CN107196296A - 一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，通过获得所要进行规划设计的海岛的具体情况，根据需要获得波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备及柴油发电机的设备参数；结合海岛的具体情况与设备参数，形成模型，以及包含波浪能的优化目标函数与约束条件，以经济性为目标通过粒子群算法对目标函数进行求解。本发明所达到的有益效果：将波浪能发电加入到海岛微电网的规划中，形成切实可行的数学模型，为包含波浪能的海岛微电网规划设计提供一种理论支撑；此外，将波浪能发电融合到微电网中，能够形成多元化且更加经济的海岛微电网系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，属于微电网规划技术领域。
背景技术
海岛的发展需要安全、可靠的能源动力和充足的水资源作为保障，而多数海岛电力供应紧张，供电可靠性不高。
建设海岛微电网，利用可再生能源发电为岛上居民及海水淡化提供电力供给，可以解决传统能源危机和淡水资源短缺两大问题。近年来海岛的保护、开发成为海洋事业的热点，有关国家都在积极研究和建设海岛微电网，其技术装备水平、装机规模均不断提升，我国也建设了多个不同规模的海岛微电网工程。海岛微电网从大类上可以分为并网型和离网型，主要构成基本相同，充分利用岛上丰富的风能、光能等清洁能源，并有效组合波浪能、风能、光、柴油发电机及储能设备，可以有效发挥单个发电设备的特点，从而不仅实现经济成本的最优，一般以最小化投资运行成本和最大化可再生能源利用效率和可靠性为目标，为海岛提供清洁、稳定、安全的电力。
但国内目前对于海岛微电网的规划设计还不够全面，大多是还是针对风能，光能以及储能进行优化设计，对于含波浪能发电的海岛微电网优化规划设计还未考虑，波浪能发电通过波浪能装置将波浪能首先转换为机械能(液压能)，然后再转换成电能，目前国内对于这一块还缺少相关的技术方案。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，将波浪能发电融合到微电网中，形成多元化且更加经济的海岛微电网系统。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，包括如下步骤：
1)选择海岛，对海岛的信息进行调研采集，包括海岛的具体用途、人员居住情况、海岛资源分布情况、自然资源分布情况、海岛负荷种类及负荷峰值；通过海岛的具体用途、人员居住情况划分海岛负荷为可控负荷与不可控负荷，以确定海岛负荷种类；通过海岛资源分布情况确定海岛可再生能源种类；
2)建立经济数学模型，包含波浪能发电机、风力发电机、光伏发电设备、柴油发电机设备和相关成本；其中，波浪能发电机和户用光伏发电设备作为不可控负荷，风力发电机和柴油发电机设备作为可控负荷；
3)结合步骤2)所建的经济模型，确定波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备的台数以及柴油发电机发电功率的选择上限与下限；
4)根据以上步骤确立目标函数及约束条件；
5)对步骤4)的目标函数进行求解，作为海岛微电网运行最为经济的规划方案。
进一步地，所述步骤2)中相关成本包括设备购买成本、设备运输成本、设备安装成本及设备运行维护成本。
进一步地，所述步骤3)中波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备的台数根据单台波浪能发电机，单台风力发电机、单套户用光伏发电设备的功率来确定。
优选地，所述步骤4)中目标函数为minFz＝(Sin+Sfu)，初始投资成本Sin＝λwe·Cwe-in+λpv·Cpv-in+λwt·Cwt-in+Cdg-in，运行维护成本Sfu＝Cm-ta+Cdg-m+Cf-ta；
其中：
单台波浪能投资成本Cwe-in＝Cwe-e+Cwe-tc+Cwe-i；
单台光伏发电设备投资成本Cpv-in＝Cpv-e+Cpv-tc+Cpv-i；
