本發(fā)明屬于分布式發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，重點(diǎn)在于孤立的分布式電網(wǎng)優(yōu)化配置中的一種新型優(yōu)化模型，以及求解該配置問題的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)，人類在有限資源和環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格的制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)，面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。由于分布式發(fā)電系統(tǒng)利用本地可再生能源進(jìn)行發(fā)電，具有經(jīng)濟(jì)高效，供電可靠，清潔環(huán)保的特點(diǎn)，合理利用風(fēng)能、太陽能進(jìn)行發(fā)電供應(yīng)已經(jīng)越來越受到學(xué)者的研究和探討。特別是對(duì)于山區(qū)等邊遠(yuǎn)偏僻地區(qū)，因地制宜，對(duì)當(dāng)?shù)刎S富的可再生能源開發(fā)利用，是解決廣大無電偏遠(yuǎn)地區(qū)能源問題的必由之路。

研究分布式發(fā)電系統(tǒng)的合理配置，在最經(jīng)濟(jì)的前提下，使得風(fēng)能、太陽能等新能源得到充分利用，并且保證系統(tǒng)的供電可靠性，降低系統(tǒng)的成本，是衡量系統(tǒng)優(yōu)越性的重要指標(biāo)。

針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化配置，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，從不同角度提出了各種目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。例如，在以停電損失最小為優(yōu)化目標(biāo)，以可靠性、安全性為約束條件下進(jìn)行優(yōu)化配置；在考慮損耗成本、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成本、電能質(zhì)量成本的條件下，求解最優(yōu)系統(tǒng)配置。但是大體上，在系統(tǒng)費(fèi)用分析角度上，只是研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)在構(gòu)建以及運(yùn)行維護(hù)上的可見成本，而并沒有對(duì)潛在的成本進(jìn)行系統(tǒng)分析，造成對(duì)系統(tǒng)的配置精度要求不高。對(duì)于類似于分布式電網(wǎng)優(yōu)化配置的多變量、多約束非線性組合優(yōu)化問題，國內(nèi)外也有許多算法：經(jīng)典數(shù)學(xué)優(yōu)化方法、啟發(fā)式優(yōu)化算法、智能優(yōu)化算法及復(fù)合優(yōu)化算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于新型優(yōu)化模型的孤立分布式電網(wǎng)配置方法，采用一種基于排序的實(shí)數(shù)編碼方式的蟻群算法進(jìn)行該配置問題的優(yōu)化求解。充分考慮了系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)期間的潛在成本和利潤(rùn)；優(yōu)化配置算法求解精度高，且啟發(fā)式編碼方案通俗易懂，能夠提高求解效率。

為了解決上述技術(shù)問題，一種基于新型優(yōu)化模型的孤立分布式電網(wǎng)配置方法

步驟如下：

S1.搭建孤立的分布式發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元，發(fā)電單元由太陽能板和風(fēng)機(jī)組成，儲(chǔ)能單元由蓄電池、電解池、燃料電池以及氫氣罐組成，系統(tǒng)還包括逆變器；

S2.事先定義好供發(fā)電設(shè)備的工作優(yōu)先級(jí)，確定好電力設(shè)備開始或者停止工作的條件，給定系統(tǒng)的運(yùn)行策略；工作優(yōu)先級(jí)是蓄電池先充放電，氫氣單元處于下一個(gè)優(yōu)先級(jí)；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)檢測(cè)發(fā)電單元的發(fā)電量P_gen(t)和負(fù)載的電量需求P_Load(t)，通過兩者的關(guān)系判斷，給出系統(tǒng)的工作狀態(tài)；

S3.在滿足供電可靠性的前提下，求解分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)配置，使得系統(tǒng)總成本C_total達(dá)到最??；供電可靠性用缺電率LPSP(Loss of Power Supply Probability)描述，它是缺電累積時(shí)間與系統(tǒng)總時(shí)間的比值；

S4.為該分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的建模，構(gòu)建優(yōu)化模型，系統(tǒng)的總成本C_total由三種成本/收益模型組成，包括設(shè)備成本C_DEC，電能浪費(fèi)成本C_EWC，氫氣所獲收益C_HPC；

