本發(fā)明涉及多能源優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域，具體是一種考慮碳排放成本和效率的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著鄉(xiāng)村地區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷深入，鄉(xiāng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)體系改善與升級(jí)成為我國(guó)未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。當(dāng)前鄉(xiāng)村解決能源供應(yīng)問(wèn)題的主要方法比較原始，通常依賴于直接燃燒生物質(zhì)能源。這種方式存在單一性、能源利用率低、靈活性差，并且導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，這說(shuō)明傳統(tǒng)的鄉(xiāng)村能源供應(yīng)模式已不再適應(yīng)當(dāng)今的形勢(shì)。鄉(xiāng)村地區(qū)需要清潔、綠色和高效的能源使用和發(fā)展路徑。因此，本發(fā)明通過(guò)建立相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)一調(diào)度的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)模型，對(duì)整體能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，側(cè)重系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、碳排放、效率，旨在優(yōu)化鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放、降低用能成本、促進(jìn)可再生能源的利用。

2、現(xiàn)有研究工作主要針對(duì)投資成本，鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法以單一目標(biāo)為主，如中國(guó)專利“一種鄉(xiāng)村綜合能源規(guī)劃資源優(yōu)化系統(tǒng)及方法”(申請(qǐng)?zhí)朿n202110621398.0，公開時(shí)間20211022)中就僅以研究沼氣系統(tǒng)的工作情況為單一評(píng)價(jià)目標(biāo)，這種以單一目標(biāo)為主的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法無(wú)法有效地兼顧低碳性、高效性和經(jīng)濟(jì)性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種考慮碳排放成本和效率的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法，主要用于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的以單一目標(biāo)為主的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法無(wú)法有效地兼顧低碳性、高效性和經(jīng)濟(jì)性要求的技術(shù)問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、方案一：

4、一種考慮碳排放成本和效率的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法，包括如下步驟：

5、s1：建立各類設(shè)備，各類設(shè)備包括換能系統(tǒng)及多元儲(chǔ)能設(shè)施，換能系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)、生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)、生物質(zhì)沼氣熱電系統(tǒng)，多元儲(chǔ)能設(shè)施包括儲(chǔ)熱設(shè)備、儲(chǔ)氣設(shè)備、儲(chǔ)電設(shè)備，將多元儲(chǔ)能設(shè)施和能源用戶的電負(fù)荷需求、熱負(fù)荷需求、氣負(fù)荷需求耦合成為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)；

6、s2：建立太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的電能源供給模型、生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)的氣能源供給模型、生物質(zhì)沼氣熱電系統(tǒng)的熱能源供給模型；

7、s3：以鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的全生命周期成本、碳排放成本、效率為目標(biāo)，功率平衡、設(shè)備容量為約束條件，構(gòu)建鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化求解模型；

8、s4：采用nsga-ⅱ算法求解優(yōu)化求解模型的帕累托解集，所述帕累托解集中包含沼氣池、儲(chǔ)氣設(shè)備的容積參數(shù)，以及沼氣鍋爐、沼氣燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)、電制熱設(shè)備、儲(chǔ)熱設(shè)備、儲(chǔ)電設(shè)備的功率。

9、優(yōu)選的，所述步驟s2中，電能源供給模型為太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)模型，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)產(chǎn)出功率可表示為：

10、

11、其中，為t時(shí)刻發(fā)電機(jī)的輸出功率；ηe為發(fā)電機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率；為t時(shí)刻發(fā)電機(jī)總的輸入熱功率；et為t時(shí)刻光熱電站中儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量；et-1為t-1時(shí)刻光熱電站中儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量；ρ為儲(chǔ)熱裝置的能量自損耗系數(shù)；為t時(shí)刻儲(chǔ)熱裝置的充熱功率；為儲(chǔ)熱裝置的充熱效率；為t時(shí)刻儲(chǔ)熱裝置的放熱功率；為儲(chǔ)熱裝置的放熱效率；δt為單位調(diào)度時(shí)間。

12、優(yōu)選的，所述步驟s2中，氣能源供給模型為生物質(zhì)沼氣熱電系統(tǒng)模型，沼氣池產(chǎn)氣的數(shù)學(xué)模型為：

13、pbiog＝rbiogvbiog

14、式中：pbiog為沼氣系統(tǒng)日產(chǎn)量，rbiog為該沼氣的產(chǎn)氣效率，vbiog為現(xiàn)沼氣池的沼氣容積；

15、

16、其中，表示t時(shí)刻沼氣燃機(jī)的熱功率輸出值；表示t時(shí)刻沼氣燃機(jī)的電功率輸出值；ηemt為發(fā)電效率、ηhl為沼氣燃機(jī)的熱損耗系數(shù)；為沼氣燃機(jī)用氣功率，為t時(shí)刻沼氣鍋爐沼氣耗量；為沼氣鍋爐輸出的熱功率；lg表示沼氣熱值、ηmt表示沼氣鍋爐制熱效率、δt表示氣能源供給模型的運(yùn)行時(shí)間。

