CN110222969A - 一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，包括：根据能量守恒定律获取微能源网电母线能量平衡方程用于目标函数的求解；选取电制冷、制热比例，将海水淡化装置的热输入作为变量，通过优化获得最大产水量；以全生命周期成本最小为优化目标函数，将各条母线上的能量平衡条件、能源设备、能源转换设备本身的输入输出限制作为约束，在电制冷、制热比例、海水淡化热输入量变化的情况下，求解全生命周期成本最小时的能源设备、能量转换设备的容量和电制冷比例、电制热比例、海水淡化热输入的值；采用遗传算法迭代求解全生命周期成本最小时各能源设备、能量转换设备的容量、输入输出和各优化变量的值。

Description

一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法

技术领域

本发明涉及微能源网、分布式能源规划领域，尤其涉及一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法。

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。作为能源互联网的重要形式，微能源网是一种区域能源综合利用网络，它以能源的优化利用为导向，具备较高的可再生能源接入比例，通过能量存储，实现能源的高效利用和优化配置。随着可再生能源的快速发展，弃风、弃光现象日趋严重。微能源网作为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。

中国淡水资源匮乏且时空分布不均，人均淡水资源仅为世界人均占有量的1/4，随着经济和工业的快速增长，水资源短缺问题日益突出。海水淡化技术凭借原理简单，技术成熟的优势，逐渐成为解决中国淡水资源缺乏问题的重要途径。然而，海水淡化技术面临着能源消耗过高，环境污染等问题，制约着其推广和发展。沿海地区太阳能，风能等可再生能源资源十分丰富，充分利用这些资源，是解决海水淡化能源问题的重要方案。

当前有关海水淡化的研究，大都关注海水淡化装置和新技术的研发，可再生能源仅作为海水淡化的能量来源，并未考虑装置的配置和运行优化问题。

微能源网可以为多种分布式可再生能源接入末端网络，加以高效和灵活利用，提供有效的技术支撑。将光伏、风电等可再生资源接入海水淡化系统，同时接入储能，CHP(Combined heat and power,热电联产)，电制冷机，吸收式制冷机，电锅炉等多种设备组建微能源网络，通过制冷、制热设备及海水淡化装置的运行优化，使其在输出淡水的同时，兼具冷、热、电等综合能源输出。能够最大程度利用可再生资源，满足用户的多种需求，获得最大的综合利益。

发明内容

本发明提供了一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法。本发明可有效解决海水淡化装置和可再生能源的接入，具有多种冷热输出的微能源网运行优化问题，详见下文描述：

一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，所述方法包括以下步骤：

1)分别建立能源设备、能量转换设备和负荷的模型；

2)基于上述模型，根据能量守恒定律获取微能源网电母线能量平衡方程用于目标函数的求解；

3)选取电制冷、制热比例，将海水淡化装置的热输入作为变量，通过优化获得最大产水量；

4)以全生命周期成本最小为优化目标函数，将各条母线上的能量平衡条件、能源设备、能源转换设备本身的输入输出限制作为约束，在电制冷、制热比例、海水淡化热输入量变化的情况下，求解全生命周期成本最小时的能源设备、能量转换设备的容量和电制冷比例、电制热比例、海水淡化热输入的值；

5)采用遗传算法在MATLAB仿真平台上，迭代求解全生命周期成本最小时各能源设备、能量转换设备的容量、输入输出和各优化变量的值。

其中，所述微能源网电母线能量平衡方程具体为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0

其中，P_PV为光伏发电功率，P_WT为风力发电功率，P_Bat为储能电池充放电功率，P_grid为电网购电功率，P_CHP为CHP电输出功率，P_EB为电锅炉耗电功率，P_EC为电制冷机耗电功率，P_L为电负荷，P_loss为电能损失。

所述目标函数具体为：

式中：N为设备数量，C_c为单位容量设备c的初始投资成本，P_c ^r为设备c的容量/额定功率，R_c为设备c是的重置次数，L_c为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，L_p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。

