古云蛟，　何海斌，　楊　青，　劉　偉，　葛興凱，　趙曉凱

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

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分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件DES-PSO的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

古云蛟，何海斌，楊青，劉偉，葛興凱，趙曉凱

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

為解決分布式能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題，研發(fā)了一款分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件DES-PSO。這一軟件適用于多種分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了資源及負(fù)荷數(shù)據(jù)的生成與分析、系統(tǒng)配置的優(yōu)化計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果的比較與推薦等功能。軟件對(duì)于典型系統(tǒng)采用針對(duì)性的優(yōu)化算法，更加合理地確定分布式能源系統(tǒng)技術(shù)的組合和規(guī)模。采用這一軟件可以進(jìn)行綜合性強(qiáng)、集成度高的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

分布式能源系統(tǒng)； 規(guī)劃設(shè)計(jì)； 軟件； 優(yōu)化算法

分布式能源(Distributed Energy System, DES)技術(shù)種類眾多，既包含傳統(tǒng)的基于微燃機(jī)、燃機(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等設(shè)備的冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，又包含基于光伏、風(fēng)機(jī)等的可再生能源發(fā)電技術(shù)，還包含儲(chǔ)能電池、電動(dòng)汽車、蓄冷/熱等新型分布式能源應(yīng)用技術(shù)。在進(jìn)行分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，既需要兼顧并、離網(wǎng)等不同模式，又需要綜合考慮用戶需求情況、設(shè)備投資成本、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及效率等多種因素。分布式能源的多樣性及其技術(shù)的耦合性，使系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大大增加[1]。

現(xiàn)有的針對(duì)分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，由于算法單一，不能滿足實(shí)際分布式能源系統(tǒng)多樣性與復(fù)雜性的要求，對(duì)于不同類型的分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對(duì)性較差，優(yōu)化效果參差不齊[2]。筆者采用多種優(yōu)化算法進(jìn)行系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了一款分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件DES-PSO，該軟件以投資經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對(duì)典型分布式能源系統(tǒng)，采用優(yōu)化算法，大大降低了多種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的耦合性，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

1　DES-PSO規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

采用流程化的分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示，主要包括信息輸入、優(yōu)化計(jì)算、結(jié)果輸出三個(gè)部分。

(1) 信息輸入。獲取用戶的負(fù)荷數(shù)據(jù)，包括用戶的電負(fù)荷、冷負(fù)荷及熱負(fù)荷；市場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，包括電價(jià)、氣價(jià)、設(shè)備成本、利率等；設(shè)備技術(shù)參數(shù)，包括設(shè)備發(fā)電效率、熱轉(zhuǎn)換效率等；環(huán)境資源數(shù)據(jù)，包括全年輻照度、風(fēng)速、全年溫度等。數(shù)據(jù)可以通過(guò)算法生成，也可以通過(guò)外部文件導(dǎo)入。

圖1　分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)流程圖

(2) 優(yōu)化計(jì)算。在信息輸入部分的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備選型的優(yōu)化計(jì)算，以滿足用戶負(fù)荷需求為約束，并以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)投資成本最低為目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算得到構(gòu)成該分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備類型及容量配置。

① 由信息輸入得到可利用資源類型和用戶需求，初步確定待用的能源設(shè)備類型，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型，組成待用能源系統(tǒng)。

② 根據(jù)待用能源系統(tǒng)，調(diào)用相應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，建立優(yōu)化變量與目標(biāo)函數(shù)及約束條件之間的關(guān)系。其中，優(yōu)化變量為各設(shè)備能源供應(yīng)量及啟停狀態(tài)；目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)投資成本最低；約束條件為分布式能源系統(tǒng)的輸出應(yīng)滿足冷平衡、熱平衡、電力平衡及設(shè)備的要求。

③ 判斷是否是典型的能源系統(tǒng)，是則選擇針對(duì)性的優(yōu)化算法，否則選擇通用性算法。

④ 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到構(gòu)成該分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備類型及功率，并判斷是否耗資最小，如若否，則進(jìn)行設(shè)備組合及運(yùn)行策略的重置，及新一輪優(yōu)化計(jì)算，直至最優(yōu)。

(3) 結(jié)果輸出。在得到系統(tǒng)配置方案后，根據(jù)分布式能源系統(tǒng)所有設(shè)備全年運(yùn)行結(jié)果計(jì)算投資回收期、投資回報(bào)率等經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。另外，還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種因素的敏感性分析，如各種能源價(jià)格、設(shè)備價(jià)格、利率變化等對(duì)結(jié)果的影響程度。

