基于遺傳算法的分布式多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

章文浦，王強(qiáng)鋼

（1.中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，南昌330001；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

0 引言

當(dāng)前，人類對(duì)化石能源的過度使用導(dǎo)致環(huán)境污染、能源短缺等問題日益突出，如何平衡好經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源利用與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系成為亟待解決的問題［1-2］，“開源節(jié)流”是其中被普遍認(rèn)可的一個(gè)理念［3］。分布式多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)（Multi-energy Complementary Distributed Energy System，MCDES）以高能效、低污染的特性成為“開源節(jié)流”中的重要組成部分。其中：“開源”是指為了促進(jìn)新能源的消納，靈活運(yùn)用地?zé)崮?、風(fēng)能、光能等可再生能源，構(gòu)成新能源微網(wǎng)、智能能源系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)等；“節(jié)流”則是減少能源傳輸使用過程中的損耗，提高能源利用率［4］。

傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)和風(fēng)能、光能等新能源發(fā)電技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成MCDES，能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此，進(jìn)行MCDES優(yōu)化配置方法的研究，具有很好的理論意義與工程運(yùn)用價(jià)值。在用戶側(cè)設(shè)計(jì)運(yùn)行的MCDES 可為用戶提供電能、熱能和冷能等多樣化能源，系統(tǒng)集成了冷熱電三聯(lián)供、可再生能源、天然氣等能源輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、短距離輸電和儲(chǔ)能等，以提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)與環(huán)境污染［5-7］。用戶側(cè)微MCDES位于能源互聯(lián)網(wǎng)的末端，是一種微型分布式能源互聯(lián)系統(tǒng)，“源”和“荷”距離較近，因此可以充分利用就近新型能源，降低用戶的綜合用能成本，提高能源利用效率［8-9］。

本文針對(duì)用戶側(cè)MCDES，結(jié)合新能源供能現(xiàn)狀，以該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、環(huán)保性指標(biāo)和節(jié)能性指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)、光伏設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)和冷熱設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過遺傳算法求解，提出了一種面向用戶側(cè)MCDES的容量?jī)?yōu)化配置模型。最后，將該模型運(yùn)用到虹橋工業(yè)園區(qū)上，得到綜合運(yùn)行指標(biāo)最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案。

1 MCDES結(jié)構(gòu)及微源模型

1.1 用戶側(cè)MCDES

本文討論的用戶側(cè)MCDES 一般可以劃分為能量生產(chǎn)單元、能量轉(zhuǎn)換單元、能量存儲(chǔ)單元和用能單元。圖1 為用戶側(cè)MCDES 的能量流動(dòng)圖，系統(tǒng)由上級(jí)主電網(wǎng)輸入電能，同時(shí)從外部獲取太陽能和天然氣。

圖1 用戶側(cè)MCDES能量流動(dòng)Fig.1 Energy flow of the user-side MCDES

用戶側(cè)MCDES 的能源生產(chǎn)單元主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和光伏電池等發(fā)電、產(chǎn)熱裝置，為用戶提供生產(chǎn)生活所需的電能和熱能。能源轉(zhuǎn)換單元包括余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)組、電制冷機(jī)等，該單元對(duì)能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使不同能流相互耦合轉(zhuǎn)換，滿足用戶的不同能源需求。能源存儲(chǔ)單元包括蓄電池和蓄熱槽，分別儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱，該單元可以充分消納系統(tǒng)的產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)能源的跨時(shí)段轉(zhuǎn)移，削峰填谷。用能單元主要指用戶側(cè)MCDES終端的用戶，用戶的能源需求通常為電、熱、冷3種［10］。

用戶側(cè)MCDES 主要由3 個(gè)能量平衡公式組成，分別是總?cè)細(xì)夂牧科胶夥匠淌?、電能供需平衡方程式和熱能供需平衡方程式?/p>

式中：Fgrid(t)為燃?xì)夤芫W(wǎng)t 時(shí)刻輸出的天然氣能；Fpgu(t)，F(xiàn)b(t)為燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩tt 時(shí)刻消耗的天然氣熱能；Ew(t)，Ep(t)為t 時(shí)刻的風(fēng)機(jī)、光伏出力；Epgu(t)為t 時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)出力；Egrid(t)為t 時(shí)刻系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交互功率；Eec(t)為電制冷機(jī)制冷耗電量；E(t)為純電負(fù)荷；Qr(t)，Qb(t)為t 時(shí)刻余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的制熱功率；Qha(t)，Qhh(t)為t 時(shí)刻進(jìn)入制冷機(jī)和減溫減壓器的冷熱功率。