单台风机投资成本Cwt-in＝Cwt-e+Cwt-tc+Cwt-i；
柴油发电机投资成本Cdg-in＝Cdg-e+Cdg-tc+Cdg-i；
波、风及光年运行维护成本之和Cm-ta＝λweCwe-m+λpvCpv-m+λwtCwt-m；
柴油发电机的年运行维护成本Cdg-m＝PdgComtdg+Cb；
柴油发电机年运行所需燃油的成本Cf-ta＝nCtcWdg+CnPdgQd0tdg；
其中，Fz为所求目标函数，λwe为波浪能发电机的台数，Cwe-e为单台波浪能发电机设备购买成本，Cwe-tc为单台波浪能发电机设备运输成本，Cwe-i为单台波浪能发电机设备安装成本；
λpv为光伏发电设备的台数，Cpv-e为单台户用光伏发电设备购买成本，Cpv-tc为单台户用光伏发电设备运输成本，Cpv-i为单台户用光伏发电设备安装成本；
λwt为风机发电机设备的台数，Cwt-e为单台风力发电机设备购买成本；Cwt-tc为单台风力发电机设备运输成本；Cwt-i为单台风力发电机设备安装成本；
Cdg-e为单台柴油发电机设备购买成本；Cdg-tc为单台柴油发电机设备运输成本；
Cdg-i为单台柴油发电机设备安装成本；
Cwe-m为单台波浪能年运行维护成本；Cpv-m为单台户用光伏发电设备年运行维护成本；Cwt-m为单台风力发电机设备年运行维护成本；Pdg为柴油发电机每小时发出的功率；Com为柴油发电机每千瓦维护成本；tdg为柴油发电机年工作的时长；Cb为柴油发电机的年基本维护成本；
n为燃油运输年运输次数；Ctc为柴油运输成本；Wdg为柴油单次运输油桶的个数；
Cng为燃油价格；Qd0为燃油热值。
优选地，所述步骤4)中约束条件为；
i)Pload+Ptv≤Pwe+Ppv+Pwt+Pdg，式中：Pload为可控负荷，Ptv为不可控负荷，Pwe为波浪能发电功率总和，Ppv为光伏发电功率总和，Pwt为风机发电功率总和，Pdg为柴油额定的功率；
ii) 为柴油发电有功功率最低值，为柴油发电容量最大值；
iii) 为波浪能最大使用台数；
iv) 为光伏最大使用台数；
v) 为风机最大使用台数。
优选地，所述步骤5)中求解采用粒子群算法求解最优结果。
本发明所达到的有益效果：将波浪能发电加入到海岛微电网的规划中，形成切实可行的数学模型，为包含波浪能的海岛微电网规划设计提供一种理论支撑；此外，将波浪能发电融合到微电网中，能够形成多元化且更加经济的海岛微电网系统。
附图说明
图1是本发明提供的海岛微电网规划流程图；
图2是本发明提供包含波浪能发电的海岛微电网结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明所采用的实施是以车牛山海岛为例，车牛山海岛距离陆地40公里，岛长400米，宽230米，总面积0.06方公里，常住人口为20人左右，其主要以旅游业为主。
根据车牛山海岛具体情况，确定了单台波浪能发电机的功率为10kw、单台风力发电机的功率为10kw、单套户用光伏发电设备功率为10kw及柴油发电机的功率范围为10kw到75kw；
本实施例中采用粒子群算法对海岛微电网进行经济运行优化，主要方法如以下步骤：
步骤(1)：调研海岛的具体用途及人员居住情况以确定海岛负荷种类，划分海岛负荷为可控负荷与不可控负荷；调研海岛资源分布情况，确定海岛可再生能源种类；
步骤(2)：调研波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备及柴油发电机的设备参数；
步骤(3)：结合步骤(1)与步骤(2)确定单台波浪能发电机，单台风力发电机、单套光伏发电设备的功率，并确定使用的台数；确定一台柴油发电机的功率限值；
步骤(4)：确定目标函数minFz＝(Sin+Sfu)，初始投资成本Sin＝λwe·Cwe-in+λpv·Cpv-in+λwt·Cwt-in+Cdg-in，运行维护成本Sfu＝Cm-ta+Cdg-m+Cf-ta；
其中：
单台波浪能投资成本Cwe-in＝Cwe-e+Cwe-tc+Cwe-i；
单台光伏发电设备投资成本Cpv-in＝Cpv-e+Cpv-tc+Cpv-i；
