一種離網(wǎng)混合可再生能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種離網(wǎng)混合可再生能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，具體而言是考慮能源 系統(tǒng)中的各組件的數(shù)量和相關(guān)組件安裝傾角、高度等的配置，最優(yōu)化系統(tǒng)的各個(gè)目標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的急速發(fā)展使得 能源需求不斷增加，化石能源如煤、石油等隨著快速消耗也不斷減少，并且這些化石能源的 大量使用造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。能源問題和環(huán)境污染日益成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā) 展的重要因素。面對(duì)能源問題和環(huán)境問題帶來的雙重壓力，大力發(fā)展新能源、加強(qiáng)利用可再 生能源成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一種迫切需要。
[0003] 混合可再生能源系統(tǒng)（HybridRenewableEnergySystems,HRES)是一種以合適 的方式組合使用不同種類的可再生能源和化石能源的系統(tǒng)，能夠克服單一可再生能源的間 歇性、不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)。具體而言是包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電以及儲(chǔ)能裝 置的能源系統(tǒng)。離網(wǎng)是指該系統(tǒng)沒有接入系統(tǒng)電網(wǎng)。離網(wǎng)混合可再生能源系統(tǒng)一般適用于 海島、山區(qū)之類的偏遠(yuǎn)地區(qū)。這些地區(qū)通常用戶比較少，負(fù)載比較低，現(xiàn)階段并入大電網(wǎng)比 較困難且不夠經(jīng)濟(jì)。
[0004] 關(guān)于HRES的規(guī)劃設(shè)計(jì)可以分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化研宄，目前大部分研宄 都是考慮了單目標(biāo)的優(yōu)化，如最小化系統(tǒng)的總成本、最大化可靠性、最小化溫室氣體排放量 等。然而從實(shí)際角度出發(fā)，HRES的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，即多個(gè)目標(biāo)如成 本、可靠性等需要同時(shí)優(yōu)化，此外還需要考慮混合系統(tǒng)中各組件的數(shù)量、光伏板安裝傾角、 風(fēng)機(jī)安裝高度等，因此HRES的規(guī)劃設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量、離散、非線性的復(fù)雜優(yōu)化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 由于多目標(biāo)優(yōu)化問題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法如線性規(guī)劃、梯度法等已不能有 效地解決問題，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種離網(wǎng)混合可再生能源 系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 第一步，設(shè)計(jì)HRES的優(yōu)化目標(biāo)以及約束函數(shù)，建立HRES的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；
[0008] 以最小化系統(tǒng)年度化成本和系統(tǒng)功率供應(yīng)缺失率為目標(biāo)，構(gòu)建帶約束的兩目標(biāo)優(yōu) 化問題，如下：
[0009] min{Fcost,FreliablilityI
[0010] s.t. (Npv,Nwg,Nbat,Ndg) ^ 0 (I)
[0011] KHwgSHhigh
[0012] 0° 彡 0 彡 90°
[0013] 其中示系統(tǒng)總的年度成本，包括：系統(tǒng)中各類設(shè)備的初始投資成本、使用過 程中的操作與維修成本以及部分設(shè)備的替換成本；FMliability表示系統(tǒng)功率供應(yīng)缺失率，即 系統(tǒng)不能滿足負(fù)載的時(shí)間在仿真時(shí)間內(nèi)所占的比例，值越小表示系統(tǒng)可靠性越高；Npv、Nwg、Nbat、Ndg分別表不HRES系統(tǒng)中待優(yōu)化的光伏板、風(fēng)機(jī)、電池組和柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量；Hwg表不 風(fēng)機(jī)的安裝高度，e表示太陽能光伏板的安裝傾角；
[0014] 假設(shè)組成HRES系統(tǒng)的各設(shè)備的型號(hào)已知，即光伏板、風(fēng)力機(jī)、電池組和柴油發(fā)電 機(jī)的性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)是確定的；其中光伏板參數(shù)包括開路電壓、短路電流、最大工作電壓、 最大工作電流、額定工作溫度（NCOT)、初始投資成本、操作維修成本以及使用壽命，風(fēng)機(jī)參 數(shù)包括額定功率、初始投資成本、操作維修成本以及使用壽命，儲(chǔ)能設(shè)備即電池組參數(shù)包括 額定容量、電壓、最大放電深度（DOD)、初始投資成本、操作維修成本、替換成本以及使用壽 命，柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)包括額定功率、初始投資成本、每小時(shí)操作維修成本和使用壽命；