所述能量平衡条件具体为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0

其中，Q_C为冷负荷；Q_EC为电制冷机的冷输出；为吸收式制冷机的冷输出；Q_H为热负荷；Q_EB为电锅炉的热输出；为热母线上除了电锅炉的其他热输入。

所述输入输出限制具体为：

1)蓄电池容量约束为：

2)光伏，风机，CHP，电制冷机，燃气锅炉和吸收式制冷机的约束为：

其中，为蓄电池充电功率；为蓄电池放电功率；为蓄电池SOC下限；SOC_Bat(t)为蓄电池的SOC；为蓄电池SOC上限；P_k(t)为设备的输出功率；为设备的额定功率；WT为风力发电机；PV为光伏；CHP为冷热联供装置；EC为电制冷机；GB为燃气锅炉；EB为电锅炉；为吸收式制冷机的制冷量；为吸收式制冷机的额定制冷量。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、应用本规划方案，可构建了一个包含光伏、风机、蓄电池、CHP、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、电锅炉和海水淡化装置的微能源网络。系统中接入可再生能源发电设备，使光能和风能作为海水淡化的部分能源，减少电能和燃气等能源的使用，有效解决海水淡化技术中能耗过高的问题。系统中不同形式的能源相互耦合，兼具冷、热、电、淡水的产出，为用户提供供电，供热和制冷服务，提高了系统综合收益和社会效益，解决了海水淡化技术中系统产出和收益单一的问题。

2、本发明在不同CHP运行模式(以电定热、以热定电)下，通过对电制冷、电制热比例和海水淡化装置的运行(启动和停止时间)进行优化，从而实现灵活选择供电、供热和制冷设备和时间，有效解决微能源网络运行过程中的能源供应选择问题。优化合理的海水淡化运行时间，可以更好的提高海水淡化装置的运行时间，提高系统微能源网的淡水产出。优化获得最佳的系统设备容量参数，减少系统规划建设过程的成本，同时通过优化获得更高的再生能源的消纳水平，更好的降低系统的运行成本，提高系统经济和环境效益。

附图说明

图1为海水淡化微能源网模型；

图2为场景1-3的生命周期成本比较示意图；

图3为场景4-6生命周期成本比较示意图；

图4为场景1-3微能源网光伏功率比较示意图；

图5为场景4-6微能源网光伏功率比较示意图；

表1为场景1-3的容量优化配置结果示意图；

表2为场景4-6的容量优化配置结果示意图。

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。

1、考虑运行优化的海水淡化微能源网系统构建

本发明实施例首先构建了考虑运行优化的微能源网络系统模型，如图1所示。网络包含光伏，风电，蓄电池，CHP，燃气锅炉，电制冷机，吸收式制冷机及海水淡化装置等关键设备。其中，光伏和风机为分布式可再生能源发电装置，为微能源网提供电能，此外微能源网还能从电网获得电能；蓄电池作为微能源网中的储能装置，在可再生资源充足时，充电存储多产出的电能，再可再生资源不足时，放电作为电能补充；CHP消耗天然气，产生电能和热能，满足网络中的电负荷和热负荷需求。

CHP具有以电定热和以热定电两种工作模式，在以热定电模式中，首先根据冷总线的数据计算吸收式制冷机的热耗。然后根据系统总热耗，在CHP容量约束下，优先选取CHP供热，余下部分由燃气锅炉补充，并根据电能平衡状态，确定电池是否需要充电。最后，网络能量平衡状态，决定系统是否从电网购电或弃电。在以电定热模式中，首先根据冷总线的数据计算电制冷机的电耗。然后根据可再生能源的输出，首先由CHP提供电能，通过电网和电池补充剩余的电能。最后，根据热平衡情况，确定燃气锅炉的输出。

燃气锅炉消耗天然气产生热能供给热负荷，电制冷机和吸收式制冷机分别消耗电能和热能制冷满足冷负荷需求。海水淡化装置应用热法原理，吸收热能产生淡水。微能源网中，

多种形式能源间相互耦合，功能选择灵活，具有冷，热，电，水等多种输出。

2、考虑运行优化的海水淡化微能源网系统设备建模

(1)光伏模型

海水淡化微能源网光伏输出模型可表示为：

P_PV＝[1-γ_T((T_air+((NOCT-20)/800)R_t)-T_ref)]η_refN_PVA_PVR_t (1)

式中，γ_T为光伏面板转换效率的温度参数；T_air为环境温度；NOCT为正常工作温度；T_ref为参考温度；η_ref为参考效率；N_PV为光伏面板数量；A_PV为单个光伏面板面积；R_t为太阳辐射强度。

(2)风机模型

不同风速下风机输出模型可表示为：

式中，C_p为风机性能参数；ρ为空气密度；A_WT为风机叶片扫过面积在与风速垂直平面上的投影；v为风速；为风机额定功率；V_c为切入风速；V_r为额定风速；V_f为切出风速。

(3)海水淡化装置模型

目前，主要采用的海水淡化方法包括：热法和膜法两种，本发明实施例中选取低温多效蒸馏热法海水淡化技术，海水淡化装置消耗的热能与产水量的关系为：

Q_D＝W_D/COP_D (3)

