施行之， 周宇昊（國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030）

分布式能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型研究

施行之， 周宇昊
（國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030）

根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，以分布式能源系統(tǒng)節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性為目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備選型和運(yùn)行策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

分布式能源； 多目標(biāo)優(yōu)化模型； 節(jié)能性； 經(jīng)濟(jì)性； 環(huán)境性

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.001

0　引言

分布式能源系統(tǒng)為城市和區(qū)域的能源供應(yīng)提供了一種科學(xué)合理的形式。然而，分布式能源具有設(shè)備類(lèi)型繁多，工藝流程復(fù)雜，工況條件多變等特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)椴缓侠淼貞?yīng)用，使其達(dá)不到理想效果，例如一味追求系統(tǒng)的節(jié)能性，忽視了技術(shù)成本和運(yùn)行成本，或者提高經(jīng)濟(jì)性而達(dá)不到節(jié)能環(huán)保的目的。隨著人們對(duì)環(huán)境和能源消費(fèi)問(wèn)題的不斷重視，對(duì)分布式能源系統(tǒng)的期望也在不斷加深，針對(duì)區(qū)域能源需求、資源分布節(jié)能環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等特點(diǎn)，從系統(tǒng)的高度對(duì)各種的分布式能源技術(shù)選擇和運(yùn)行策略進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化是至關(guān)重要的。本文根據(jù)混合整數(shù)線性規(guī)劃理論和多目標(biāo)分析方法，構(gòu)建了分布式能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。該模型在滿足對(duì)象區(qū)域冷熱電負(fù)荷需求的同時(shí)，根據(jù)輸入條件，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

1　優(yōu)化模型介紹

本模型基于以下系統(tǒng)圖（圖1）進(jìn)行構(gòu)建，電源設(shè)備有內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電四種類(lèi)型可供選擇，每種類(lèi)型的設(shè)備均有其詳細(xì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)（品牌、容量、效率各不相同）。供能區(qū)域的基礎(chǔ)負(fù)荷由電力負(fù)荷、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷組成。其中電力負(fù)荷優(yōu)先由分布式電源發(fā)的電來(lái)提供，當(dāng)分布式電源的發(fā)電量不能滿足需求時(shí)，從電網(wǎng)進(jìn)行買(mǎi)電。發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗挥酂崂弥评湓O(shè)備進(jìn)行回收來(lái)滿足冷負(fù)荷，也可以通過(guò)熱交換的方式，提供熱負(fù)荷，當(dāng)余熱不能滿足需求時(shí)，由鍋爐進(jìn)行補(bǔ)燃。

圖1　分布式能源系統(tǒng)圖

圖2　模型計(jì)算流程

從分布式能源的系統(tǒng)圖可見(jiàn)，分布式電源設(shè)備種類(lèi)繁多，負(fù)荷多樣，能流復(fù)雜，系統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果之間存在一定的相互影響，例如有時(shí)候通過(guò)高效率的設(shè)備來(lái)提高系統(tǒng)的節(jié)能性，常常會(huì)因?yàn)檫^(guò)高的設(shè)備成本而沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性，有時(shí)候?yàn)榱颂岣呦到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性而保障不了系統(tǒng)的節(jié)能減排效果，因此，使多個(gè)目標(biāo)在給定的條件下盡可能達(dá)到最佳，不經(jīng)過(guò)合理地設(shè)計(jì)優(yōu)化是很難實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題，本文基于多目標(biāo)優(yōu)化的理論，將分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化用數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行表達(dá)，利用專(zhuān)業(yè)運(yùn)籌學(xué)軟件GAMS［1］構(gòu)建模型并求解。優(yōu)化模型的計(jì)算流程如圖2所示。

該模型主要由輸入條件、目標(biāo)函數(shù)、約束條件及輸出結(jié)果組成。輸入條件包括供能區(qū)域冷、熱、電逐時(shí)負(fù)荷、能源價(jià)格以及系統(tǒng)預(yù)期節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果的設(shè)定，在符合約束條件情況下根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，從構(gòu)建的分布式電源設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)中（包括容量、效率、靜態(tài)投資成本等參數(shù)）對(duì)區(qū)域的分布式電源設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化選擇，并對(duì)系統(tǒng)集成以后的運(yùn)行策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