S5.設(shè)備成本C_DEC由投資成本C_INV，系統(tǒng)維護(hù)成本C_O&M以及設(shè)備替換成本C_REP組成；

S6.系統(tǒng)的成本必須滿足相關(guān)的約束條件，在優(yōu)化模型中組成系統(tǒng)的各種設(shè)備數(shù)量必須為正整數(shù)；系統(tǒng)的供電可靠性LPSP缺電率需要滿足預(yù)設(shè)定的要求；

S7.所構(gòu)建的優(yōu)化模型，運(yùn)用基于排序的實(shí)數(shù)編碼方式的蟻群算法進(jìn)行求解。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：在分布式發(fā)電盛行的背景下，秉承供電可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的理念，將太陽能光伏、風(fēng)機(jī)、蓄電池、電解池、燃料電池和氫氣罐等結(jié)合在一起，構(gòu)建孤立分布式發(fā)電系統(tǒng)。光伏太陽能和風(fēng)機(jī)保證了發(fā)電單元的相對(duì)穩(wěn)定性，蓄電池、燃料電池等儲(chǔ)能設(shè)備在一定程度上解決了用電供需嚴(yán)重不一致時(shí)的弊端。運(yùn)行該系統(tǒng)，需要考慮到三方面的成本(收益)：設(shè)備成本，包括系統(tǒng)的投資構(gòu)建成本、維護(hù)成本以及后續(xù)更換元器件的成本；電能浪費(fèi)成本，當(dāng)發(fā)電富裕且儲(chǔ)能單元不能完全吸納多余電量時(shí)，電能只能浪費(fèi)；氫氣產(chǎn)生利潤(rùn)，在適合的條件下，將該系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣另作他用，可以帶來收益。在以上三方面成本的系統(tǒng)模型下，提出一種實(shí)數(shù)編碼方式的基于排序方法的蟻群算法，進(jìn)行系統(tǒng)配置問題的優(yōu)化計(jì)算求解。最終為實(shí)際搭建類似發(fā)電系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)可靠的理論指導(dǎo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的配置過程中采集的光能和風(fēng)能數(shù)據(jù)。

圖2是本發(fā)明的分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行策略示意圖。

圖3是本發(fā)明的目標(biāo)函數(shù)總體構(gòu)成。

圖4是本發(fā)明的蟻群算法實(shí)數(shù)編碼方式。

圖5是本發(fā)明的蟻群算法流程框圖。

圖6是本發(fā)明的優(yōu)化配置中目標(biāo)函數(shù)值和LPSP關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

一種基于新型優(yōu)化模型的孤立分布式電網(wǎng)配置方法，其特征包括如下步驟：

S1.搭建孤立的分布式發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元，發(fā)電單元由太陽能板和風(fēng)機(jī)組成，儲(chǔ)能單元由蓄電池、電解池、燃料電池以及氫氣罐組成，系統(tǒng)還包括逆變器；

S2.事先定義好供發(fā)電設(shè)備的工作優(yōu)先級(jí)，確定好電力設(shè)備開始或者停止工作的條件，給定系統(tǒng)的運(yùn)行策略；工作優(yōu)先級(jí)是蓄電池先充放電，氫氣單元處于下一個(gè)優(yōu)先級(jí)；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)檢測(cè)發(fā)電單元的發(fā)電量P_gen(t)和負(fù)載的電量需求P_Load(t)，通過兩者的關(guān)系判斷，給出系統(tǒng)的工作狀態(tài)；

S3.在滿足供電可靠性的前提下，求解分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)配置，使得系統(tǒng)總成本C_total達(dá)到最??；供電可靠性用缺電率LPSP(Loss of Power Supply Probability)描述，它是一年內(nèi)缺電累積時(shí)間與總時(shí)間的比值；

S4.為該分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的建模，構(gòu)建優(yōu)化模型，系統(tǒng)的總成本C_total由三種成本/收益模型組成，包括設(shè)備成本C_DEC，電能浪費(fèi)成本C_EWC，氫氣所獲收益C_HPC；

S5.設(shè)備成本C_DEC由投資成本C_INV，系統(tǒng)維護(hù)成本C_O&M以及設(shè)備替換成本C_REP組成；

S6.系統(tǒng)的成本必須滿足相關(guān)的約束條件，在優(yōu)化模型中組成系統(tǒng)的各種設(shè)備數(shù)量必須為正整數(shù)；系統(tǒng)的供電可靠性LPSP缺電率需要滿足預(yù)設(shè)定的要求；