式中，W_D为海水淡化装置的产水量，COP_D为海水淡化装置的性能参数。

(4)蓄电池模型

电池的充电量可以表示为：

其中，S_Bat(t)为t时刻电池的电能储量；α为蓄电池的自放电率；和别为蓄电池的充、放电效率；和别为蓄电池的充、放电功率；Δt为时间长度。

(5)制热模型

电锅炉和燃气锅炉模型描述为：

Q_GB＝F_GBη_GB (5)

式中，Q_GB是锅炉的热输出，η_GB为制热设备的转换效率，F_GB为制热设备的能源输入。

(6)制冷模型

电制冷机和吸收式制冷机的制冷模型为：

Q_EC＝P_ECCOP_EC (6)

式中，Q_EC和为制冷机的冷输出，P_EC和为制冷机的能量输入，COP_EC和COP_AC为制冷机的制冷效率。

(7)CHP模型

CHP的燃气输入和电输出关系为：

式中，F_CHP是CHP的天然气消耗量，P_CHP和Q_CHP为CHP的电能和热能输出量，和为CHP的热能和电能转换效率。

3、考虑运行优化的海水淡化微能源网系统运行机理

在考虑运行优化的海水淡化微能源网络中，定义电制冷比例和电制热比例两个运行优化变量。优化变量会影响微能源网的运行模式。其中，电制冷比例由电制冷机输出Q_EC和吸收制冷机输出比确定。电制热比例由电锅炉输出Q_EB占总热负荷的比例决定。定义如下：

当对其进行优化时，λ₁和λ₂在0和1之间进行优化，当不对其进行优化时，λ₁和λ₂被认为是一固定值，即：

λ₁＝λ₂＝0.5 (12)

电制冷机的电耗和吸收式制冷机的热耗为：

P_EC＝Q_EC/η_EC (13)

式中，η_EC和η_AC分别为电制冷机和吸收式制冷机的转换效率。

燃气锅炉和CHP的总热输满足以下公式：

其中，CHP和燃气锅炉的天然气消耗，微能源网总燃气消耗及CHP总电输出为：

F_GB＝Q_GB/η_GB (17)

F_tot＝F_CHP+F_GB (18)

微能源网电母线平衡方程为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0 (20)

在考虑对海水淡化装置进行运行优化时，将结合微能源网运行状态计算最佳的热输入Q_D，并得到淡水输出。在不考虑对海水淡化装置进行运行优化时，将根据产水量计算热输入量Q_D，作为已知量参与微能源网规划。

4、考虑运行优化的海水淡化微能源网系统运行优化模型

考虑海水淡化微能源网的经济性指标，以全生命周期成本最小为优化目标：

式中：N为设备数量，C_c为单位容量设备c的初始投资成本，P_c ^r为设备c的容量/额定功率，R_c为设备c是的重置次数，L_c为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，L_p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。

本发明实施例考虑电制冷、电制热比例及海水淡化装置对微能源网运行规划的影响，在CHP不同运行模式下，分别考虑电制冷、电制热比例和海水淡化装置的优化选择，给出光伏发电容量，风机发电容量，CHP容量，电池容量的优选结果。若不考虑电制冷和电制热比例的优化，则将比例值设置为0.5，若不考虑对海水淡化装置进行优化，则根据产水量直接计算热输入。

海水淡化微能源网运行约束条件主要包括：能量约束，设备约束两种。

在能量约束中，冷热电三方面平衡约束为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0 (24)

在设备运行约束中，主要对设备额定功率或额定容量进行限制，蓄电池容量约束为：

光伏，风机，CHP，电制冷机，燃气锅炉和吸收式制冷机的约束为：

5、考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法

对于建立的含多种能源、多种能源转换装置、多种负荷和海水淡化装置的海水淡化微能源网系统，其考虑运行优化的规划方法应用主要包含以下部分：

1)建立光伏、风机、蓄电池等能源设备，电制冷机、电锅炉、CHP、吸收式制冷机、燃气锅炉等能量转换设备和冷、热、电、海水淡化负荷的模型，分析每种能源设备的输出公式、能量转换设备的输入输出公式、负荷设备的能耗公式；

2)分析所建立的微能源网系统每条母线上所连接设备名称、类型和数量，根据能量守恒定律，获取能量平衡公式，用于目标函数的求解；

3)选取电制冷比例、电制热比例和海水淡化装置作为优化变量，在优化电制冷比例和电制热比例时，使其在0-1之间变化，优化海水淡化装置时，使微能源网输入海水淡化装置的热为变量，在满足蓄水罐容量的前提下，通过优化获得最大的产水量；

4)以全生命周期成本函数为目标函数，各条母线上的能量平衡条件和设备本身输入输出限制作为约束，在电制冷比例、电制热比例、海水淡化热输入量变化的情况下，求解全生命周期成本最小时各设备的容量和优化变量的值；