单台风机投资成本Cwt-in＝Cwt-e+Cwt-tc+Cwt-i；
柴油发电机投资成本Cdg-in＝Cdg-e+Cdg-tc+Cdg-i；
波、风及光年运行维护成本之和Cm-ta＝λweCwe-m+λpvCpv-m+λwtCwt-m；
柴油发电机的年运行维护成本Cdg-m＝PdgComtdg+Cb；
柴油发电机年运行所需燃油的成本Cf-ta＝nCtcWdg+CnPdgQd0tdg；
其中，Fz为所求目标函数，λwe为波浪能发电机的台数，Cwe-e为单台波浪能发电机设备购买成本，Cwe-tc为单台波浪能发电机设备运输成本，Cwe-i为单台波浪能发电机设备安装成本；
λpv为光伏发电设备的台数，Cpv-e为单台户用光伏发电设备购买成本，Cpv-tc为单台户用光伏发电设备运输成本，Cpv-i为单台户用光伏发电设备安装成本；
λwt为风机发电机设备的台数，Cwt-e为单台风力发电机设备购买成本；Cwt-tc为单台风力发电机设备运输成本；Cwt-i为单台风力发电机设备安装成本；
Cdg-e为单台柴油发电机设备购买成本；Cdg-tc为单台柴油发电机设备运输成本；
Cdg-i为单台柴油发电机设备安装成本；
Cwe-m为单台波浪能年运行维护成本；Cpv-m为单台户用光伏发电设备年运行维护成本；Cwt-m为单台风力发电机设备年运行维护成本；Pdg为柴油发电机每小时发出的功率；Com为柴油发电机每千瓦维护成本；tdg为柴油发电机年工作的时长；Cb为柴油发电机的年基本维护成本；
n为燃油运输年运输次数；Ctc为柴油运输成本；Wdg为柴油单次运输油桶的个数；Cng为燃油价格；Qd0为燃油热值。
在本实施例中，Cwe-m为单台波浪能年运行维护成本，2万元；Cpv-m为单台户用光伏发电设备年运行维护成本，2万元；Cwt-m为单台风机年运行维护成本，2万元；Pdg为柴油发电机每小时发出的功率；Com为柴油发电机每千瓦维护成本，2.93×10-6万元/kw.h；tdg为柴油发电机年工作的时长，4315h；Cb为柴油发电机的年基本维护成本；n为燃油运输年运输次数；Ctc为柴油运输成本；Wdg为柴油单次运输油桶的个数，10个；Cn为燃油价格，2.5×10-5万元/L；Qd0为燃油热值，0.24L/kw.h。
Cwe-e为波浪能设备购买成本，选择10kw的波浪能发电机，其一台市场价格为3.65万元；Cpv-e为单台户用光伏发电设备购买成本，本案例中为10kw的户用光伏发电设备，其一台设备市场价格为3万元；Cwt-e为单台风力发电机设备购买成本，本案例中为10kw的风力发电机电设备，其一台设备市场价格为3.5万元。
其中，约束条件：
i)Pload+Ptv≤Pwe+Ppv+Pwt+Pdg，式中：Pload为可控负荷，Ptv为不可控负荷，Pwe为波浪能发电功率总和，Ppv为光伏发电功率总和，Pwt为风机发电功率总和，Pdg为柴油额定的功率；Pload+Ptv＝180kw。
ii) 为柴油发电有功功率最低值，为柴油发电容量最大值，本案例中确定最低值为10kw，最大值为75kw。
iii) 为波浪能最大使用台数，本案例确定为5台。
iv) 为光伏最大使用台数，本案例确定为5台。
v) 为风机最大使用台数，本案例确定为3台。
本实例中通过在matlab中编写所述目标函数与约束条件，通过粒子群算法求解出最优解，根据所求结果，如下表：
表1求解最优结果
如上表所示，可以得出海岛微电网运行最为经济的规划方案，其中采用5台10kw波浪能发电机，3台10kw户用光伏发电设备，3台10kw风力发电机，一台75kw柴油发电机，总投资成本为311.06元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，包括如下步骤：
1)选择海岛，对海岛的信息进行调研采集，包括海岛的具体用途、人员居住情况、海岛资源分布情况、自然资源分布情况、海岛负荷种类及负荷峰值；通过海岛的具体用途、人员居住情况划分海岛负荷为可控负荷与不可控负荷，以确定海岛负荷种类；通过海岛资源分布情况确定海岛可再生能源种类；
