中国电力 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (4): 1-13.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202303062
李梓萌1(), 王天阔2(
), 胡鹏飞1(
), 于彦雪1, 杜翼3, 蔡期塬3
收稿日期:
2023-03-14
出版日期:
2024-04-28
发布日期:
2024-04-26
作者简介:
李梓萌(2000—),女,硕士研究生,从事电力能源互联及其智能化研究,E-mail:22110116@zju.edu.cn基金资助:
Zimeng LI1(), Tiankuo WANG2(
), Pengfei HU1(
), Yanxue YU1, Yi DU3, Qiyuan CAI3
Received:
2023-03-14
Online:
2024-04-28
Published:
2024-04-26
Supported by:
摘要:
针对沼-风-光乡村综合能源系统协同优化问题,构建了综合能源系统能量枢纽模型,并提出沼-风-光综合能源系统配置-运行协同优化双层规划模型,上层以年化总成本最小和碳排放量最小为目标,采用NSGA-II算法获取配置方案Pareto最优解集;下层以运行成本(包括碳排放成本)最小为目标获取最优运行方案,引入启发性规则,排除上层输入配置方案可能存在的设备冗余,加速上层优化配置。通过对福建某乡村沼-风-光综合能源系统进行算例验证,结果证明了所提优化配置和运行方案的多元性和优越性。
李梓萌, 王天阔, 胡鹏飞, 于彦雪, 杜翼, 蔡期塬. 基于能量枢纽的沼–风–光综合能源系统双层协同优化配置[J]. 中国电力, 2024, 57(4): 1-13.
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设备 | 单位额定 容量/kW | 单位额定容量 成本/万元 | 运维系数/ 万元 | 最大允许 安装数量/台 | ||||
风机 | 50.000 | 0.600 | 0.019 | 4 | ||||
PVT | 50.000 | 1.270 | 0.010 | 4 | ||||
沼气池 | 300.000 | 0.500 | 0.011 | 2 | ||||
沼气罐 | 150.000 | 0.170 | 0.011 | 4 | ||||
储能电池 | 100.000 | 0.290 | 0.003 | 4 | ||||
CHP | 100.000 | 0.880 | 0.085 | 10 | ||||
沼气炉 | 100.000 | 0.210 | 0.045 | 10 | ||||
电锅炉 | 50.000 | 0.200 | 0.021 | 5 |
表 2 设备投资及运维参数表
Table 2 Equipment investment and operation & maintenance parameters
设备 | 单位额定 容量/kW | 单位额定容量 成本/万元 | 运维系数/ 万元 | 最大允许 安装数量/台 | ||||
风机 | 50.000 | 0.600 | 0.019 | 4 | ||||
PVT | 50.000 | 1.270 | 0.010 | 4 | ||||
沼气池 | 300.000 | 0.500 | 0.011 | 2 | ||||
沼气罐 | 150.000 | 0.170 | 0.011 | 4 | ||||
储能电池 | 100.000 | 0.290 | 0.003 | 4 | ||||
CHP | 100.000 | 0.880 | 0.085 | 10 | ||||
沼气炉 | 100.000 | 0.210 | 0.045 | 10 | ||||
电锅炉 | 50.000 | 0.200 | 0.021 | 5 |
时段 | 电价/ (元·(kW·h)–1) | |
高峰时段(08:30—11:30;14:30—16:30;18:00—20:00) | 0.808 | |
平峰时段(06:00—08:30;11:30—14:30;16:30—18:00) | 0.548 | |
低谷时段(00:00—06:00;20:00—24:00) | 0.288 |
表 1 福建电网电价表
Table 1 Electricity price of Fujian power grid
时段 | 电价/ (元·(kW·h)–1) | |
高峰时段(08:30—11:30;14:30—16:30;18:00—20:00) | 0.808 | |
平峰时段(06:00—08:30;11:30—14:30;16:30—18:00) | 0.548 | |
低谷时段(00:00—06:00;20:00—24:00) | 0.288 |
参数 | 设定值 | 参数 | 设定值 | |||
λon,chp/(元·次–1) | 53.350 | ηe,PVT | 0.450 | |||
λoff,chp/(元·次–1) | 53.350 | ηh,PVT | 0.550 | |||
ηe,CHP | 0.400 | Tin,min/ ℃ | 15.000 | |||
ηh,CHP | 0.450 | Tin,max/ ℃ | 55.000 | |||
Pchp,min/kW | 5.000 | Qbio/((kW·h)·m–3) | 6.110 | |||