2　系統(tǒng)模型及方法

2.1環(huán)境資源計(jì)算

2.1.1太陽(yáng)輻照度計(jì)算

DES-PSO軟件中全年太陽(yáng)輻射度數(shù)據(jù)可以通過(guò)多種方法計(jì)算[3]，如用戶輸入當(dāng)?shù)卦缕骄椪斩?，再?jì)算全年8760h的輻能；又如從外部文件導(dǎo)入，軟件再依據(jù)相應(yīng)的參數(shù)，計(jì)算全年8760h輻射到光伏板傾斜面的輻能。圖2所示為上海全年輻照度的計(jì)算結(jié)果。

圖2　上海全年輻照度計(jì)算

2.1.2風(fēng)速計(jì)算

DES-PSO軟件中全年風(fēng)速數(shù)據(jù)與全年輻能數(shù)據(jù)類似，既可以計(jì)算生成，也可以從外部導(dǎo)入。用戶可以輸入當(dāng)?shù)?2個(gè)月平均風(fēng)速，通過(guò)韋布爾概率分布計(jì)算全年風(fēng)速[4]，如式(1)所示為韋布爾概率密度函數(shù)：

(1)

式中：v為風(fēng)速，m/s；k韋布爾形狀因子；c為韋布爾規(guī)模系數(shù)，m/s[5]。

如圖3所示為DES-PSO根據(jù)全年12個(gè)月平均風(fēng)速計(jì)算生成的全年風(fēng)速及韋布爾風(fēng)速概率密度分布曲線。

圖3　全年風(fēng)速及韋布爾風(fēng)速概率密度分布曲線

2.2系統(tǒng)元件模型

2.2.1微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源系統(tǒng)以天然氣為燃料，通過(guò)燃?xì)馔钙阶龉?，排氣?qū)動(dòng)余熱利用機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電、供熱、制冷和生活熱水生產(chǎn)等。微燃機(jī)單機(jī)功率范圍為25kW～300kW，回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟瓤蛇_(dá)到278～550℃，可進(jìn)入余熱鍋爐制蒸汽或熱水，也可用于雙效吸收式制冷、采暖、供熱水，余熱利用后煙氣溫度降至95℃。微燃機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采用以下模型[6，7]：

PMGT=aMGTEMGT+bMGT

(2)

QMGT=cMGTEMGT+dMGT

(3)

式中：PMGT為微燃機(jī)輸出的電功率，kW；EMGT為微燃機(jī)消耗的燃料功率，kW；QMGT為微燃機(jī)排煙中可利用的熱量功率，kW；aMGT、bMGT、cMGT、dMGT為特性參數(shù)。

2.2.2燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)熱力性能受負(fù)荷、環(huán)境溫度影響較大，功率大小也有一定范圍，此處采用的燃機(jī)模型如下[6]：

(4)

式中:PGT為燃機(jī)功率，kW；EGT為單位時(shí)間輸入燃機(jī)的燃料熱值，kW；QGT為單位時(shí)間燃機(jī)排氣的可利用熱值，kW；δGT為燃機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，燃機(jī)運(yùn)行時(shí)為1，停機(jī)時(shí)為0；t和t0分別為燃機(jī)工作的環(huán)境溫度和設(shè)計(jì)環(huán)境溫度，℃；EGT.max為燃機(jī)滿負(fù)荷時(shí)單位時(shí)間輸入燃料熱值，kW；EGT.min為燃機(jī)最小功率時(shí)單位時(shí)間輸入燃料熱值，kW；EGT0.max為t0溫度下燃機(jī)滿負(fù)荷時(shí)單位時(shí)間輸入燃料熱值，kW；p1(t)、q1(t)、p2(t)、q2(t)分別為環(huán)境溫度t時(shí)對(duì)PGT和QGT的修正因數(shù)；其它變量符號(hào)為因數(shù)常數(shù)。

2.2.3燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

作為分布式能源系統(tǒng)中的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在聯(lián)供系統(tǒng)中的主要性能參數(shù)包括發(fā)電出力、相應(yīng)的燃料量及可回收熱量。此處采用的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)特性函數(shù)如下[6]：

(5)

式中：Pic為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電出力，kW；E為單位時(shí)間進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃料熱值，kW；Qic為單位時(shí)間燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排出煙氣的可利用熱值，kW；Wic為單位時(shí)間缸套冷卻水的可利用熱值，kW；Hic為單位時(shí)間中冷水的可利用熱值，kW；Pmin、Pmax為內(nèi)燃機(jī)的最小、最大發(fā)電出力，kW；δ為內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)為1，停機(jī)時(shí)為0；aic、bic、cic、dic、eic、fic、gic、hic為因數(shù)特性常數(shù)。

