功率可再生能源系統(tǒng)與常規(guī)能源發(fā)電系統(tǒng)組合形成的混合發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化[3]。

2.4 HYBRID2

HYBRID2是由NREL與科羅拉多州立大學(xué)于1996年合作開發(fā)的混合發(fā)電系統(tǒng)仿真軟件。HYBRID2采用概率時序仿真模型，能夠?qū)︼L(fēng)、光、柴、蓄混合發(fā)電系統(tǒng)進行技術(shù)和經(jīng)濟分析，可用于并網(wǎng)、孤島混合發(fā)電系統(tǒng)的工程級仿真[9]。

2.5 H2RES

H2RES是由克羅地亞薩格勒布大學(xué)于2000年開發(fā)的能源規(guī)劃程序。該程序能夠模擬不同研究場景(可再生能源與間歇式能源的不同滲透率、不同發(fā)電技術(shù))下能源需求(水、電、熱、氫)、儲能(氫儲能、抽水蓄能、蓄電池)與供給(風(fēng)、光、水、地?zé)?、生物質(zhì)、化石燃料或電網(wǎng))之間的平衡。

2.6 HOGA

HOGA由西班牙薩拉戈薩大學(xué)電氣工程系開發(fā)，采用枚舉法與遺傳算法相結(jié)合對混合系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，仿真時間步長為1h，在此期間所有參數(shù)都假定為常數(shù)[6]。

2.7 DCOT

DCOT是中國科學(xué)院廣州能源研究所研發(fā)的面向節(jié)能設(shè)計者的集成通用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS)與建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包(Dest)的輔助設(shè)計計算軟件,主要應(yīng)用于需要進行能源優(yōu)化設(shè)計(包括供電、供熱和供冷)的場合[10]。

2.8 PDMG

PDMG是天津大學(xué)在其配電網(wǎng)規(guī)劃軟件平臺基礎(chǔ)上研制的一套實用軟件,具備間歇性數(shù)據(jù)分析、分布式電源及儲能容量優(yōu)化、儲能系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計,以及結(jié)合專家干預(yù)的技術(shù)經(jīng)濟比較等較為完整的微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計功能[7]。

3 DES-PSO與同類軟件的對比

將DES-PSO在應(yīng)用場景、系統(tǒng)功能、設(shè)備類型、優(yōu)化目標及方法等方面與其它軟件進行系統(tǒng)對比，確定其優(yōu)勢與不足，從而為后續(xù)開發(fā)指明方向。

3.1 應(yīng)用場景

DES-PSO充分考慮了分布式能源系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景，提供了并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種設(shè)計模式。針對用戶多樣性的負荷需求，軟件設(shè)置了冷、熱、電等多種不同的負荷類型。因此，DES-PSO能夠應(yīng)用于并、離網(wǎng)不同模式下的微電網(wǎng)系統(tǒng)和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可實現(xiàn)資源及負荷數(shù)據(jù)的生成與分析、系統(tǒng)配置的優(yōu)化計算、設(shè)計結(jié)果的比較與推薦等功能。

DER-CAM可應(yīng)用于250kW～2000kW的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，但主要針對建筑樓宇，僅考慮并網(wǎng)模式。DCOT也是針對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的，重點是對三聯(lián)供系統(tǒng)進行機組優(yōu)化，對光伏、風(fēng)機、儲能等考慮較少，這也限制了該軟件的應(yīng)用。

HOMER、H2RES、HOGA在負荷類型中均包括了電與氫，所不同的是： HOMER考慮了熱負荷，可以應(yīng)用到小功率可再生能源系統(tǒng)中；H2RES考慮了熱負荷和水負荷，適用于海島等獨立能源系統(tǒng)或與大電網(wǎng)連接比較薄弱的并網(wǎng)系統(tǒng)；HOGA考慮了水負荷，能夠應(yīng)用到風(fēng)、光、柴、儲的獨立微網(wǎng)系統(tǒng)中。

3.2 設(shè)備類型

DES-PSO支持多種類型的設(shè)備，包括： 光伏、風(fēng)機、微型燃氣輪機等分布式發(fā)電設(shè)備；燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、制冷機、鍋爐等供能設(shè)備；儲電、儲熱等儲能設(shè)備。

DER-CAM與DES-PSO類似，考慮了分布式發(fā)電設(shè)備、供冷供熱設(shè)備及儲能設(shè)備，不同的是考慮了電動汽車，但沒有考慮風(fēng)力發(fā)電。

HOMER、H2RES、HOGA由于在負荷類型中考慮了氫，因此儲能設(shè)備中均考慮了儲氫，但三者沒有考慮內(nèi)燃機等供能設(shè)備，也不支持儲熱。