17、優(yōu)選的，所述步驟s2中，熱能源供給模型為生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)模型，生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)出特性模型為：

18、vf,t＝mf,tβfηf

19、

20、式中：vf,t為熱解氣化爐的產(chǎn)氣速率；mf,t為t時(shí)刻垃圾的氣化量；βf為氣化系數(shù)；ηf為熱解爐效率；為t時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率；λf為可燃?xì)怏w含量；qf為可燃?xì)怏w燃燒熱值；為t燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)熱功率；ηpg為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；η1為燃?xì)廨啓C(jī)熱損耗系數(shù)。

21、優(yōu)選的，所述步驟s3的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的全生命周期成本目標(biāo)函數(shù)為：

22、將系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，選取運(yùn)行1天中穩(wěn)定性最低的時(shí)刻來(lái)評(píng)判鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)，可得

23、fa＝cinv+cma+copt-cre

24、式中：fa為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的全生命周期成本，cinv為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)成本，cma為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的維修成本，copt為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，cre為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的垃圾處理產(chǎn)生的收益；

25、建設(shè)成本的計(jì)算方式如下：

26、

27、式中：neq為s1步驟所述設(shè)備種類數(shù)；r為貼現(xiàn)率；pi，ti，分別為第i類設(shè)備的規(guī)劃容量、生命周期和單位容量建設(shè)成本；

28、維護(hù)成本的計(jì)算方式如下：

29、

30、式中：pi,t為t時(shí)刻第i類設(shè)備的出力；為第i類設(shè)備的單位出力維護(hù)成本；

31、購(gòu)能成本的計(jì)算方式如下：

32、

33、式中：ct,e為t時(shí)刻的電價(jià)，ct,g為t時(shí)刻的氣價(jià)，pgrid,t為t時(shí)刻的購(gòu)買的電量，pgas,t為t時(shí)刻的購(gòu)買的氣量；

34、垃圾處理收益的計(jì)算方式如下：

35、

36、式中：k為垃圾類型的數(shù)量；s為垃圾處理批次總數(shù)；mk,s為s批次處理k類型垃圾的量，為s批次處理k類型垃圾可以獲得的單位經(jīng)濟(jì)性收益；ωk,s為s批次節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)k類型垃圾單位節(jié)省收益，nk,s為s批次節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)k類型垃圾量。

37、優(yōu)選的，所述步驟s3的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化求解模型中包括碳排放成本目標(biāo)函數(shù)：

38、

39、式中：fc為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的碳排放成本；為碳排放源a的碳排放售價(jià)，ea,t為t時(shí)刻碳排放源a的碳排放能量。

40、優(yōu)選的，所述步驟s3的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化求解模型中包括效率目標(biāo)函數(shù)：

41、ηex＝eg/ep

42、式中：ηex表示鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的效率；eg表示系統(tǒng)被利用或收益的ep表示系統(tǒng)支付或耗費(fèi)的

43、優(yōu)選的，所述步驟s3的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化求解模型中包括以下約束條件，約束條件表達(dá)式如下：

44、功率平衡約束：

45、

46、式中：pe,load,t為t時(shí)刻的電負(fù)荷、ph,load,t為t時(shí)刻的氣負(fù)荷、pg,load,t為t時(shí)刻的熱負(fù)荷；為沼氣燃機(jī)在t時(shí)刻的發(fā)電或用電功率，為太陽(yáng)能光熱發(fā)電設(shè)備在t時(shí)刻的發(fā)電或用電功率，為生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電機(jī)組在t時(shí)刻的發(fā)電或用電功率，為電制熱設(shè)備在t時(shí)刻的發(fā)電或用電功率；為太陽(yáng)能光熱發(fā)電設(shè)備在t時(shí)刻的制熱功率、為電制熱設(shè)備在t時(shí)刻的制熱功率、為沼氣燃機(jī)在t時(shí)刻的制熱功率、為沼氣鍋爐在t時(shí)刻的制熱功率；為t時(shí)刻沼氣制氣量、為t時(shí)刻沼氣鍋爐用氣功率、為t時(shí)刻沼氣燃機(jī)用氣功率；pgrid,t為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)t時(shí)刻的購(gòu)電量、pgas,t為鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)t時(shí)刻購(gòu)氣量；pess,t為t時(shí)刻儲(chǔ)電設(shè)備、ptss,t為t時(shí)刻儲(chǔ)熱設(shè)備、ptss,t為t時(shí)刻儲(chǔ)氣設(shè)備的工作功率；