[0015] 根據(jù)上述已知的各設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，建立針對(duì)離網(wǎng)的HRES多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；
[0016] HRES規(guī)劃設(shè)計(jì)模型涉及到多個(gè)類型的變量，包括光伏板數(shù)量、風(fēng)機(jī)數(shù)量、電池組數(shù) 量、柴油機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)安裝高度以及光伏板安裝傾角，將上述變量進(jìn)行編碼，編碼規(guī)則是：若 編碼顯示為（22, 8, 28, 3, 23. 55, 59. 76)，那么使用22個(gè)給定的光伏板，8個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，28 個(gè)電池組，3個(gè)柴油發(fā)電機(jī)，同時(shí)風(fēng)機(jī)安裝高度為23. 55米，光伏板安裝傾角為59. 76° ; [0017] 結(jié)合各設(shè)備的壽命，以25年為項(xiàng)目周期，HRES系統(tǒng)年度成本目標(biāo)函數(shù)為：
[0018] ACS=Cainv (PV+WG+Tower+BAT+DG)
[0019] +Caom (PV+WG+Tower+BAT+DG) (2)
[0020] +Carep(BAT)
[0021] 其中Cainv是年度初始投資成本，C_是年度操作和維修成本，CaMp是年替換成本， 分別用下式計(jì)算：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種離網(wǎng)混合可再生能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 第一步，設(shè)計(jì)HRES的優(yōu)化目標(biāo)以及約束函數(shù)，建立HRES的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型； 以最小化系統(tǒng)年度化成本和系統(tǒng)功率供應(yīng)缺失率為目標(biāo)，構(gòu)建帶約束的兩目標(biāo)優(yōu)化問 題，如下： ITlin {Fcostj Freliablility-^ s. t. (Npv, Nwg, Nbat, Ndg) ^ O (I) Hi〇w€ H Wg€ H high 0°彡β彡90° 其中示系統(tǒng)總的年度成本，包括：系統(tǒng)中各類設(shè)備的初始投資成本、使用過程中 的操作與維修成本以及部分設(shè)備的替換成本；FMliability表示系統(tǒng)功率供應(yīng)缺失率，即系統(tǒng) 不能滿足負(fù)載的時(shí)間在仿真時(shí)間內(nèi)所占的比例，值越小表不系統(tǒng)可靠性越尚；N pv、Nwg、Nbat、 Ndg分別表示HRES系統(tǒng)中待優(yōu)化的光伏板、風(fēng)機(jī)、電池組和柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量；H wg表示風(fēng)機(jī) 的安裝高度，β表示太陽能光伏板的安裝傾角； 假設(shè)組成HRES系統(tǒng)的各設(shè)備的型號(hào)已知，即光伏板、風(fēng)力機(jī)、電池組和柴油發(fā)電機(jī)的 性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)是確定的；其中光伏板參數(shù)包括開路電壓、短路電流、最大工作電壓、最大 工作電流、額定工作溫度（NCOT)、初始投資成本、操作維修成本以及使用壽命，風(fēng)機(jī)參數(shù)包 括額定功率、初始投資成本、操作維修成本以及使用壽命，儲(chǔ)能設(shè)備即電池組參數(shù)包括額定 容量、電壓、最大放電深度（DOD)、初始投資成本、操作維修成本、替換成本以及使用壽命，柴 油發(fā)電機(jī)參數(shù)包括額定功率、初始投資成本、每小時(shí)操作維修成本和使用壽命； 根據(jù)上述已知的各設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，建立針對(duì)離網(wǎng)的HRES多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型； HRES規(guī)劃設(shè)計(jì)模型涉及到多個(gè)類型的變量，包括光伏板數(shù)量、風(fēng)機(jī)數(shù)量、電池組數(shù)量、 柴油機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)安裝高度以及光伏板安裝傾角，將上述變量進(jìn)行編碼，編碼規(guī)則是：若編 碼顯示為（22, 8, 28, 3, 23. 55, 59. 76)，那么使用22個(gè)給定的光伏板，8個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，28個(gè) 電池組，3個(gè)柴油發(fā)電機(jī)，同時(shí)風(fēng)機(jī)安裝高度為23. 55米，光伏板安裝傾角為59. 76° ; 結(jié)合各設(shè)備的壽命，以25年為項(xiàng)目周期，HRES系統(tǒng)年度成本目標(biāo)函數(shù)為： ACS = Cainv (PV+WG+Tower+BAT+DG) +Caom (PV+WG+Tower+BAT+DG) (2) +Carep(BAT) 其中Cainv是年度初始投資成本，C _是年度操作和維修成本，Carep是年替換成本，分別 用下式計(jì)算：
其中Cinv是每個(gè)元件的初始投資成本，CRF是資本回收因子，Lram(year)是元件壽命，i 是年實(shí)際利率，in(M是名義利率，f是年通脹率； Carep= Crep. SFF (i，Lrep) (6)
(7) Caom (n) =Caom(I) · (l+f)n (8) 其中Cmp是每個(gè)元件的替換成本，SFF是沉默資金因子，Lmp是元件替換壽命，C _(η)是 第η年的操作