基于果蠅算法的綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置研究

◇國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司 毛志斌 陳 琦 王威力 閆 晶 劉 珂

針對綜合能源系統(tǒng)容量控制問題，分析能夠?qū)嶋H應(yīng)用于建設(shè)中的容量優(yōu)化配置模型的影響因素，以實際用電情況和需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建多階段模型，并利用果蠅優(yōu)化算法等完成模型的求解，從而得到綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)容量配置比例，為企業(yè)、園區(qū)等建設(shè)綜合能源系統(tǒng)提供參考和決策支撐。

1 引言

面對清潔高效用能和專變能源供需結(jié)構(gòu)的需求，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運而生，其對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，推進我國能源革命具有重要意義。如何從荷端進行容量控制是建設(shè)綜合能源系統(tǒng)的首要問題。風(fēng)電、光伏是目前技術(shù)較為成熟且應(yīng)用較多的新能源電源，清潔環(huán)保，但出力不穩(wěn)定波動大，需要與儲能搭配使用，減小對電網(wǎng)的沖擊，本文綜合能源系統(tǒng)主要針對風(fēng)光儲的容量進行優(yōu)化配置研究。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

綜合能源系統(tǒng)能源組合不同，但在目前的研究中，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池、氫儲能等是研究的熱點，國內(nèi)外均對綜合能源系統(tǒng)的容量配置、運行可靠性、運行調(diào)度優(yōu)化等方面進行研究。國內(nèi)研究主要分為兩類：一類是將針對風(fēng)光儲發(fā)電單元的研究，吳克河（2015）等以經(jīng)濟性為優(yōu)化目標(biāo)，針對并網(wǎng)型風(fēng)光儲發(fā)電單元研究額定容量下單元最優(yōu)容量配置；另一類是考慮多種優(yōu)化目標(biāo)，主要包括經(jīng)濟性和運行可靠性，趙軍超（2018）提出了以系統(tǒng)總成本、能量缺失率和系統(tǒng)輸出波動量的絕對值最小為目標(biāo)的容量配置方法。國外研究開始較早，Omran W A（2011）研究利用儲能和光伏限功率控制組合的方式如何使經(jīng)濟性最優(yōu)；Sfikas EE（2015）構(gòu)建多目標(biāo)模型，同步優(yōu)化分布式電源和儲能；并開發(fā)hybird軟件、Homer軟件、TRNSYS程序等。

3 綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型

3.1 容量優(yōu)化配置模型

（1）判斷風(fēng)電、光伏經(jīng)濟性。

風(fēng)電出力模型：

式中，Pr為 額定功率；v為實際風(fēng)速；vci為切入風(fēng)速；vco為切出風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速。

光伏出力模型：

式中，Apv-單位光伏面板接收太陽光照輻射的面積，m2；G(t)-光照輻射數(shù)值，W/m2；ηpv-光伏組件能量轉(zhuǎn)換效率；ηinv-逆變器轉(zhuǎn)換效率。

經(jīng)濟性判定：

假設(shè)風(fēng)電運行年數(shù)為x年，則運行期間單位風(fēng)電年NPV為：

其中，P指分時銷售電價，PG為 企業(yè)購電電價，PS是 政府補貼電價；Q1指風(fēng)電年發(fā)電總量，Qs為企業(yè)每年的售電電量，k為新能源發(fā)電上網(wǎng)率。

假設(shè)光伏運行年數(shù)為y年，則運行期間電網(wǎng)光伏年NPV為：

（2）擬合風(fēng)光出力曲線。

若風(fēng)電經(jīng)濟、光伏不經(jīng)濟：輸入企業(yè)年用電負(fù)荷EL，與風(fēng)電年出力曲線進行擬合。

風(fēng)電年出力曲線=N wd*P wd（v）

若風(fēng)電不經(jīng)濟、光伏經(jīng)濟：輸入企業(yè)年用電負(fù)荷EL，與光伏年出力曲線進行擬合。

光伏年出力曲線=N pv*P pv（t）

若風(fēng)電與光伏均經(jīng)濟：輸入企業(yè)年用電負(fù)荷EL，與光伏年出力曲線、風(fēng)電年出力曲線進行擬合。

約束條件：發(fā)電單元各類設(shè)備總裝機容量由于場地限制等因素應(yīng)限制在一定范圍之內(nèi)：

（3）根據(jù)經(jīng)濟性選擇最優(yōu)風(fēng)光配比。

建設(shè)期現(xiàn)金流量可表示為：

運營期現(xiàn)金流量可表示為：

現(xiàn)金流出由運行維護成本和購電成本組成，現(xiàn)金流入由上網(wǎng)售電收入和政府補貼組成。

退役期現(xiàn)金流量可表示為：

Rre系統(tǒng)壽命截止后的設(shè)備殘值收入。

（4）儲能出力模型。

儲能系統(tǒng)主要作用為削峰填谷平滑出力，在此儲能配置主要為滿足已配置容量光儲出力的穩(wěn)定性，通過與光儲聯(lián)合出力曲線的擬合確定儲能容量，同時滿足如下約束：

儲能蓄電池剩余電量必須滿足容量上、下限要求：

3.2 基于果蠅算法的求解步驟

果蠅優(yōu)化算法（Fruit Fly Optimization Algorithm，F(xiàn)OA）是基于果蠅覓食行為的仿生學(xué)原理，開發(fā)的一種群體智能優(yōu)化算法，可以進行全局搜索和全局尋優(yōu)。和遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法相比，F(xiàn)OA除了擁有較好的全局搜索能力和收斂速度外，針對單目標(biāo)連續(xù)問題，F(xiàn)OA還有參數(shù)少、進化方程簡單、易于應(yīng)用、計算速度快成本低等優(yōu)點，故本文選擇通過果蠅優(yōu)化算法來求解。具體求解步驟如下所示。步驟1：輸入建設(shè)地區(qū)典型年的氣象環(huán)境條件數(shù)據(jù)，包括輻照強度曲線、光照時間曲線、風(fēng)速曲線、溫度曲線等；調(diào)度期望功率輸出值Pref；準(zhǔn)備投入建設(shè)的風(fēng)電、光伏設(shè)備型號參數(shù)等。步驟2：通過聚類得到離散的全年氣象條件數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)?shù)仫L(fēng)電、光伏建設(shè)的經(jīng)濟性。步驟3：通過經(jīng)濟性判定，選擇風(fēng)光建設(shè)組合（共三種），與目標(biāo)用電曲線進行擬合。步驟4：進行風(fēng)電、光伏容量優(yōu)化配置，使用果蠅算法求解，得出全壽命周期凈現(xiàn)金總流出最小的配比組合。步驟5：根據(jù)已確定風(fēng)光建設(shè)容量，結(jié)合入網(wǎng)功率和擬合曲線，求出儲能配置容量。

4 結(jié)語

綜合能源的利用常見形式有多能耦合的綜合能源系統(tǒng)、分布式能源等，本研究通過對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法進行梳理分析，和建設(shè)地區(qū)實際情況的研究，最終選擇多階段模型和果蠅優(yōu)化算法，對綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置展開研究。鑒于在部分地區(qū)風(fēng)電或光伏建設(shè)并不一定經(jīng)濟可行，本研究在進行容量配置前首先進行經(jīng)濟性判斷，為后續(xù)計算節(jié)約了時間和步驟。