S7.所構(gòu)建的優(yōu)化模型，運(yùn)用基于排序的實(shí)數(shù)編碼方式的蟻群算法進(jìn)行求解。

步驟S1中的太陽能板、風(fēng)機(jī)、蓄電池、電解池、氫氣罐、燃料電池是本模型求解的關(guān)鍵設(shè)備，電解池、氫氣罐、燃料電池組成氫氣單元，太陽能板和風(fēng)機(jī)互補(bǔ)發(fā)電、蓄電池以及氫氣單元合理充放電保證了系統(tǒng)的高可靠性供電。

該系統(tǒng)需要配置的變量有：太陽能板的數(shù)量N_PV，風(fēng)機(jī)的數(shù)量N_WG，蓄電池的數(shù)量N_Bat以及氫氣罐的數(shù)量N_HY，且變量均為正整數(shù)，其中，N_PV∈(0,200]，N_WG∈(0,200]，N_bat∈(0,900]，N_HY∈(0,900]電解池、燃料電池、逆變器數(shù)量均為1。

分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行遵循給定的策略，在運(yùn)行過程中，以電量的供求關(guān)系為衡量，當(dāng)供大于求的時(shí)候，優(yōu)先啟用蓄電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)，當(dāng)蓄電池充滿后，再考慮電解池，將電能轉(zhuǎn)換為氫能存儲(chǔ)；當(dāng)供不應(yīng)求的時(shí)候，優(yōu)先啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行能量釋放，當(dāng)蓄電池能量不足時(shí)，再考慮啟動(dòng)燃料電池，將氫氣罐中的氫能轉(zhuǎn)換為電能。

假設(shè)逆變器的效率為η_Inv＝90％，若P_gen(t)＝P_Load(t)/η_Inv，則儲(chǔ)能單元不工作；若P_gen(t)>P_Load(t)/η_Inv，則先給蓄電池充電直至滿額，接著啟動(dòng)電解池將電能轉(zhuǎn)換為氫氣，存儲(chǔ)在氫氣罐中；若P_gen(t)<P_Load(t)/η_Inv，則優(yōu)先使用蓄電池為負(fù)載供電，如果供電依舊不足，那么接著啟動(dòng)燃料電池為負(fù)載供電。

步驟S3和S4中系統(tǒng)配置的目標(biāo)函數(shù)為：

C_total＝C_DEC+C_EWC-C_HPC

其中氫氣產(chǎn)生的利潤(rùn)C(jī)_HPC，可以減小系統(tǒng)總成本。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間T_sys＝20年內(nèi)，步驟S5中每年的設(shè)備成本的具體組成表達(dá)式為：

C_DEC＝(C_INV+C_O&M+C_REP)/T_sys

其中，投資成本C_INV來源于搭建系統(tǒng)時(shí)電力設(shè)備的購置，系統(tǒng)后期的運(yùn)行維護(hù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成本C_O&M，當(dāng)系統(tǒng)中的電力設(shè)備老壞時(shí)，需要重新更換，產(chǎn)生了設(shè)備替換成本C_REP。

當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)電單元產(chǎn)生的電量大于用電量，并且儲(chǔ)能單元不能夠完全吸納多余電量，則會(huì)造成電能浪費(fèi)，即產(chǎn)生步驟S4中的電能浪費(fèi)成本C_EWC，具體表達(dá)為：

式中，E_{out_annual}是發(fā)電單元年平均發(fā)電量，P_gen(t)，P_Load(t)和P_stor(t)分別表達(dá)每小時(shí)產(chǎn)生的能量，消耗的能量以及需要存儲(chǔ)的能量。

每個(gè)季度適時(shí)檢查氫氣罐中存儲(chǔ)的狀態(tài)，包括檢查氫氣罐中存儲(chǔ)的氫能，使氫氣罐恢復(fù)為初始狀態(tài)，從而獲取相應(yīng)的利潤(rùn)，即步驟S4中的氫氣所獲收益C_HPC，表示如下：

