基于多目标规划的多能互补分布式能源系统优化决策方法研究

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1、基于多目标规划的多能互补分布式能源系统优化决策方法研究任洪波1，吴琼1”，班银银1，杨健1(1．上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090；2．日本北九州市立大学国际环境工学部，日本北九州8080135)摘要：多能互补分布式能源系统是传统分布式能源应用的拓展，是一体化整合理念在能源系统工程领域的具象化，使得分布式能源的应用由点扩展到面，由局部走向系统。具体而言，多能互补分布式能源系统是指可包容多种能源资源输入，并具有多种产出功能和输运形式的“区域能源互联网”系统。它不是多种能源的简单叠加，而要在系统高度上按照不同能源品味的高低进行综合互补利用，并统筹安

2、排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。多能互补分布式能源系统最初是为了解决可再生能源不连续问题而提出的。太阳能、风能等可再生能源随时间、季节以及气候条件变化而变化，而人类社会对能源的需求是基本连续的，故将可再生能源与化石能源进行互补利用是解决可再生能源不连续，促进可再生能源发展应用，同时缓解化石能源紧张、减少环境污染的有效途径。近年来，随着人们对多能互补理念认识和解读的日益理性和深入，除了能促进可再生能源与化石能源的互补利用，多能互补分布式能源系统通过自耦合优化以降低系统对电网冲击的功能也逐渐凸显。要使得多能互补分布式能源系统

3、可以发挥其潜在的节能减排效果，科学、合理的系统规划与设计至关重要。能源系统建模、分析与优化是提高能源系统综合能效、确保供需平衡、资源和技术协同优化整合，实现系统科学规划与设计的有效手段。然而，多能互补分布式能源系统是一个具有多尺度结构特性的复杂能源利用体系，其规划与设计过程中既要考虑系统内产能、换能、蓄能、用能等各个环节之间的相互依赖关系，又要考虑冷、热、电等多元能源流的互动与耦合；常规的单体分布式能源系统分析与优化方法己不能适应多能互补分布式能源系统的规划与设计要求。此外，传统的能源系统优化决策通常采用单一指标决策方法：或以经济效益的好坏来判定、或以节能效

4、果的优劣来判定。然而，这些单一的决策指标往往彼此排斥：节能效果优异的能源系统可能是以较高的系统成本为代价；而经济收益良好的系统则不能获得理想的节能效果。为此，有必要引入一种全新的方法从多个角度全方位评估影响系统决策的各种因素。本研究首先针对多能互补分布式能源系统在类型、层次上所呈现的多尺度特性，采用多尺度建模方法分别对各分布式能源技术以及整个能源体系等不同尺度进行建模与分析。具体而言，在微观单元设备层面，能量生产与转换子系统包括各种参考结构形式和多种单元设备；可供选择的设备包括天然气冷热电联供系统、分布式光伏、小型风力发电等可再生能源技术以及其他电源、热源设

5、备。为了建立能量生产和转换子系统中所采用的的单元设备模型，本研究在充分理解其设计工况性能、静态变工况性能的基础上，基于热力学计算公式、经验数据及相关模拟软件，建立了单元设备的简化计算模型。在系统层面，多能互补分布式能源系统主要由外部能源供应子系统、能源生产子系统、能源转换子系统、能源储存子系统和能源利用予系统组成。其中，能源生产、转换和储存予系统是需要优化的对象，而其他子系统仅作为系统优化的边界条件。由于电、热(冷)等能量形式之间可以相互转换，而终端用户对用能需求量又呈现多样化，因此多能互补分布式能源系统具有非常复杂的超结构。本研究将从系统工程的观点出发，以

6、能源流为纽带，建立单元设备、子系统以及它们之间的逻辑关系。在系统集成建模的基础上，本研究构建了系统优化决策数学模型，在满足用户能量需求(冷、热、电负荷)的前提下，综合考虑自然和经济资源、能源与环保政策、安全可靠型和可操作性等约束条件，调整系统的结构设计(能流结构和设备类型)、设备配置(设备容量与数量)及运行策略，以实现经济、节能或环保等最优目标。具体而言，本研究定义了合理实用的生命周期节能指标、生命周期环境指标、生命周期经济指标的评价准则，并根据用户不同目的开发适用于不同评价指标的目标函数，建立相应数学模型，使得用户可以根据不同目的选择合理设备组合和运行策略

7、。此外，为了将三者统一，本研究引入了环境税、虚拟能源效率以将环保和节能收益都转化为经济性指标，并与生命周期经济指标整合成生命周期综合评价指标。最后，本研究通过对某一具体多能互补型分布式能源系统的优化决策实例验证了本文所提出的理论和方法的科学性与实用性。同时，通过对一些关键参数的敏感性分析，探讨了影响多能互补分布式能源系统决策的核心因素，从而为今后国家制定分布式能源相关政策提供参考。关键词：多能互补；分布式能源系统；多目标规划；优化决策