3.3 優(yōu)化目標及方法

DES-PSO以投資經(jīng)濟性最優(yōu)、CO2排放最少為優(yōu)化目標，可進行單目標或多目標優(yōu)化。用戶輸入或?qū)霐?shù)據(jù)、配置信息，DES-PSO計算得到設(shè)備類型及容量配置，在此基礎(chǔ)上計算投資回收期等經(jīng)濟性參數(shù)，并進行敏感性分析。

DER-CAM以年供電成本最低或CO2排放最少為優(yōu)化目標，可輸出最優(yōu)容量配置、運行方案優(yōu)化等結(jié)果。HOMER以凈現(xiàn)值成本最低為優(yōu)化目標，可輸出電力平衡情況、成本等結(jié)果。PDMG以經(jīng)濟性和技術(shù)性綜合最優(yōu)為優(yōu)化目標，輸出結(jié)果為微電網(wǎng)的設(shè)計方案。

HOGA、DCOT均為在所提供配置基礎(chǔ)上的優(yōu)化。HOGA可進行配置和運行優(yōu)化，輸出系統(tǒng)配置、控制策略等優(yōu)化方案。DCOT進行機組組合優(yōu)化，可得出機組組合優(yōu)化方案，并針對得出的不同方案進行經(jīng)濟性評價。

H2RES以能量平衡為優(yōu)化目標，可以輸出適合的可再生能源技術(shù)。

3.4 綜合對比

基于上述對應(yīng)用場景、設(shè)備類型、優(yōu)化目標及方法的對比分析，可以總結(jié)出如表1所示的不同軟件綜合對比結(jié)果。

表1 DES-PSO與國內(nèi)外同類軟件的綜合對比結(jié)果

項目適用場景負荷類型設(shè)備類型優(yōu)化目標輸出結(jié)果其它DES-PSO并離網(wǎng)微電網(wǎng)、冷熱聯(lián)供系統(tǒng)冷、熱、電光伏、風(fēng)機、燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、制冷機、鍋爐、儲電、儲熱投資經(jīng)濟性最優(yōu)、CO2排放量最低系統(tǒng)優(yōu)化配置方案、經(jīng)濟性參數(shù)、敏感性分析DER-CAM250kW～2000kW冷熱電聯(lián)供建筑冷凍、供暖、熱水、電、天然氣光伏、光熱、發(fā)電機、熱電聯(lián)產(chǎn)、電儲能、熱儲能、熱泵、吸收式制冷機、電動汽車年供電成本最低、CO2排放量最低最優(yōu)容量配置、優(yōu)化運行方案、其他信息(成本、能耗、排放) 僅考慮并網(wǎng)運行Grid微電網(wǎng)系統(tǒng)電各種分布式電源—系統(tǒng)評估、動穩(wěn)態(tài)分析、控制方案建模 建模能力較強,但不具備規(guī)劃優(yōu)化功能HOMER小功率可再生能源系統(tǒng)熱、電、氫各種可再生能源、電源、儲電、儲氫凈現(xiàn)值成本最低系統(tǒng)電力平衡情況、成本、可再生能源發(fā)電規(guī)劃方案 包含仿真、優(yōu)化和靈敏度分析功能HYBRID2風(fēng)、光、柴、儲混合發(fā)電系統(tǒng)電光伏、風(fēng)機、柴油發(fā)電機、儲電—年模擬運行結(jié)果 功能強大的仿真軟件,不具備規(guī)劃優(yōu)化功能H2RES海島、偏遠地區(qū)的獨立系統(tǒng)或連接脆弱的并網(wǎng)系統(tǒng)熱、電、水、氫光伏、風(fēng)電、水電、地?zé)?、生物質(zhì)、儲電、儲氫能量平衡適合的可再生能源技術(shù) 適于分析可再生能源的滲透率及利用率,考慮海水淡化HOGA風(fēng)、光、柴、儲獨立微網(wǎng)系統(tǒng)水、電、氫光伏、風(fēng)機、水輪機、柴油及其它燃料發(fā)電機、燃料電池、儲電、儲氫配置優(yōu)化、運行優(yōu)化配置優(yōu)化方案、控制策略優(yōu)化方案、蓄電池荷電狀態(tài)設(shè)置的優(yōu)化方案 電負荷分為直流與交流DCOT冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)冷、熱、電內(nèi)燃機、燃氣輪機、余熱鍋爐、吸收式制冷機機組組合優(yōu)化優(yōu)化機組組合方案、經(jīng)濟性評價 集成GAMS和DestPDMG微電網(wǎng)系統(tǒng)電光伏、風(fēng)機、儲電經(jīng)濟性與技術(shù)性綜合最優(yōu)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案 可結(jié)合專家干預(yù)

