基于遺傳算法的風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙建東，商執(zhí)一，王自上，楊帆

（北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

從可再生能源的資源狀況和技術(shù)發(fā)展水平看，風(fēng)能和太陽(yáng)能無(wú)疑是今后發(fā)展較快的可再生能源。風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的天然互補(bǔ)特性，以及柴油機(jī)的備用發(fā)電功能，可以很好地克服風(fēng)能及太陽(yáng)能單獨(dú)供電的隨機(jī)性、間歇性缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷發(fā)電，提高供電系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。隨著風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)工程應(yīng)用逐漸增多、安裝容量不斷增大，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已不能滿足系統(tǒng)精確設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)成本的要求。

風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是尋求系統(tǒng)的最優(yōu)配置解，但是復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電過(guò)程具有復(fù)雜非線性，這使得系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程呈現(xiàn)非線性。目前解決非線性優(yōu)化問(wèn)題較好的方法是遺傳算法[1]；而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)化是通過(guò)能量調(diào)度策略[2]，控制能量在系統(tǒng)中各部件間的合理流動(dòng)，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

當(dāng)前，工程實(shí)際中越來(lái)越注重對(duì)系統(tǒng)總費(fèi)用的考慮。系統(tǒng)總費(fèi)用主要包括2部分費(fèi)用，系統(tǒng)的初期費(fèi)用和系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程費(fèi)用。早期的風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)往往是單獨(dú)優(yōu)化系統(tǒng)的初期配置，降低投資，或是系統(tǒng)建成后對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，而較少考慮系統(tǒng)總體運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化。

因此，本文采用遺傳算法和能量調(diào)度策略對(duì)系統(tǒng)的初期投資和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期使系統(tǒng)配置最優(yōu)和總體費(fèi)用最低。

1 復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)組成

風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)、能量?jī)?chǔ)存環(huán)節(jié)和能量消耗環(huán)節(jié)3部分組成。其能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)又分為風(fēng)力發(fā)電部分和光伏發(fā)電部分；能量?jī)?chǔ)存環(huán)節(jié)為蓄電池；能量消耗環(huán)節(jié)為各種用電負(fù)載，其中又分為直流負(fù)載和交流負(fù)載2類。柴油機(jī)作為備用電源，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、蓄電池均不能滿足負(fù)載時(shí)，向負(fù)載供電。

圖1 風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法和策略

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，使系統(tǒng)的總費(fèi)用最低。本文利用遺傳算法和能量調(diào)度策略對(duì)系統(tǒng)的初期投資和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求降低系統(tǒng)總費(fèi)用。

2.1 系統(tǒng)能量調(diào)度策略

根據(jù)負(fù)載要求和系統(tǒng)各元件的特性，確定風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的能量調(diào)度策略。具體的能量調(diào)度策略為。

1）首先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池發(fā)出的電能供給負(fù)載。若電量多有余且蓄電池未達(dá)到充電上限，向蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電量達(dá)到充電上限時(shí)，啟動(dòng)卸荷負(fù)載，將多余電量卸掉。

2）若風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池發(fā)出的電量不能供給負(fù)載，需啟動(dòng)柴油機(jī)或蓄電池向負(fù)載供電。先假設(shè)蓄電池和柴油機(jī)分別給負(fù)載供電，計(jì)算虛擬供電后的蓄電池的運(yùn)行費(fèi)用和柴油機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用，然后比較兩種供電模式的運(yùn)行費(fèi)用，選擇運(yùn)行費(fèi)用較少的供電方式給負(fù)載供電。

3）在實(shí)際運(yùn)行中，柴油機(jī)不能頻繁啟動(dòng)[3]，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)置每10 min控制器對(duì)柴油機(jī)和蓄電池給負(fù)載供電預(yù)測(cè)[4]比較一次，判斷啟動(dòng)柴油機(jī)或用蓄電池供電。

2.2 利用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

將遺傳算法應(yīng)用于風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的非線型優(yōu)化主要包括以下3個(gè)部分：

1）目標(biāo)函數(shù)：系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是滿足負(fù)載要求及約束的前提下，系統(tǒng)的初期投資和運(yùn)行費(fèi)用最少。其目標(biāo)函數(shù)為

式中，K（Xi）、N（Xi）、T（Xi）分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和光伏電池、蓄電池的單價(jià)、數(shù)量和預(yù)期壽命。F（Xj）為光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)和蓄電池的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。其中，蓄電池的壽命與蓄電池的充放電次數(shù)和充放電深度有關(guān)，因此在計(jì)算蓄電池的維修費(fèi)用時(shí)，將蓄電池初期投資費(fèi)用除以循環(huán)當(dāng)量作為蓄電池運(yùn)行費(fèi)用。

2）決策變量：系統(tǒng)決策變量為系統(tǒng)各元件的容量、數(shù)量及安裝方式。

3）約束函數(shù)：根據(jù)負(fù)載要求和元件特性，建立系統(tǒng)約束函數(shù)，使風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)既能保證用戶負(fù)載的要求，又能保證系統(tǒng)高效有序地運(yùn)行。主要從用戶要求、蓄電池充放電特性、風(fēng)力發(fā)電機(jī)物理特性等幾方面建立約束函數(shù)。

淤風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)滿足用戶負(fù)載要求，使失電小時(shí)數(shù)為零。即

于為延長(zhǎng)蓄電池能壽命，須使蓄電池剩余容量（Battery State of Charge，以下簡(jiǎn)稱SOC）在一定范圍內(nèi)，即

盂風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速在啟動(dòng)風(fēng)速與截止風(fēng)速間運(yùn)行，即

2.3 優(yōu)化過(guò)程

基于遺傳算法和能量調(diào)度策略的系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程如圖2所示。其中流程圖左側(cè)為遺傳算法，右側(cè)為能量調(diào)度策略。