2)建立经济数学模型，包含波浪能发电机、风力发电机、光伏发电设备、柴油发电机设备和相关成本；其中，波浪能发电机和户用光伏发电设备作为不可控负荷，风力发电机和柴油发电机设备作为可控负荷；
3)结合步骤2)所建的经济模型，确定波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备的台数以及柴油发电机发电功率的选择上限与下限；
4)根据以上步骤确立目标函数及约束条件；
5)对步骤4)的目标函数进行求解，作为海岛微电网运行最为经济的规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，所述步骤2)中相关成本包括设备购买成本、设备运输成本、设备安装成本及设备运行维护成本。
3.根据权利要求1所述的一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，所述步骤3)中波浪能发电机、风力发电机、户用光伏发电设备的台数根据单台波浪能发电机，单台风力发电机、单套户用光伏发电设备的功率来确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，所述步骤4)中目标函数为min Fz＝Sin+Sfu，初始投资成本Sin＝λwe·Cwe-in+λpv·Cpv-in+λwt·Cwt-in+Cdg-in，运行维护成本Sfu＝Cm-ta+Cdg-m+Cf-ta；
其中：
单台波浪能投资成本Cwe-in＝Cwe-e+Cwe-tc+Cwe-i；
单台光伏发电设备投资成本Cpv-in＝Cpv-e+Cpv-tc+Cpv-i；
单台风机投资成本Cwt-in＝Cwt-e+Cwt-tc+Cwt-i；
柴油发电机投资成本Cdg-in＝Cdg-e+Cdg-tc+Cdg-i；
波、风及光年运行维护成本之和Cm-ta＝λweCwe-m+λpvCpv-m+λwtCwt-m；
柴油发电机的年运行维护成本Cdg-m＝PdgComtdg+Cb；
柴油发电机年运行所需燃油的成本Cf-ta＝nCtcWdg+CnPdgQd0tdg；
其中，Fz为所求目标函数，λwe为波浪能发电机的台数，Cwe-e为单台波浪能发电机设备购买成本，Cwe-tc为单台波浪能发电机设备运输成本，Cwe-i为单台波浪能发电机设备安装成本；
λpv为光伏发电设备的台数，Cpv-e为单台户用光伏发电设备购买成本，Cpv-tc为单台户用光伏发电设备运输成本，Cpv-i为单台户用光伏发电设备安装成本；
λwt为风机发电机设备的台数，Cwt-e为单台风力发电机设备购买成本；Cwt-tc为单台风力发电机设备运输成本；Cwt-i为单台风力发电机设备安装成本；
Cdg-e为单台柴油发电机设备购买成本；Cdg-tc为单台柴油发电机设备运输成本；
Cdg-i为单台柴油发电机设备安装成本；
Cwe-m为单台波浪能年运行维护成本；Cpv-m为单台户用光伏发电设备年运行维护成本；Cwt-m为单台风力发电机设备年运行维护成本；Pdg为柴油发电机每小时发出的功率；Com为柴油发电机每千瓦维护成本；tdg为柴油发电机年工作的时长；Cb为柴油发电机的年基本维护成本；
n为燃油运输年运输次数；Ctc为柴油运输成本；Wdg为柴油单次运输油桶的个数；Cn为燃油价格；Qd0为燃油热值。
5.根据权利要求4所述的一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，所述步骤4)中约束条件为；
i)Pload+Ptv≤Pwe+Ppv+Pwt+Pdg，式中：Pload为可控负荷，Ptv为不可控负荷，Pwe为波浪能发电功率总和，Ppv为光伏发电功率总和，Pwt为风机发电功率总和，Pdg为柴油额定的功率；
ii) 为柴油发电有功功率最低值，为柴油发电容量最大值；
iii) 为波浪能最大使用台数；
iv) 为光伏最大使用台数；
v) 为风机最大使用台数。
6.根据权利要求1所述的一种基于波浪发电的海岛微电网经济运行优化方法，其特征是，所述步骤5)中求解采用粒子群算法求解最优结果。
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