5)采用遗传算法在仿真平台上，迭代求解全生命周期成本最小时各设备的容量、输入输出和各优化变量的值。

下面结合实例对运行优化方案进行分析，详见下文描述：

为研究点制冷/热和海水淡化装置的运行优化对微能源网规划配置的影响，本发明实施例在CHP两种运行模式下(以电定热和以热定电)，共设置6个场景进行对比分析。场景1-3基于CHP以热定电模式下进行分析，场景4-6基于CHP以电定热模式下进行分析。场景1和4不考虑电制冷/热和海水淡化装置的优化，场景2和5单独考虑电制冷/热比例，场景3和6同时考虑电制冷/热和海水淡化装置的影响。

选择全生命周期成本最小作为优化目标，不同成本的生命周期比较如图2和图3所示。结果表明，选择优化电制冷/热比例和海水淡化装置的场景3和场景6具有最小的生命周期成本，相比不考虑运行优化的场景1和场景4，生命周期成本削减了5％和8％。表明经过运行优化可以显著降低微能源全生命周期网成本。

在全生命周期成本最小的优化目标下，不同场景的微能源网光伏，风机，蓄电池，CHP容量配置优化结果如表1和表2所示。从表中可以看出，场景3和场景6两种情况有着更大的光伏和风机容量，同时电池和CHP的容量较小。由此表明考虑电制冷/热比例和海水淡化装置的优化可以显著提高可再生能源的消耗，减少储能设备的资金投入，减少CHP的燃气资源消耗。即考虑运行优化对降低微能源网成本，提高可再生能源消纳，保护环境具有重要意义。

表1场景1-3的容量优化配置结果

表2场景4-6的容量优化配置结果

微能源网的光伏和风电输出功率如图4和图5所示。从中可以看出，考虑电制冷/热比例和海水淡化装置的运行优化，可以显著提高可再生能源消纳能力。从而削减海水淡化资源消耗过大的弊端。

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 (5)

1.一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)分别建立能源设备、能量转换设备和负荷的模型；

2)基于上述模型，根据能量守恒定律获取微能源网电母线能量平衡方程用于目标函数的求解；

3)选取电制冷、制热比例，将海水淡化装置的热输入作为变量，通过优化获得最大产水量；

4)以全生命周期成本最小为优化目标函数，将各条母线上的能量平衡条件、能源设备、能源转换设备本身的输入输出限制作为约束，在电制冷、制热比例、海水淡化热输入量变化的情况下，求解全生命周期成本最小时的能源设备、能量转换设备的容量和电制冷比例、电制热比例、海水淡化热输入的值；

5)采用遗传算法在MATLAB仿真平台上，迭代求解全生命周期成本最小时各能源设备、能量转换设备的容量、输入输出和各优化变量的值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，其特征在于，所述微能源网电母线能量平衡方程具体为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0

其中，P_PV为光伏发电功率，P_WT为风力发电功率，P_Bat为储能电池充放电功率，P_grid为电网购电功率，P_CHP为CHP电输出功率，P_EB为电锅炉耗电功率，P_EC为电制冷机耗电功率，P_L为电负荷，P_loss为电能损失。

3.根据权利要求1所述的一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，其特征在于，所述目标函数具体为：

式中：N为设备数量，C_c为单位容量设备c的初始投资成本，P_c ^r为设备c的容量/额定功率，R_c为设备c是的重置次数，L_c为设备c的设计寿命，i为利率，tr为税率，L_p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。

4.根据权利要求2所述的一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，其特征在于，

所述能量平衡条件具体为：

P_PV+P_WT-P_Bat+P_grid+P_CHP-P_EB-P_EC-P_L-P_loss＝0

其中，Q_C为冷负荷；Q_EC为电制冷机的冷输出；为吸收式制冷机的冷输出；Q_H为热负荷；Q_EB为电锅炉的热输出；为热母线上除了电锅炉的其他热输入。

5.根据权利要求2所述的一种考虑运行优化的海水淡化微能源网规划方法，其特征在于，所述输入输出限制具体为：

1)蓄电池容量约束为：

2)光伏，风机，CHP，电制冷机，燃气锅炉和吸收式制冷机的约束为：

其中，为蓄电池充电功率；为蓄电池放电功率；为蓄电池SOC下限；SOC_Bat(t)为蓄电池的SOC；为蓄电池SOC上限；P_k(t)为设备的输出功率；为设备的额定功率；WT为风力发电机；PV为光伏；CHP为冷热联供装置；EC为电制冷机；GB为燃气锅炉；EB为电锅炉；为吸收式制冷机的制冷量；为吸收式制冷机的额定制冷量。