2.2.4風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力受到高度、海拔、風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、大氣壓力等因素的影響，此處主要考慮風(fēng)速對(duì)其輸出功率的影響。風(fēng)機(jī)的輸出功率PWT與風(fēng)速之間的關(guān)系可用以下函數(shù)進(jìn)行擬合[4]：

(6)

式中:PN為風(fēng)機(jī)的額定輸出功率，kW；vCI為切入風(fēng)速，m/s；vCO為切出風(fēng)速，m/s；vN為額定風(fēng)速，m/s。

2.2.5光伏電池

由于光伏組件的出力受太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度影響，因此光伏組件的功率輸出一般以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(太陽(yáng)輻照度為1000W/m2，電池溫度為25 ℃)下的系統(tǒng)出力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，光伏組件的穩(wěn)態(tài)功率輸出為[4]：

(7)

式中：PPV為光伏組件的實(shí)際輸出功率，kW；GING為實(shí)際太陽(yáng)輻照度，W/m2；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下的太陽(yáng)輻照度，W/m2；PSTC為STC下光伏電池組件的最大輸入功率，kW；kPV為功率溫度系數(shù)，K-1；Tc為電池溫度，K；Tr為環(huán)境溫度，K。

2.2.6儲(chǔ)能電池

儲(chǔ)能電池一般采用鉛酸蓄電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池、鋰離子電池等。充放電電流、電壓、環(huán)境條件及電池的自身?xiàng)l件等對(duì)電池的使用效果均有一定程度的影響。此處建模假設(shè)電池性能良好，只考慮電池在充放電過(guò)程中的狀態(tài)。儲(chǔ)能電池的充放電公式為[4]：

(8)

式中：Pd.t為時(shí)間t階段電池的放電功率，kW；Pc.t為時(shí)間t階段電池的充電功率，kW；C(t)為t時(shí)刻電池的電量，kWh；Δt為所取的時(shí)間間隔；ηd、ηc分別為電池的放電效率、充電效率。此外，還滿足下列約束條件：

① 功率約束：

(9)

② 容量約束：

Cmin≤Ct≤Cmax

(10)

③ 初始狀態(tài)約束：

C(0)=C(T)=CS

(11)

式中：Pd.max為最大放電功率，kW；Pc.max為最大充電功率，kW；Cmin、Cmax分別為電池能量允許的最小值和最大值，kWh；C(0)為電池的初始能量值，kWh；CS為電池的初始能量限定值，kWh；C(T)為電池內(nèi)部能量值，kWh。

2.3系統(tǒng)優(yōu)化算法

DES-PSO軟件在可行方案計(jì)算過(guò)程中，采取特定系統(tǒng)對(duì)應(yīng)特定優(yōu)化算法、非特定系統(tǒng)對(duì)應(yīng)通用優(yōu)化算法的思想。此處主要介紹DES-PSO軟件中包含的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化算法、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化算法及基于顆粒群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)[8]的通用系統(tǒng)優(yōu)化算法。

2.3.1風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化算法

風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)劃主要考慮到光伏風(fēng)機(jī)發(fā)電量與全年總負(fù)載的能量平衡關(guān)系，利用其能量平衡來(lái)優(yōu)化風(fēng)機(jī)與光伏的裝機(jī)容量，使光伏和風(fēng)機(jī)出力能夠盡可能滿足負(fù)荷需求。蓄電池主要用于平衡可再生能源發(fā)電與負(fù)載之間的不匹配。基于此，以系統(tǒng)全年缺電率來(lái)優(yōu)化蓄電池的裝機(jī)容量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為：

能量平衡方程：

1.1EL≤Epvηinv+EW≤1.2EL

(12)

缺電率方程：

(13)

式中：LPSP以h為計(jì)量單位，若某一時(shí)刻蓄電池放電量超過(guò)其最小蓄電量，則這一時(shí)刻作缺電計(jì)算。

圖4為風(fēng)光儲(chǔ)規(guī)劃系統(tǒng)程序流程圖。

圖4　風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化算法框圖

2.3.2冷熱電三聯(lián)供典型系統(tǒng)優(yōu)化算法

以系統(tǒng)年度總費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)年度總費(fèi)用主要包括初投資年等值費(fèi)用、年運(yùn)行能耗費(fèi)用兩部分，初投資年等值費(fèi)用為各設(shè)備總投資根據(jù)使用年限折合到每年的平均投資，年運(yùn)行能耗費(fèi)用指聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)消耗的天然氣和從電網(wǎng)購(gòu)電支出的費(fèi)用及年系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)。通過(guò)確定配置的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，得到該配置下聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最低的年度總費(fèi)用，考慮不連續(xù)的改變?cè)O(shè)備容量的大小，得到不同方案的年度總費(fèi)用。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題從用戶側(cè)需求出發(fā)，確定所用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于某種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)共有M種設(shè)備，每種設(shè)備有N種容量可供選擇，實(shí)際設(shè)備臺(tái)數(shù)不能超過(guò)最大可選擇臺(tái)數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序流程圖如圖5所示。