1.2 系統(tǒng)模型

1.2.1 風(fēng)力發(fā)電模型

通過圖2 可知：當(dāng)風(fēng)速v 高于切入風(fēng)速vin時(shí)，才有相應(yīng)的功率輸出用于發(fā)電，風(fēng)速低于vin時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)啟動(dòng)；當(dāng)風(fēng)速介于vin和額定風(fēng)速vN之間時(shí)，風(fēng)機(jī)出力逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到vN且小于切出風(fēng)速vout之后，風(fēng)機(jī)出力穩(wěn)定在風(fēng)機(jī)額定輸出功率PN上；風(fēng)速繼續(xù)增大至大于vout后，風(fēng)機(jī)則停止工作。

圖2 風(fēng)機(jī)功率-風(fēng)速曲線Fig.2 Curve of wind power-wind speed

根據(jù)曲線可得風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速和功率的關(guān)系

式中：PWT為風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)功率。

1.2.2 光伏發(fā)電模型

光伏組件通過半導(dǎo)體將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。光伏組件的功率、溫度與組件接受的太陽輻射量有關(guān)［11-12］。其中光伏組件溫度由環(huán)境溫度、光伏組件接受的太陽輻射量及安裝條件決定，具體公式如下

式中：kt為功率溫度系數(shù)，取-0.47%/℃；tC為光伏組件溫度；tτ為參考溫度，取25 ℃；GAC為光伏組件接受的太陽輻射量，W/m2；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度，取1 000 W/m2；PSTC為光伏組件的最大測(cè)試功率。

1.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)模型

燃?xì)廨啓C(jī)模型將特定的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有用功，借助穩(wěn)定流動(dòng)的氣體，通過葉輪來驅(qū)動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣可以用下式表示

式中：Fpgu為燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣量；Epgu為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量；ηpgu為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率。

1.2.4 冷熱設(shè)備模型

（1）電制冷機(jī)模型。制冷機(jī)是主要的制冷設(shè)備，將熱量從溫度較低的冷卻物體傳遞到環(huán)境介質(zhì)中獲得冷量，用來滿足系統(tǒng)中的冷能需求。電制冷機(jī)容量可用下式表示

式中：Nec為電制冷機(jī)容量；λ為電制冷機(jī)制冷量占總冷負(fù)荷需求的比值；Qcmax為用戶的冷負(fù)荷需求。

（2）吸收式制冷機(jī)模型。吸收式制冷機(jī)通常以溴化鋰水溶液作為吸收劑，具有良好的調(diào)節(jié)性，將水制冷供給中央空調(diào)系統(tǒng)等，吸收式制冷機(jī)容量為

式中：Nac為吸收式制冷機(jī)容量。

（3）余熱鍋爐模型。余熱鍋爐利用工業(yè)過程中廢氣、廢液的余熱將水加熱來提供熱能［13］，產(chǎn)生的熱量為

式中：ηrec為余熱鍋爐效率。

（4）燃?xì)忮仩t模型。燃?xì)忮仩t是聯(lián)供系統(tǒng)中的備用熱源，將天然氣轉(zhuǎn)化為熱能［14］。燃?xì)忮仩t消耗天然氣轉(zhuǎn)化為熱能可以表示為

式中：Fb為燃?xì)忮仩t消耗的天然氣；Qb為燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的熱量；ηb為燃?xì)忮仩t效率；Qhh為進(jìn)入減溫減壓器的熱量；Qha為進(jìn)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱量。

2 MCDES評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

本文采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)法，將某一時(shí)刻的流入與流出資金換算為該時(shí)刻的資金價(jià)值。

（1）年初投資成本。MCDES 和分供（Separation Production，SP）系統(tǒng)中的年初投資成本CAC受投資回收系數(shù)R、年利率r、設(shè)備殘值率g、單位容量的初投資費(fèi)用Ck（元/MW）以及容量Nk（MW）的影響，具體表達(dá)式如下