2　多目標(biāo)優(yōu)化方法

一般情況下，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中，各項(xiàng)子目標(biāo)之間是矛盾的，一個(gè)子目標(biāo)的改善有可能會(huì)引起其他幾個(gè)子目標(biāo)性能上的降低，要同時(shí)使多個(gè)子目標(biāo)一起達(dá)到最優(yōu)值是不可能的，而只能應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法在他們中間進(jìn)行協(xié)調(diào)和折中處理，使各個(gè)子目標(biāo)盡可能地達(dá)到最優(yōu)解［2］。多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中 （fx）—目標(biāo)向量；

在對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題求解時(shí)，常常是將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題再進(jìn)行求解，該模型選用權(quán)重系數(shù)法和主要目標(biāo)法兩種方法。

2.1權(quán)重系數(shù)法

根據(jù)各目標(biāo)函數(shù)的重要程度給予相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后各目標(biāo)函數(shù)與權(quán)重系數(shù)數(shù)相乘再求和即構(gòu)成單目標(biāo)函數(shù)，如下所示。

式中 ωi—第i個(gè)權(quán)重系數(shù)。

該模型利用權(quán)重系數(shù)法對(duì)分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果進(jìn)行優(yōu)化，在求解時(shí)只需分別設(shè)定預(yù)期效果的權(quán)重系數(shù)，即可得出不同權(quán)重系數(shù)下的分布式能源系統(tǒng)設(shè)備選型，然而權(quán)重系數(shù)的大小需要有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家進(jìn)行把握。目標(biāo)函數(shù)如式（5）所示，其中系統(tǒng)的年一次能源消費(fèi)量、年等效運(yùn)行費(fèi)用、年CO2排放量為變量，年一次能源消費(fèi)量、年等效運(yùn)行費(fèi)用、年CO2排放量的最小值為常量，因此在對(duì)該目標(biāo)函數(shù)求解之前，需要先以年一次能源消費(fèi)量、年等效運(yùn)行費(fèi)用、年CO2排放量為目標(biāo)函數(shù)，如式（6）、式（7）、式（8）所示，分別求出各自的最小值，代入式（5）進(jìn)行最終求解。

式中 p1，p2，p3—節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的權(quán)重系數(shù)；

TotPEC—系統(tǒng)的年一次能源消費(fèi)量，MJ；

TotPECmin—年一次能源消費(fèi)量的最小值，MJ；

TotCost—系統(tǒng)的年等效運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元；

TotCostmin—年等效運(yùn)行費(fèi)用的最小值，萬(wàn)元；

TotCE—系統(tǒng)的年CO2排放量，t；

TotCEmin—年CO2排放量的最小值，t；

PDer—分布式電源的一次能源消費(fèi)量，MJ；

PGrid—系統(tǒng)電力的一次能源消費(fèi)量，MJ；

PBoiler—鍋爐的一次能源消費(fèi)量，MJ；

CDer—分布式電源年固定費(fèi)用，萬(wàn)元；

CHeat—熱源設(shè)備的年固定費(fèi)用，萬(wàn)元；

CGrid—電網(wǎng)購(gòu)電成本，萬(wàn)元；

CGas—天然氣成本，萬(wàn)元；

MDer—分布式電源的CO2排放量，t；

MGrid—系統(tǒng)電力的CO2排放量，t；

MBoiler—鍋爐的CO2排放量，t。

2.2主要目標(biāo)法

這種從多個(gè)目標(biāo)中選擇一個(gè)目標(biāo)作為主要目標(biāo)，而其他目標(biāo)只需滿足一定要求即可，因此可將這些目標(biāo)轉(zhuǎn)化成約束條件，也就是用約束條件的形式保證其他目標(biāo)不致太差，這樣就變成單目標(biāo)處理方法，可以表示為

約束法和權(quán)重系數(shù)法相比更為直觀，在運(yùn)算之前，只需要定量地輸入相對(duì)于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)，分布式能源預(yù)期想達(dá)到的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果即可。首先，在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解之前，需要分別以和年一次能源消費(fèi)量的削減率、年等效運(yùn)行費(fèi)用的削減率以及年CO2排放量的削減率為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行單目標(biāo)求解，并設(shè)年一次能源消費(fèi)量的削減率最大的Case為最節(jié)能Case（用Case1表示），年等效運(yùn)行費(fèi)用的削減率最大的Case為最經(jīng)濟(jì)Case（用Case2表示），年CO2排放量的削減率最大的Case為最環(huán)保Case（用Case3表示）。