圖5　冷熱電三聯(lián)供典型系統(tǒng)優(yōu)化算法

2.3.3通用系統(tǒng)優(yōu)化算法

DES-PSO軟件中通用系統(tǒng)優(yōu)化算法主要采用PSO[8]算法，模擬鳥(niǎo)群的捕食行為。在PSO中，每個(gè)行為都可以想象為D維搜索空間上的一個(gè)點(diǎn)，稱其為顆粒。在一個(gè)規(guī)模為m的顆粒群中，假設(shè)第S個(gè)粒子的位置和速度分別是XS=[XS1，XS2，XS3…XSD]，S=1，2，3…m，代入目標(biāo)函數(shù)得到適應(yīng)度的值，然后更新顆粒位置，更新速度VS=[VS1，VS2，VS3…VSD]，S=1，2，3…m，進(jìn)行新一輪的計(jì)算，記錄該顆粒的個(gè)體最優(yōu)位置PS=[PS1，PS2，PS3…PSD]，S=1，2，3…m，并記錄整體最優(yōu)位置Pg=[Pg1，Pg2，Pg3…PgD]；當(dāng)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)或者循環(huán)次數(shù)時(shí)，計(jì)算結(jié)束。

DES-PSO軟件中的顆粒群是不同的設(shè)備組合群，包括設(shè)備的容量、類型等。計(jì)算中更新的速度包括設(shè)備容量的更新、設(shè)備啟停的更新；是否達(dá)到目標(biāo)要求主要是指投資是否最小、回收年限最短等[9，10]。如圖6所示為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序框圖。

圖6　改進(jìn)型顆粒群優(yōu)化算法框圖

3　軟件功能展示

DES-PSO軟件已應(yīng)用于上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、內(nèi)蒙古風(fēng)光儲(chǔ)一體機(jī)系統(tǒng)等項(xiàng)目。由于篇幅所限，此處以上海電機(jī)廠冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為案例進(jìn)行軟件功能介紹。

首先進(jìn)入DES-PSO軟件，如圖7所示，通過(guò)DES-PSO軟件負(fù)荷模塊導(dǎo)入或計(jì)算用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)，如圖8所示為軟件負(fù)荷模塊。

然后在軟件主界面上完成系統(tǒng)的技術(shù)選擇與設(shè)備參數(shù)配置，并完成優(yōu)化目標(biāo)、控制策略、優(yōu)化算法的選擇，輸入經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，主界面如圖9所示。

進(jìn)入分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算界面(如圖10所示)，按照主界面選定的設(shè)備類型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可得到多種可行方案，以及各方案配置系統(tǒng)的投資費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用、年購(gòu)電量等結(jié)果。用戶可對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，綜合設(shè)計(jì)分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的配置情況，以期達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

圖7　DES-PSO軟件主界面

圖8　DES-PSO軟件負(fù)荷模塊

圖9　DES-PSO軟件參數(shù)配置

圖10　冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算界面

4　結(jié)論

綜上所述，分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件DES-PSO能夠有效解決分布式能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題。該軟件適用于多種分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了資源及負(fù)荷數(shù)據(jù)的生成與分析、系統(tǒng)配置的優(yōu)化計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果的比較與推薦等功能，是一款綜合性強(qiáng)、集成度高、算法靈活、界面友好的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件，可以有效應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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To solve the issue of planning design of distributed energy systems， developed the software, DES-PSO. The software can be used for a variety of designed scenes of distributed energy systems and can realize the functions including data generation and data analysis of the resources and loads， optimization and calculation of system configuration with comparison and recommendation of the design results. For a typical system the software adopts targeted optimistic algorithm that can be more reasonably to determine the combination and scale of the distributed energy system technology. By the use of this software it is possible to perform more comprehensive and highly integrated planning design and optimization for distributed energy system.

Distributed Energy System； Planning Design； Software； Optimistic Algorithm

2015年12月

古云蛟(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)優(yōu)化算法、能源技術(shù)仿真研究工作，

E-mail： jok00619@hotmail.com

TM-9;TP319

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1674-540X(2016)02-012-07