Pchp,max/kW | 100.000 | Prbio/(元·(kW·h)–1) | 0.245 | |||
ηf | 0.750 | Sbes,min | 0.100 | |||
Pf,ma/kW | 100.000 | Sbes,max | 1.000 | |||
ηb | 0.750 | Vgs,min/(m3·h–1) | –150.000 | |||
Pb,max/kW | 50.000 | Vgs,max/(m3·h–1) | 150.000 | |||
Gs,grid/(g·(kW·h)–1) | 3.120 | Sbes,min | 0.100 | |||
Gn,grid/(g·(kW·h)–1) | 2.350 | Sbes,max | 0.900 | |||
Gc,grid/(g·(kW·h)–1) | 0.890 | Pch,max/kW | 80.000 | |||
Gc,bio/(kg·m–3) | 1.960 | Pdis,max/kW | 80.000 | |||
Gbef/kg | 3721.550 | ηch | 0.910 | |||
r | 0.050 | ηdis | 0.910 | |||
Ninv | 8.000 | 0.006 | ||||
R | 0.050 | 0.008 | ||||
Pgrid,max/kW | 1000.000 | 0.060 |
表 3 设备技术参数表
Table 3 Equipment technical parameters
参数 | 设定值 | 参数 | 设定值 | |||
λon,chp/(元·次–1) | 53.350 | ηe,PVT | 0.450 | |||
λoff,chp/(元·次–1) | 53.350 | ηh,PVT | 0.550 | |||
ηe,CHP | 0.400 | Tin,min/ ℃ | 15.000 | |||
ηh,CHP | 0.450 | Tin,max/ ℃ | 55.000 | |||
Pchp,min/kW | 5.000 | Qbio/((kW·h)·m–3) | 6.110 | |||
Pchp,max/kW | 100.000 | Prbio/(元·(kW·h)–1) | 0.245 | |||
ηf | 0.750 | Sbes,min | 0.100 | |||
Pf,ma/kW | 100.000 | Sbes,max | 1.000 | |||
ηb | 0.750 | Vgs,min/(m3·h–1) | –150.000 | |||
Pb,max/kW | 50.000 | Vgs,max/(m3·h–1) | 150.000 | |||
Gs,grid/(g·(kW·h)–1) | 3.120 | Sbes,min | 0.100 | |||
Gn,grid/(g·(kW·h)–1) | 2.350 | Sbes,max | 0.900 | |||
Gc,grid/(g·(kW·h)–1) | 0.890 | Pch,max/kW | 80.000 | |||
Gc,bio/(kg·m–3) | 1.960 | Pdis,max/kW | 80.000 | |||
Gbef/kg | 3721.550 | ηch | 0.910 | |||
r | 0.050 | ηdis | 0.910 | |||
Ninv | 8.000 | 0.006 | ||||
R | 0.050 | 0.008 | ||||
Pgrid,max/kW | 1000.000 | 0.060 |
方案 | 上层优化 配置算法 | 下层优化 运行算法 | 上层优化 配置方法 | 下层优化 运行方法 | ||||
1 | NSGA-II算法 | Gurobi 求解器 | 基于Pareto最优解集的多目标优化方法 | 将环保性指标转化为经济性指标的多目标优化方法 | ||||
2 | 遗传算法 | Gurobi 求解器 | 单目标优化方法 | 单目标优化方法 | ||||
3 | 遗传算法 | Gurobi 求解器 | 基于权重分析法的多目标优化方法 | 将环保性指标转化为经济性指标的多目标优化方法 |
表 4 协同优化方案
Table 4 Collaborative optimization scheme
方案 | 上层优化 配置算法 | 下层优化 运行算法 | 上层优化 配置方法 | 下层优化 运行方法 | ||||
1 | NSGA-II算法 | Gurobi 求解器 | 基于Pareto最优解集的多目标优化方法 | 将环保性指标转化为经济性指标的多目标优化方法 | ||||
2 | 遗传算法 | Gurobi 求解器 | 单目标优化方法 | 单目标优化方法 | ||||
3 | 遗传算法 | Gurobi 求解器 | 基于权重分析法的多目标优化方法 | 将环保性指标转化为经济性指标的多目标优化方法 |
解集 | 风机/ 台 | 光伏/ 台 | 储能 电池/ 台 | 沼气 池/ 台 | 沼气 罐/ 台 | CHP/ 台 | 沼气 炉/ 台 | 电锅 炉/ 台 | 年化总 成本/ (万元·年–1) | 碳排 放量/ (t·年–1) | ||||||||||
折衷解 | 4 | 4 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 105.02 | 697.70 | ||||||||||
