CN109299823A - 一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，包括：构建由风机、光伏、CHP、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化装置和蓄水罐组成的微能源网，且采用风机和光伏两种可再生能源利用设备；获取CHP工作在热定电模式时消耗的天然气和生产的电能，获取CHP和燃气锅炉提供给热负荷、吸收式制冷机和海水淡化装置的热能；获取热、冷的能量平衡；获取供应给电制冷机和电锅炉的电能、以及吸收式制冷机的热能消耗；获取海水淡化装置消耗的热能；构建以全生命周期成本最小和年CO2排放量最低为目标的优化模型，进而获取优化模型对应的能量平衡约束和设备运行约束。本发明可有效解决海水淡化和可再生能源集成的微能源网多目标规划问题。

Description

一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法
技术领域
本发明涉及微能源网、分布式能源规划领域，尤其涉及一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法。
背景技术
能源互联网概念的提出为缓解能源危机和环境问题提供了新思路，受到了广泛关注。微能源网是能源互联网的重要形式，通常包括多种能量形式。随着可再生能源的快速发展，弃风、弃光现象日趋严重。微能源网是一种高效的分布式能源供应系统，可用于同时供应电、冷、热和淡水，具有多种能源优化利用的特点，可以提高可再生能源的利用率，提高能源效率，降低能源成本和二氧化碳排放量。
中国的淡水资源既患寡又患不均，且时空差异大。中国被联合国列为13个水资源短缺国家之一，人均淡水资源仅为世界人均占有量的1/4。随着近年来中国经济和工业的快速增长，水资源短缺问题更加日益突出。此外，中国一些孤岛和北方城市的发展在一定程度上受到淡水资源短缺的制约，解决淡水资源短缺问题具有重要意义，海水淡化是解决缺水问题的有效措施之一。
发明内容
本发明提供了一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，本发明可以有效解决考虑海水淡化和可再生能源集成的微能源网多目标规划问题，详见下文描述：
一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，所述方法包括以下步骤：
构建由风机、光伏、CHP、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化装置和蓄水罐组成的微能源网，且采用风机和光伏两种可再生能源利用设备；
获取CHP工作在热定电模式时消耗的天然气和生产的电能，获取CHP和燃气锅炉提供给热负荷、吸收式制冷机和海水淡化装置的热能；获取热、冷的能量平衡；获取供应给电制冷机和电锅炉的电能、以及吸收式制冷机的热能消耗；获取海水淡化装置消耗的热能；
构建以全生命周期成本最小和年CO2排放量最低为目标的优化模型，进而获取优化模型对应的能量平衡约束和设备运行约束。
所述优化模型具体为：
式中：N为设备数量，Cc为单位容量设备c的初始投资成本，为设备c的容量/额定功率，Rc为设备c的重置次数，Lc为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，Lp为项目设计寿命，M为年维护成本，D为设备年折旧费用，S为设备残余价值，Pgrid为从电网购电量，πe为购电价格，Ftot为天然气购买量，πgas为天然气价格，αe和αgas分别为购电和购气的CO2排放折算系数。
所述能量平衡约束为：
PPV+PWT+PBat+Pgrid+PCHP-PEB-PEC-PL≥0
式中：QC为冷负荷，QH为热负荷，QEC为电制冷机的输出，QEB为电锅炉的输出，为吸收式制冷机的输出，为CHP和燃气锅炉提供给热负荷的热能；PBat为蓄电池的充、放电功率，PL为电负荷。
所述设备运行约束包括：
风机、光伏、CHP、海水淡化装置、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和燃气锅炉的输入/输出范围；蓄电池的充放电功率约束、以及蓄电池和蓄水罐的容量限制约束。
所述风机、光伏、CHP、海水淡化装置、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和燃气锅炉的输入/输出范围为：
其中，Pk(t)为风机、PV、电制冷机和电锅炉的输入/输出功率，为海水淡化装置和吸收式制冷机的输入功率，为CHP和燃气锅炉的天然气输入。
所述蓄电池的充放电功率约束为：
其中，PBat为蓄电池的充、放电功率。