47、設(shè)備容量約束：

48、

49、其中：pi,max為步驟s2所述第i類設(shè)備的最大運(yùn)行功率、pi,min為第i類設(shè)備的最小運(yùn)行功率；pit為步驟s2所述第i類設(shè)備在t時(shí)刻的工作功率；di為步驟s2所述的第i類設(shè)備的向下爬坡功率下限，bi為第i類設(shè)備向上爬坡功率上限；pit+1為第i類設(shè)備在t+1時(shí)刻的工作功率，pit為第i類設(shè)備在t時(shí)刻的工作功率，δt為單位時(shí)間。

50、優(yōu)選的，所述步驟s4中，nsga-ⅱ算法步驟如下：

51、s01：初始化系統(tǒng)，輸入步驟s1中鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)、光照、負(fù)荷；

52、s02：調(diào)用任意函數(shù)，取t＝0，作為初始種群p0；

53、s03：計(jì)算種群p0各個(gè)體適應(yīng)度；

54、

55、其中：fitness為適應(yīng)度函數(shù)；f1(x),f2(x),f3(x)分別為三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值；δ為不滿足約束條件個(gè)體的相關(guān)約束的絕對(duì)值之和；f1，max(x)為所有個(gè)體的第1個(gè)目標(biāo)函數(shù)值中的最大值；f2，max(x)表示所有個(gè)體的第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)值中的最大值；f3，max(x)表示所有個(gè)體的第3個(gè)目標(biāo)函數(shù)值中的最大值；

56、s04：計(jì)算父代種群pt個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)行并行非劣排序；

57、s05：對(duì)父代種群pt采用遺傳操作得到子代種群qt；

58、s06：合并父代種群pt與子代種群qt為種群rt，并進(jìn)行非劣排序；

59、s07：保留精英個(gè)體，并將精英個(gè)體作為新父代種群pt+1；

60、s08：判斷終止條件，是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若滿足，則輸出鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果；否則返回步驟s05。

61、優(yōu)選的，所述步驟s4中，引入精英基因保留策略和快速非支配排序?qū)sga-ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟為：

62、s11：將父代種群和子代種群合并形成新的種群，之后對(duì)新種群進(jìn)行非支配排序；

63、s12：進(jìn)行新的父代的生成工作，先將pareto等級(jí)為1的非支配個(gè)體放入新的父代集合當(dāng)中，之后將pareto等級(jí)為2的個(gè)體放入新的父代種群中，以此類推；

64、s13：若等級(jí)為k的個(gè)體全部放入新的父代集合中后，集合中個(gè)體的數(shù)量小于n，而等級(jí)為k+1的個(gè)體全部放入新的父代集合中后，集合中的個(gè)體數(shù)量大于n，則對(duì)第k+1等級(jí)的全部個(gè)體計(jì)算擁擠度并將所有個(gè)體按擁擠度進(jìn)行降序排列,之后將等級(jí)大于k+1的個(gè)體全部淘汰；

65、s14：將等級(jí)k+1中的個(gè)體按步驟s12中排好的順序逐個(gè)放入新的父代集合中，直到父代集合中的個(gè)體數(shù)量等于n，剩余個(gè)體被淘汰。

66、本方案的有益效果如下：

67、1.本方案的一種考慮碳排放成本和效率的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法，通過(guò)將鄉(xiāng)村地區(qū)各類設(shè)備耦合為一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，并選取全生命周期成本、碳排放成本、效率為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。并采用一種基于nsga-ⅱ算法求解多目標(biāo)優(yōu)化模型，并在種群更新過(guò)程引入精英基因保留策略和快速非支配排序以提高算法的求解能力，這使得算法能夠找到較好的pareto前沿解集，并提供一系列有效的非劣解供鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)決策者選擇，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村能源系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的多目標(biāo)綜合優(yōu)化。

68、2.本方案的一種考慮碳排放成本和效率的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法中包含電、氣、熱能源供給模型，根據(jù)該能源供給模型，可定性定量的描述鄉(xiāng)村某些能源設(shè)備難以描述的變量關(guān)系，可以從側(cè)面實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村能源設(shè)備某些變量之間的參數(shù)計(jì)算。本方法將鄉(xiāng)村地區(qū)的各類設(shè)備和能源用戶的電、熱、氣負(fù)荷需求耦合成為一個(gè)完整的綜合能源系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)調(diào)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能增效。

69、綜上，本方案解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的以單一目標(biāo)為主的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法無(wú)法有效地兼顧低碳性、高效性和經(jīng)濟(jì)性要求的技術(shù)問(wèn)題。