典型解1 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 | 90.66 | 823.00 | ||||||||||
典型解2 | 4 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 95.95 | 777.51 | ||||||||||
典型解3 | 4 | 3 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 100.33 | 737.73 | ||||||||||
典型解4 | 4 | 4 | 2 | 2 | 4 | 1 | 1 | 2 | 126.70 | 680.64 |
表 5 方案1优化配置方案及对应优化结果
Table 5 Scheme I optimized configuration scheme and corresponding optimized results
解集 | 风机/ 台 | 光伏/ 台 | 储能 电池/ 台 | 沼气 池/ 台 | 沼气 罐/ 台 | CHP/ 台 | 沼气 炉/ 台 | 电锅 炉/ 台 | 年化总 成本/ (万元·年–1) | 碳排 放量/ (t·年–1) | ||||||||||
折衷解 | 4 | 4 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 105.02 | 697.70 | ||||||||||
典型解1 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 | 90.66 | 823.00 | ||||||||||
典型解2 | 4 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 95.95 | 777.51 | ||||||||||
典型解3 | 4 | 3 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 100.33 | 737.73 | ||||||||||
典型解4 | 4 | 4 | 2 | 2 | 4 | 1 | 1 | 2 | 126.70 | 680.64 |
方 案 | 储能 电池/ 台 | 沼气 罐/ 台 | CHP/ 台 | 沼气 炉/ 台 | 电锅 炉/ 台 | 投资 成本/ (万元·年–1) | 运行 成本/ (万元·年–1) | 沼气 产量/ (t·年–1) | 可再生 能源消 纳率/ % | |||||||||
1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 76.60 | 21.95 | 529.70 | 100.00 | |||||||||
2 | 4 | 1 | 3 | 3 | 3 | 111.46 | 41.60 | 143.00 | 69.88 |
表 6 方案1、2优化运行对比结果
Table 6 Comparison results of optimized operation of Scheme I and Scheme II
方 案 | 储能 电池/ 台 | 沼气 罐/ 台 | CHP/ 台 | 沼气 炉/ 台 | 电锅 炉/ 台 | 投资 成本/ (万元·年–1) | 运行 成本/ (万元·年–1) | 沼气 产量/ (t·年–1) | 可再生 能源消 纳率/ % | |||||||||
1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 76.60 | 21.95 | 529.70 | 100.00 | |||||||||
2 | 4 | 1 | 3 | 3 | 3 | 111.46 | 41.60 | 143.00 | 69.88 |
方案 | 碳排 放量/ (t·年–1) | 运行成本/(万元·年–1) | CHP启停成本/(万元·年–1) | 能量转换成本/(万元·年–1) | 购电成本/(万元·年–1) | 污染物排放成本/(万元·年–1) | 碳排放成本/(万元·年–1) | |||||||
1 | 736.7 | 21.95 | 0 | 7.43 | 9.28 | 0.88 | 4.35 | |||||||
3 | 736.3 | 23.30 | 0 | 7.85 | 10.31 | 0.82 | 4.32 |
表 7 方案1、3优化运行对比结果
Table 7 Comparison results of optimized operation of Scheme I and Scheme III
方案 | 碳排 放量/ (t·年–1) | 运行成本/(万元·年–1) | CHP启停成本/(万元·年–1) | 能量转换成本/(万元·年–1) | 购电成本/(万元·年–1) | 污染物排放成本/(万元·年–1) | 碳排放成本/(万元·年–1) | |||||||
1 | 736.7 | 21.95 | 0 | 7.43 | 9.28 | 0.88 | 4.35 | |||||||
3 | 736.3 | 23.30 | 0 | 7.85 | 10.31 | 0.82 | 4.32 |
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