所述蓄电池和蓄水罐的容量限制约束为：
其中，SOCBat为蓄电池的充电状态，SW为蓄水罐容量。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明对包含风机、光伏、冷热联产单元(combined heat and power，CHP)、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化和蓄水罐的微能源网进行建模；
2、本发明采用多目标优化方法对微能源网的规划问题进行研究；
3、本发明在对微能源网进行规划问题研究时，选择海水淡化装置的输入作为优化变量之一，从而使得微能源网的运行更加符合实际情况；
4、本发明通过具体实施分析了海水淡化装置的优化运行对微能源网规划方案的经济成本和CO2排放量的影响，以及考虑海水淡化对微能源网的多种能源利用效率的影响。
附图说明
图1为本发明提供的微能源网的结构示意图；
图2为本发明提供的不同场景下的帕累托前沿和年购电量的示意图；
其中，(a)为不同场景下的帕累托前沿的示意图；(b)为不同场景下的年购电量的示意图。
图3为本发明提供的不同场景下的购气量和年能源成本的示意图。
其中，(a)为不同场景下的购气量的示意图；(b)为不同场景下的年能源成本的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种考虑热法海水淡化和可再生能源利用的微能源网多目标规划方法，对包含风机、光伏、冷热电三联供系统、海水淡化和蓄电池等的微能源网规划具有指导意义，详见下文描述：
101：构建由风机、光伏、CHP、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化装置和蓄水罐组成的微能源网，且采用风机和光伏两种可再生能源利用设备；
102：获取CHP工作在热定电模式时消耗的天然气和生产的电能，获取CHP和燃气锅炉提供给热负荷、吸收式制冷机和海水淡化装置的热能；获取热、冷的能量平衡；获取供应给电制冷机和电锅炉的电能、以及吸收式制冷机的热能消耗；获取海水淡化装置消耗的热能；
103：构建以全生命周期成本最小和年CO2排放量最低为目标的优化模型，进而获取优化模型对应的能量平衡约束和设备运行约束。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103可以有效解决考虑海水淡化和可再生能源集成的微能源网多目标规划问题，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
下面结合具体的实例、以及计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：构建微能源网；
1)微能源网的结构和运行机理
其中，微能源网的结构如图1所示，由风机、光伏、CHP、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化装置和蓄水罐组成。为了充分利用可再生能源，同时采用风机和光伏两种可再生能源利用设备。
本发明实施例假设CHP工作在以热定电模式(该模式为本领域的专业术语，本发明实施例对此不做赘述)下，因为以热定电模式是CHP较为常见的运行策略。CHP消耗的天然气和电能分别为：
式中：QCHP为CHP产生的电能,为CHP的热能生产效率,为CHP的电能生产效率。
燃气锅炉作为CHP的热能备用，在CHP提供的热能无法满足需求时，提供热能缺额。CHP和燃气锅炉产出的热能提供给热负荷、吸收式制冷机和海水淡化装置：
式中：QGB燃气锅炉的热能产出，和QD分别为供应给吸收式制冷机、热负荷和海水淡化装置的热能。
燃气锅炉消耗的天然气为：
FGB＝QGB/ηGB (4)
天然气购买量Ftot为：
Ftot＝FCHP+FGB (5)
式中：ηGB为燃气锅炉的效率。
电负荷按顺序分别由风机、光伏、CHP、蓄电池和电网供应。电负荷和冷负荷均有不同的来源，本发明实施例假设热、冷负荷首先分别由电锅炉和电制冷机供应，电锅炉和电制冷机的电能来自风机和光伏供应电负荷之后的余量。如果电锅炉或电制冷机不能满足热负荷或冷负荷，吸收式制冷机和CHP将启动。热、冷的能量平衡如式(6)和(7)所示：
式中：QC为冷负荷，QH为热负荷，QEC为电制冷机的输出，QEB为电锅炉的输出，为吸收式制冷机的输出，为CHP和燃气锅炉提供给热负荷的热能。
供应给电制冷机和电锅炉的电能可以分别通过式(8)和(9)进行计算，吸收式制冷机的热能消耗可通过式(10)进行计算：
PEC＝QEC/COPEC (8)
PEB＝QEB/COPEB (9)
式中：COPEC、COPEB和COPAC分别为电制冷机、电锅炉和吸收式制冷机的性能参数。
2)海水淡化模型