式中 RPEC—年一次能源消費(fèi)的削減量，%；

RECO—年等效運(yùn)行費(fèi)用的削減量，%；

RCE—年CO2排放的削減量，%；

TotPECconv.—常規(guī)系統(tǒng)的年一次能源消費(fèi)量，MJ；

TotCostconv.—常規(guī)系統(tǒng)的年等效運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元；

TotCEconv.—常規(guī)系統(tǒng)的年CO2排放量，t。

以經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)時(shí)，年一次能源消費(fèi)量的削減率不能小于最經(jīng)濟(jì)Case2時(shí)的一次能源消費(fèi)量的削減率，若小于該值，則既不經(jīng)濟(jì)也不節(jié)能，也不可能大于最節(jié)能Case1時(shí)的年一次能源消費(fèi)量的削減率，年CO2排放量的削減率的范圍也同理可得，目標(biāo)函數(shù)如下所示。

2.3約束條件

能源的供需平衡是指對(duì)象區(qū)域的冷熱電的逐時(shí)供需平衡，這也是模型的主要約束條件。區(qū)域的電力負(fù)荷通過(guò)分布式電源來(lái)滿足，當(dāng)供應(yīng)不足時(shí)可以從電網(wǎng)買(mǎi)電，供過(guò)于求時(shí)可以向電網(wǎng)賣(mài)電。冷負(fù)荷通過(guò)余熱回收型制冷設(shè)備來(lái)滿足，熱負(fù)荷由熱交換器對(duì)分布式電源產(chǎn)生的余熱進(jìn)行熱交換來(lái)滿足。當(dāng)余熱不夠時(shí)，由燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)燃。

式中 i—分布式電源的種類(lèi)；

m—一年的月份數(shù)；

d—各個(gè)月份的天數(shù)；

h—每天的小時(shí)數(shù)；

Eloadm，d，h—逐時(shí)電力負(fù)荷，kW；

Cloadm，t，h—逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；

COPchiller—余熱回收型制冷設(shè)備的COP；

Hloadm，t，h—逐時(shí)熱負(fù)荷，kW；

ηheat-exchange—熱交換器效率，%。

3　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)如何將分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性盡可能達(dá)到最優(yōu)的問(wèn)題，根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，構(gòu)建了分布式能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。在進(jìn)行處理多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，本文選用了權(quán)重系數(shù)法和主要目標(biāo)法進(jìn)行求解，可根據(jù)實(shí)際情況，選用其中一種方法即可。設(shè)計(jì)者可自行輸入項(xiàng)目備選設(shè)備的信息也利用模型自帶的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸入系統(tǒng)想達(dá)到的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果，在滿足對(duì)象區(qū)域的冷熱電供需平衡的情況下，該模型可以快速、準(zhǔn)確地自行進(jìn)行設(shè)備選型并輸出相應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行策略。利用該模型，設(shè)計(jì)者也可以改變相應(yīng)的條件，比如燃?xì)鈨r(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)、設(shè)備效率、成本等，分析這些因素對(duì)系統(tǒng)的影響，在項(xiàng)目可研階段，對(duì)分析項(xiàng)目的可行性具有一定的借鑒意義。

［1］Anthony.Brooke，ect：GAMSA User's Guide，GAMSDevelopment Cor-poration，1998.

［2］肖曉偉，肖迪，林錦國(guó).多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的研究概述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（3）：805～808.

Study on Multi-objective Optimal Model of Distributed Energy Resource

SHI Xing-zhi， ZHOU Yu-hao

（National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China）

With the rapid development of the distributed energy resource（DER）technology，the DER systems have been utilized gradually in the buildings with the different functions.Compared with the traditional central energy supply，DER systems offer the energy saving，economy and environmental performance.However，there are complex interrelationships among the three aspects：mutual promotion，maybe mutual restraint.Consequently，it is necessary to discuss how to balance the three aspects in the integration stage of DER system.The paper represented a multi-objective optimal model for designing the DER system to deal with this problem.The three objective functions including the annual primary energy reduction ratio，the annual cost reduction ratio and the annual CO2emission reduction ratio have been considered.

distributed energy resource； multi-objective optimal model； energy saving； economy；environmental performance

F407.61

A

2095-3429（2015）01-0001-04

施行之（1986-），男，浙江杭州人，博士研究生，工程師，研究方向：區(qū)域能源規(guī)劃、天然氣分布式能源、分布式光伏。

2014-10-30

2014-12-10