3 工程實(shí)例分析

為驗(yàn)證上述算法和策略的有效性，本論文對(duì)寧夏中衛(wèi)縣一實(shí)際工程的風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程逐時(shí)仿真。

3.1 系統(tǒng)逐時(shí)負(fù)載

系統(tǒng)負(fù)載包括交流負(fù)載和直流負(fù)載2部分，其種類和功率如表1所示。

圖2 系統(tǒng)優(yōu)化配置流程圖

系統(tǒng)年均逐時(shí)用電負(fù)荷如圖3所示。

表1 系統(tǒng)負(fù)載種類及功率

圖3 年均逐時(shí)用電負(fù)荷

3.2 蓄電池配置

蓄電池的總?cè)萘扛鶕?jù)公式（5）計(jì)算。

式中，Ld為負(fù)載消耗的電能；Df為當(dāng)?shù)氐倪B續(xù)陰雨天數(shù)；L為蓄電池的衰減率；Vb為蓄電池的放電終止電壓；DOD為蓄電池的放電深度[5]。

3.3 柴油機(jī)配置

風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)能、太陽(yáng)能和蓄電池?zé)o法滿足負(fù)載用電需求時(shí)，柴油機(jī)作為備用能源向負(fù)載供電。為提高系統(tǒng)供電可靠性，須使柴油機(jī)的額定功率大于負(fù)載最大瞬時(shí)功率。

3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)和和太陽(yáng)能電池配置

1）選擇太陽(yáng)能電池板型號(hào)。根據(jù)市場(chǎng)上實(shí)際元件和負(fù)載白天的最大功率，計(jì)算得到各種不同型號(hào)太陽(yáng)能電池板的數(shù)量；并找出年均初期投資最低所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池板型號(hào)。

2）選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)。根據(jù)年均風(fēng)速，選出額定風(fēng)速最接近年均風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

3）選定太陽(yáng)能光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的型號(hào)后，采用遺傳算法和能量調(diào)度策略對(duì)太陽(yáng)能光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行配置。

3.5 系統(tǒng)配置結(jié)果

按照?qǐng)D2所示優(yōu)化流程及上述配置要求，本文編寫(xiě)了系統(tǒng)配置優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

在應(yīng)用遺傳變異算法時(shí)，種群的初始值設(shè)置為太陽(yáng)能單獨(dú)供電或風(fēng)力機(jī)單獨(dú)供電時(shí)的數(shù)量乘以10。其他參數(shù)設(shè)置為：最大遺傳代數(shù)=300；變量個(gè)數(shù)=2；種群個(gè)數(shù)=40；代溝=1；交叉率=0.05；變異率=0.1；插入率=0.3；遷移率=0.2。

目標(biāo)函數(shù)取值包括部件維護(hù)費(fèi)用（柴油機(jī)、蓄電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列）和柴油機(jī)耗油費(fèi)用。由于設(shè)計(jì)時(shí)的氣象資料是各月各個(gè)時(shí)刻的平均值，所以在計(jì)算目標(biāo)值時(shí)，要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列的總費(fèi)用除以風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列的預(yù)期壽命（一般太陽(yáng)能電池板的壽命為15年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命為10年），得到年初期投資費(fèi)用。并且計(jì)算太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的費(fèi)用時(shí)，包含了逆變器和整流器費(fèi)用。

柴油機(jī)的耗油費(fèi)用在求出當(dāng)月平均費(fèi)用后，乘以當(dāng)月天數(shù)，得到柴油機(jī)消耗的年投資費(fèi)用。針對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行100 h、300 h、500 h工作后，維護(hù)費(fèi)用不一樣，所以設(shè)置一個(gè)參數(shù)，記錄柴油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，太陽(yáng)能電池板年維護(hù)費(fèi)用為初期投資費(fèi)用的0.3%，風(fēng)力發(fā)電機(jī)年維護(hù)費(fèi)用為初期投資的0.5%。

另外，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，將蓄電池的電量設(shè)成初始狀態(tài)，即SOC=1，柴油機(jī)的初始柴油消耗設(shè)置為0。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化運(yùn)算，最優(yōu)結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置結(jié)果

3.6 配置方案比較分析

根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果，選取與最優(yōu)配置方案最接近的3種配置方案（表3），分別采用能量調(diào)度策略，進(jìn)行全年逐時(shí)仿真運(yùn)行，輸出系統(tǒng)各部件的全年發(fā)電量（表4）和年均投資與運(yùn)行費(fèi)用（表5），以比較判斷系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

從表4和表5可看出，4個(gè)方案中，方案三系統(tǒng)發(fā)電量最大，方案一次之，方案2最少；方案一總成本較少，方案三次之，方案二最大。

經(jīng)認(rèn)真比選，在滿足負(fù)載要求的前提下，該工程選擇方案一作為系統(tǒng)配置開(kāi)始施工圖設(shè)計(jì)與設(shè)備選購(gòu)。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)類型發(fā)電量中所占比重最大，年均投資與運(yùn)行成本低，建議在風(fēng)能較好的地方，應(yīng)適當(dāng)加大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝量。

表3 系統(tǒng)配置方案

表4 系統(tǒng)各元件發(fā)電量kW·h

表5 系統(tǒng)年均總費(fèi)用 元

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)以其獨(dú)立的供電方式，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到廣大缺電的邊遠(yuǎn)地區(qū)和無(wú)電的海島地區(qū)，整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置和運(yùn)行費(fèi)用已是項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵。本論文采用能量調(diào)度策略和遺傳變異算法，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)全年逐時(shí)仿真運(yùn)算比較，結(jié)果表明經(jīng)優(yōu)化得到的系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)、可行。

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