目前主流的热法海水淡化技术有多级闪蒸技术和低温多效蒸馏技术。多级闪蒸通过将海水煮沸、冷凝，达到海水和盐分分离的目的。低温多效蒸馏的工艺流程为：在不断降低的压力和温度条件下，在一系列蒸发器中反复进行喷淋、蒸发和冷凝的过程。
本发明实施例选择的低温多效蒸馏海水淡化技术主要消耗热能，所需热能由CHP和燃气锅炉供应。海水淡化装置消耗的热能可以通过下式计算：
QD＝WD/COPD (11)
式中：WD为海水淡化装置的产水量，COPD为海水淡化装置的性能参数。
在微能源网中，海水淡化的典型运行策略为在蓄水罐的水量达到最小值时，启动海水淡化装置，并使其按照额定功率运行。这一运行策略的优点为简单、易操作，但难以发挥促进微能源网中多种能源优化利用的作用。
另一种更为有效的运行策略为：将海水淡化的输入功率(即公式(10)中的QD)作为优化变量，使优化变量与微能源网中其他设备的运行、能源的利用情况有机结合，具体的结合方式本发明实施例对此不做赘述，根据实际应用中的需要进行选择。
3)风机模型
风机的电能产出与风速之间的关系为：
式中：为风机的额定功率，v为实际风速，vin为切入风速，vr为额定风速，vout为切出风速。
4)光伏模型
光伏的电能产出可以表示为：
PPV＝NPVAPVRtηref[1-β(Tcell-Tref)] (13)
式中：NPV为光伏面板数量，APV为光伏面板面积，ηref为参考效率，β为转换效率的温度参数，Tcell为光伏面板温度，Tref为参考温度，Rt为太阳辐射强度。
202：多目标优化模型；
1)优化目标
考虑经济和环境两方面的优化目标，优化目标为全生命周期成本最小和年CO2排放量最低，分别如式(14)和(15)所示：
式中：N为设备数量，Cc为单位容量设备c(包括风机、光伏、CHP、蓄电池、吸收式制冷机、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、海水淡化装置和蓄水罐)的初始投资成本，为设备c的容量/额定功率，Rc为设备c的重置次数，Lc为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，Lp为项目设计寿命，M为年维护成本，D为设备年折旧费用，S为设备残余价值，Pgrid为从电网购电量(由公式(16)决定)，πe为购电价格，Ftot为天然气购买量，πgas为天然气价格，αe和αgas分别为购电和购气的CO2排放折算系数。
2)优化变量
本发明实施例中的优化变量为风机容量、光伏容量、CHP容量、蓄电池容量和海水淡化装置的热能输入。吸收式制冷机、电制冷机、电锅炉、海水淡化装置和蓄水罐等其他设备的容量，可以根据负荷大小确定以确保能在任何条件下满足负荷需求。
优化变量决定了上述公式(14)和(15)(目标函数)中的设备容量/额定功率Pc r、天然气购买量Ftot、从电网购电量Pgrid。
3)约束条件
优化的约束条件包括：能量平衡约束和设备运行约束，能量平衡约束包括：冷、热和电三方面，分别如式(6)、(7)和式(16)所示。
PPV+PWT+PBat+Pgrid+PCHP-PEB-PEC-PL≥0 (16)
式中：PBat为蓄电池的充(负值)、放(正值)电功率，PL为电负荷。
其中，设备的运行约束包括以下3部分：
1)风机、光伏、CHP、海水淡化装置、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和燃气锅炉的输入/输出范围，如式(17)所示；
2)蓄电池的充放电功率约束，如式(18)所示；
3)蓄电池和蓄水罐的容量限制，如式(19)和式(20)所示。
式中：Pk(t)为风机、PV、电制冷机和电锅炉的输入/输出功率，为海水淡化装置和吸收式制冷机的输入功率，为CHP和燃气锅炉的天然气输入，SOCBat为蓄电池的充电状态，SW为蓄水罐容量。
综上所述，本发明实施例采用多目标优化方法对微能源网的规划问题进行研究；在对微能源网进行规划问题研究时，选择海水淡化装置的输入作为优化变量之一，从而使得微能源网的运行更加符合实际情况。
实施例3
下面结合图2和图3对实施例1和2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
为了研究海水淡化装置的运行策略对微能源网多目标规划的影响，本发明实施例设置了2个场景进行对比分析。在场景1中，当蓄水罐中的水量低于最小值时，海水淡化启动并以额定功率运行。在场景2中，通过优化确定海水淡化装置的运行方式。使用改进型非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行优化问题求解。