式中：上標(biāo)M 代表MCDES；上標(biāo)SP 代表SP 系統(tǒng)；K為設(shè)備總臺(tái)數(shù)；y為設(shè)備壽命。

若無特別說明，本文設(shè)定年利率r 為8%，設(shè)備殘值率g 為0，各設(shè)備壽命y 均為20 年。MCDES 中各設(shè)備單位容量初投資成本見表1。

表1 MCDES中各設(shè)備單位容量初投資成本Tab.1 Initial investment cost per unit capacity of the equipment in MCDES 萬元/MW

（2）年維護(hù)成本。系統(tǒng)中各設(shè)備的年維護(hù)成本CAM與很多因素相關(guān)，其中最關(guān)鍵的是設(shè)備運(yùn)行方式?？紤]年維護(hù)成本與各設(shè)備初投資成本的比值為β，取值0.03。

（3）年運(yùn)行成本。系統(tǒng)的年運(yùn)行成本CAO由燃?xì)庠O(shè)備消耗的天然氣費(fèi)用和從外部購(gòu)入的電費(fèi)組成，以年為單位則有

式中：D（m）為典型季節(jié)的天數(shù)。

由此可以得到MCDES 和SP 系統(tǒng)年初投資成本、年維護(hù)成本以及年運(yùn)行成本的總和CAT

2.2 環(huán)保性指標(biāo)

本文采用CO2排放量mCO2作為環(huán)保性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

MCDES和SP系統(tǒng)年CO2排放量為

引入環(huán)境成本系數(shù)α，將CO2的排放量轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)數(shù)值，組成目標(biāo)函數(shù)的一部分，轉(zhuǎn)化后可以表示為

2.3 節(jié)能性指標(biāo)

本文通過比較系統(tǒng)的一次能源利用率來反映節(jié)能性。一次能源利用率RPE是指系統(tǒng)1 年輸出的冷、熱、電能與一次能源消耗量之比。MCDES 和SP系統(tǒng)的一次能源利用率可用下式表示

式中：Qf為系統(tǒng)總的一次能源消耗量。

3 MCDES優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文從節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性3 個(gè)方面綜合考慮MCDES的設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。環(huán)保性方面，本文將CO2排放量通過環(huán)境成本系數(shù)α換算為經(jīng)濟(jì)成本，從而與設(shè)備的初始投資成本、維護(hù)成本和運(yùn)行成本相結(jié)合，直觀地從經(jīng)濟(jì)角度來反映系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。具體的目標(biāo)函數(shù)為

式中：F為年度總成本。

3.2 約束條件

（1）系統(tǒng)的電熱量平衡約束。

式（17）為電能供需平衡方程和熱能供需平衡方程，分別表示：t 時(shí)刻風(fēng)機(jī)出力、光伏出力、燃?xì)廨啓C(jī)出力以及系統(tǒng)與電網(wǎng)的交互能量之和應(yīng)與電制冷機(jī)制冷時(shí)的耗電量、純電負(fù)荷之和相等；余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t制熱功率之和應(yīng)與制冷機(jī)和減溫減壓器吸收的冷熱功率相等。

（2）設(shè)備輸入、輸出約束條件。

式中：Hi為第i 個(gè)設(shè)備的輸入功率，要時(shí)刻大于或等于0；Pi為第i個(gè)設(shè)備的輸出功率，介于0和相應(yīng)運(yùn)行系數(shù)下的設(shè)備容量之間；Ni為第i 個(gè)設(shè)備的容量；ηi為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，取值0或1。

（3）優(yōu)化變量約束。

式中：Fmax為燃?xì)廨啓C(jī)容量；Swt，Spv分別為風(fēng)機(jī)、光伏容量。

3.3 求解方法

本文采用罰函數(shù)法［15］對(duì)約束條件進(jìn)行處理，借助罰函數(shù)把約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題，進(jìn)而用無約束最優(yōu)化方法求解約束問題，算法實(shí)現(xiàn)如下。