通過DES-PSO與其它軟件的綜合對比，可以發(fā)現(xiàn)其具有如下優(yōu)勢。

(1) 應(yīng)用范圍廣。DES-PSO包括并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式，設(shè)備類型包括分布式能源、供能設(shè)備、儲能設(shè)備等，負荷類型包括冷、熱、電，因此可以應(yīng)用在并離網(wǎng)模式下的微電網(wǎng)、冷熱電三聯(lián)供等系統(tǒng)中，具有較大的科研價值。

(2) 多目標優(yōu)化。DES-PSO的優(yōu)化目標為投資經(jīng)濟性最優(yōu)或CO2排放最少，兩者可以同時考慮?？梢愿鶕?jù)不同的用戶需求、不同的優(yōu)化目標進行系統(tǒng)設(shè)計，使得設(shè)計方案更符合實際。

(3) 輸出結(jié)果豐富。根據(jù)用戶選擇的技術(shù)類型，軟件可以計算出系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，并根據(jù)分布式能源系統(tǒng)所有設(shè)備全年運行結(jié)果計算投資回收期、投資回報率等經(jīng)濟性參數(shù)，同時還可對系統(tǒng)進行各種因素的敏感性分析。

但是，DES-PSO仍存在一些不足。

(1) 負荷類型。DES-PSO中的負荷類型包括冷、熱、電三種，而HOMER、H2RES等軟件還考慮了氫、水、天然氣等負荷。雖然冷、熱、電三種負荷類型滿足了大部分應(yīng)用的設(shè)計需求，但DES-PSO還需要進一步擴充負荷類型。

(2) 設(shè)備類型。DES-PSO中的設(shè)備種類繁多，包括光伏、風(fēng)機、燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、制冷機、鍋爐、儲電、儲熱等，設(shè)備涵蓋了應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)光儲、冷熱電三聯(lián)供等系統(tǒng)，可滿足大多數(shù)的開發(fā)需求，但仍有擴充的空間，如電動汽車、生物質(zhì)、燃料電池、儲氫等。

DES-PSO軟件目前仍在進一步開發(fā)中，在后續(xù)開發(fā)進程中，需要著重關(guān)注以下幾點。

(1) 優(yōu)化模型算法，進一步提升模型的準確性和運行的效率。

(2) 界面設(shè)計優(yōu)化，使軟件的設(shè)計界面更加友好。

(3) 負荷類型擴充，可以在冷、熱、電三種負荷類型的基礎(chǔ)上進一步增加氫、水等不同類型的負荷。

(4) 設(shè)備類型擴充，增加諸如生物質(zhì)、燃料電池等設(shè)備，并根據(jù)增加的設(shè)備類型改進系統(tǒng)的優(yōu)化算法。

4 結(jié)束語

為了促進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展，開發(fā)了分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件DES-PSO。軟件對典型分布式能源系統(tǒng)采用針對性優(yōu)化算法進行設(shè)計，可實現(xiàn)資源及負荷數(shù)據(jù)的生成與分析、系統(tǒng)配置的優(yōu)化計算、設(shè)計結(jié)果的比較與推薦等功能。與國內(nèi)外8款規(guī)劃設(shè)計軟件在適用場景、設(shè)備類型、優(yōu)化目標及方法等方面進行了綜合對比。從比較結(jié)果可知，DES-PSO在應(yīng)用范圍、優(yōu)化目標、輸出結(jié)果等方面具有優(yōu)勢，但在負荷、設(shè)備類型等方面仍有進一步的開發(fā)空間。軟件的開發(fā)需要以不斷優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，進而有針對性地進行負荷和設(shè)備類型的擴充。同時需要將DES-PSO應(yīng)用到更多工程實際中，驗證規(guī)劃設(shè)計效果并進行修正。

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Planning and design software DES-PSO for distributed energy system was developed for rational planning of distributed energy and improvement of energy efficiency. By comparing and analyzing DES-PSO with 8 similar softwares at home and abroad the advantages and disadvantages of the software were identified while designating the direction for subsequent development and improvement of DES-PSO.

Distributed Energy； Microgrid； Planning and Design； Software

2015年12月

葛興凱(1988— )，男，碩士，工程師，主要從事分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃、能源技術(shù)仿真等研究工作， E-mail： gexingkai2008@163.com

TM92;TP715

A

1674-540X(2016)03-061-05