不同场景下的帕累托前沿如图2(a)所示。可以看出，在相同的年CO2排放量下，场景2的全生命周期成本低于场景1。换言之，场景2在相同的全生命周期成本下具有较低的年CO2排放量。在两种场景下，分别选择三个具有代表性的规划方案进行进一步研究。
在场景1中，选择全生命周期成本最小、居中和最大的三种规划方案。在场景2中，选择与场景1下所选规划方案的全生命周期成本相同的三个规划方案。场景1中选择的规划方案分别命名为A1，A2和A3，场景2中选择的规划方案分别命名为B1，B2和B3，如图2(a)所示。
对于相同类型的所选规划方案(即具有相同的全生命周期成本)，场景2下规划方案的年CO2排放量低于场景1，分别降低了15％、8％和8％。如图2(b)和图3(a)、(b)所示，与场景2相比，场景1中年购电量分别减少了53％、82％和78％；而场景2的天然气购买量较场景1显着减少，分别减少47％，60％和65％；场景2的能源成本比场景1显著降低，分别降低了8％，27％和43％。
由于相同类型的所选规划方案具有相同的全生命周期成本，因此场景2的投资成本高于场景1。与场景1相比，场景2的风机容量和CHP容量大幅增加，而光伏和蓄电池容量则较小。
综上可知，进行海水淡化装置的优化运行可以降低微能源网规划方案的经济成本和CO2排放量；考虑海水淡化可提高微能源网的多种能源利用效率，从而提高微能源网的综合表现。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
构建由风机、光伏、CHP、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、海水淡化装置和蓄水罐组成的微能源网，且采用风机和光伏两种可再生能源利用设备；
获取CHP工作在热定电模式时消耗的天然气和生产的电能，获取CHP和燃气锅炉提供给热负荷、吸收式制冷机和海水淡化装置的热能；获取热、冷的能量平衡；获取供应给电制冷机和电锅炉的电能、以及吸收式制冷机的热能消耗；获取海水淡化装置消耗的热能；
构建以全生命周期成本最小和年CO2排放量最低为目标的优化模型，进而获取优化模型对应的能量平衡约束和设备运行约束。
2.根据权利要求1所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述优化模型具体为：
式中：N为设备数量，Cc为单位容量设备c的初始投资成本，Pc r为设备c的容量/额定功率，Rc为设备c的重置次数，Lc为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，Lp为项目设计寿命，M为年维护成本，D为设备年折旧费用，S为设备残余价值，Pgrid为从电网购电量，πe为购电价格，Ftot为天然气购买量，πgas为天然气价格，αe和αgas分别为购电和购气的CO2排放折算系数。
3.根据权利要求1所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述能量平衡约束为：
PPV+PWT+PBat+Pgrid+PCHP-PEB-PEC-PL≥0
式中：QC为冷负荷，QH为热负荷，QEC为电制冷机的输出，QEB为电锅炉的输出，为吸收式制冷机的输出，为CHP和燃气锅炉提供给热负荷的热能；PBat为蓄电池的充、放电功率，PL为电负荷。
4.根据权利要求1所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述设备运行约束包括：
风机、光伏、CHP、海水淡化装置、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和燃气锅炉的输入/输出范围；蓄电池的充放电功率约束、以及蓄电池和蓄水罐的容量限制约束。
5.根据权利要求4所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述风机、光伏、CHP、海水淡化装置、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和燃气锅炉的输入/输出范围为：
其中，Pk(t)为风机、PV、电制冷机和电锅炉的输入/输出功率，为海水淡化装置和吸收式制冷机的输入功率，为CHP和燃气锅炉的天然气输入。
6.根据权利要求4所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述蓄电池的充放电功率约束为：
其中，PBat为蓄电池的充、放电功率。
7.根据权利要求4所述的一种考虑热法海水淡化的微能源网多目标规划方法，其特征在于，所述蓄电池和蓄水罐的容量限制约束为：
其中，SOCBat为蓄电池的充电状态，SW为蓄水罐容量。
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