（1）數(shù)據(jù)初始化。輸入分布式風(fēng)機(jī)、光伏、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)的投資成本、運(yùn)維成本等參數(shù)。

（2）種群初始化。初始化種群中每個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)化配置方案中設(shè)備的容量，本文采用實(shí)數(shù)編碼的方式，個(gè)體可直接用優(yōu)化變量X表示

式中：N為種群個(gè)體數(shù)目；S為設(shè)備容量。

（3）計(jì)算種群個(gè)體的適應(yīng)度，這里考慮將帶罰函數(shù)的目標(biāo)值作為個(gè)體k的適應(yīng)度Fk。

（4）選擇操作。本文采用輪盤賭法進(jìn)行選擇，即基于適應(yīng)度比例的選擇策略，個(gè)體k 被選擇的概率為

式中：pk為個(gè)體k被選擇的概率。

由于適應(yīng)度值越小越好，所以在個(gè)體選擇之前對(duì)適應(yīng)度值求倒數(shù)。

（5）交叉操作。交叉操作采用算術(shù)交叉法，個(gè)體xi和xj的交叉操作方法如下

式中：x'i，x'j分別為隨機(jī)選擇的個(gè)體經(jīng)過交叉操作后的新個(gè)體；b為［0，1］區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

（6）變異操作。個(gè)體xi變異的操作方法如下

式中：xmax，xmin分別為xi的上界和下界；rand 為［0，1］間的隨機(jī)數(shù)；s 為隨機(jī)數(shù)；h 為當(dāng)前迭代次數(shù)；Gmax為最大進(jìn)化次數(shù)。

（7）判斷是否滿足終止進(jìn)化準(zhǔn)則，如不滿足，則轉(zhuǎn)到步驟（3）—（6）。

（8）輸出優(yōu)化配置方案。

4 算例分析

本文選擇位于江蘇省的泰興虹橋工業(yè)園區(qū)作為分析對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化配置研究。虹橋工業(yè)園區(qū)位于蘇中地區(qū)，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，風(fēng)能資源和太陽能資源都較為豐富。工業(yè)園區(qū)作為城市中能耗的主要聚集地，其能源需求主要有電、熱、冷。園區(qū)內(nèi)多為工廠、倉(cāng)儲(chǔ)或辦公樓，加之江蘇地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成熟，有較大的供能需求，因此適合在園區(qū)發(fā)展用戶側(cè)MCDES。

4.1 風(fēng)能、太陽能資源分析

虹橋工業(yè)園區(qū)120 m 處風(fēng)塔平均風(fēng)速為5.31 m/s，風(fēng)功率密度為125.5 W/m2，根據(jù)相關(guān)風(fēng)能資源評(píng)估辦法，該風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔附近輪轂高度處的風(fēng)功率密度為1 級(jí)，適合發(fā)展風(fēng)電項(xiàng)目。該園區(qū)考慮的是2.0～2.5 MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑為120～140 m，塔高100～150 m。WTG3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是較為合適的選擇且數(shù)量定為最多20臺(tái)。

工業(yè)園區(qū)處于光照充足的地區(qū)，太陽能資源較為豐富，年平均日照小時(shí)數(shù)為1 984.5。園區(qū)的可用建筑屋頂面積為42 240 m2，光伏組件采用平鋪式安裝方式，園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大容量為40 MW。

4.2 園區(qū)典型日冷、熱、電負(fù)荷分析

為與上文討論的不同典型日下風(fēng)機(jī)和光伏出力對(duì)應(yīng)，選擇旺季（3—5月，8—12月）、過渡季（6—7月）、淡季（1—2 月）的典型日冷、熱、電負(fù)荷，如圖3所示。

園區(qū)中對(duì)冷負(fù)荷的需求主要是用于冷凍水，旺季、過渡季和淡季對(duì)冷負(fù)荷的需求相對(duì)穩(wěn)定，由于過渡季處于夏天，所以對(duì)冷負(fù)荷的需求要稍高一些。工業(yè)園區(qū)中的熱負(fù)荷主要是為了滿足生產(chǎn)需求，屬于蒸汽熱負(fù)荷，生活熱水負(fù)荷的比例很小，盡量要求24 h 生產(chǎn)，所以各季對(duì)熱負(fù)荷的需求也是相對(duì)穩(wěn)定的。由圖3可見，3季對(duì)電負(fù)荷需求的變化趨勢(shì)相似，為了盡可能降低生產(chǎn)成本，許多企業(yè)夜間生產(chǎn)多于白天，所以00：00—07：00的電負(fù)荷需求明顯大于08：00—23：00。

圖3 旺季、淡季、過渡季工業(yè)園區(qū)各負(fù)荷曲線Fig.3 Load curves of the industrial park in peak season，low season and transition season

4.3 系統(tǒng)參數(shù)取值

選取該園區(qū)旺季、過渡季、淡季各1個(gè)典型日的冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化配置計(jì)算。峰谷分時(shí)電價(jià)為：高 峰 時(shí) 段1.069 7 元/（kW·h），平 期 時(shí) 段0.641 8 元/（kW·h），低谷時(shí)段0.313 9 元/（kW·h）。國(guó)家對(duì)天然氣價(jià)格有相應(yīng)的優(yōu)惠政策，工業(yè)天然氣價(jià)格是3.65 元/m3，高位發(fā)熱值為38.122 7 MJ/ m3，低位發(fā)熱值為34.349 6 MJ/ m3。MCDES 中設(shè)備性能參數(shù)見表2。

4.4 系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果分析

各設(shè)備配置后的最優(yōu)容量見表3，遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線如圖4所示。在相同的設(shè)備和性能參數(shù)下，SP 系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線如圖5所示。

表2 MCDES中設(shè)備性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of the equipment in MCDES

表3 MCDES優(yōu)化配置結(jié)果Tab.3 Optimized capacities in MCDES

圖4 MCDES目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線Fig.4 Optimization curve of MCDES objective function

圖5 SP系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線Fig.5 Optimization curve of SP system objective function

經(jīng)過優(yōu)化配置后，得到2種系統(tǒng)的年總成本、初始投資成本、年維護(hù)成本、年運(yùn)行成本和年CO2排放成本，如圖6所示。

圖6 MCDES和SP系統(tǒng)優(yōu)化后各項(xiàng)成本Fig.6 Costs of each item in MSDES and SP system after optimization

通過分析優(yōu)化配置結(jié)果可得，MCDES 的各項(xiàng)成本均低于SP系統(tǒng)。初始投資成本由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的投資成本組成，經(jīng)過優(yōu)化配置，MCDES 中這3 種投資成本分布較均衡，其初始投資成本比SP 系統(tǒng)低24.20%，而SP 系統(tǒng)更加依賴燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)機(jī)，增加了投資成本；同時(shí)，維護(hù)成本與初始投資成本成正比，所以MCDES的維護(hù)成本也要低于SP 系統(tǒng)。運(yùn)行成本主要由運(yùn)行過程中消耗的天然氣費(fèi)用和向外購(gòu)電的費(fèi)用組成，MCDES也更有優(yōu)勢(shì)。另外，MCDES 的CO2排放成本也明顯減少，比SP 系統(tǒng)低24.66%，表明優(yōu)化配置的MCDES環(huán)保性更佳。本文用一次能源利用率來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能性，MCDES 中一次能源利用率為47.86%，SP系統(tǒng)則為36.79%。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性3項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)，MCDES 優(yōu)勢(shì)非常明顯，有顯著的工程運(yùn)用價(jià)值和實(shí)踐意義。

5 結(jié)束語

本文在綜合了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行特性等影響因素的基礎(chǔ)上，研究了MCDES中常見的風(fēng)力發(fā)電模型、光伏發(fā)電模型、燃?xì)廨啓C(jī)模型的工作原理和出力；給出了優(yōu)化配置過程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用遺傳算法從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性3 個(gè)方面對(duì)分布式多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置。以江蘇虹橋工業(yè)園區(qū)為例進(jìn)行分析，將MCDES 和SP 系統(tǒng)的設(shè)備初始投資成本、維護(hù)成本、運(yùn)行成本、CO2排放成本、一次能源消耗量進(jìn)行比較，結(jié)果表明，與SP系統(tǒng)相比，MCDES的各項(xiàng)指標(biāo)都有明顯的優(yōu)勢(shì)。