E_HY(i)是每個(gè)季度末，氫氣罐中存儲(chǔ)的氫氣所對(duì)應(yīng)的能量，η_el＝95％是電解池的效率。

步驟S6中的供電可靠性用缺電率LPSP來表示，缺電率越低代表系統(tǒng)的供電可靠性越高，反之，缺電率LPSP越大代表系統(tǒng)的供電可靠性越低，缺電率LPSP用系統(tǒng)不足夠供電的時(shí)間與總時(shí)間的比值來表示，其數(shù)學(xué)模型為：

T表示一年內(nèi)總的小時(shí)數(shù)，T＝8760，P_avai(t)是每個(gè)小時(shí)可用的電量

P_avai(t)＝P_PV(t)+P_WG(t)+P_Bat(t)+P_HY(t)

P_PV(t)、P_WG(t)、P_Bat(t)和P_HY(t)分別是t時(shí)刻太陽能板、風(fēng)機(jī)、蓄電池和氫氣單元的輸出電量。

步驟S7中的蟻群算法采用了實(shí)數(shù)編碼方式，根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模，從變量N_PV，N_WG，N_Bat和N_HY中確定需要的最大位數(shù)n，確定總的編碼長(zhǎng)度4*n，該系統(tǒng)中取n＝3。

步驟S7中為了提高啟發(fā)式算法的搜索效率，采用了一種基于排序的蟻群算法優(yōu)化求解該配置問題，在算法的每次迭代過程中，計(jì)算每只螞蟻選擇的路徑形成的候選解所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)成本，并根據(jù)成本大小對(duì)候選解(螞蟻)進(jìn)行升序排列，然后選擇排序靠前的m只螞蟻進(jìn)行路徑上信息素的更新，更新的方式如下：

Q是一個(gè)常數(shù)，τ_ij(t)是t時(shí)刻路徑i,j之間的信息素，m代表所選擇的螞蟻數(shù)量，L^r(t)表示第r只螞蟻在本次迭代中的總成本，L^*(t)是本次迭代中最優(yōu)成本，

當(dāng)算法迭代結(jié)束后，根據(jù)迭代過程中產(chǎn)生的符合條件的解，選出所需要的配置。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例詳細(xì)說明。

充分利用太陽能、風(fēng)能的互補(bǔ)特性，選取合適的太陽能板、風(fēng)機(jī)、蓄電池、電解池、氫氣罐、燃料電池搭建孤立的分布式發(fā)電系統(tǒng)。

建立太陽能板的能量模型其中G(t)表示光照強(qiáng)度，p_PV,rated＝500kW是額定功率，η_PV,conv＝68％是太陽能板的效率。

建立風(fēng)機(jī)發(fā)電能量和風(fēng)速的模型

式中，v(t),v_in,v_out,v_rated分別表示實(shí)時(shí)風(fēng)速、切入風(fēng)速、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速，p_WG,rated是在額定風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的功率，在該方法的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，相關(guān)參數(shù)的取值為：v_in＝4m/s,v_out＝22m/s,v_rated＝15m/s,p_WG,rated＝1500kW。

定義蓄電池電量狀態(tài)的描述SOC(State of Charge)，是當(dāng)前存儲(chǔ)的能量與蓄電池總?cè)萘康谋戎?，?和1之間。

規(guī)定SOC的上限為1，下限為0.3。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出蓄電池的能量表達(dá)式

式中，E_Bat(t)是t時(shí)刻蓄電池的電量，σ是蓄電池自身的放電率，E_gen(t),E_Load(t)表示發(fā)電量和負(fù)載的用電量，η_BC,η_BF分別是充電效率和放電效率，η_BC＝93％,η_BF＝100％。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出氫氣罐中的能量表達(dá)式

E_tank(t+1)＝E_tank(t)+P_el-tank(t+1)-P_tank-FC(t+1)×η_storage

式中，E_tank(t)是氫氣罐中的能量，P_el-tank(t),P_tank-FC(t)分別是電解池電解的能量和燃料電池消耗的能量，η_storage＝75％表示效率。

測(cè)量具有代表意義的若干光照和風(fēng)速數(shù)據(jù)，用于作為優(yōu)化配置問題中的輸入，圖1是夏季某天的太陽能光照強(qiáng)度和風(fēng)速曲線。

規(guī)定該分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的策略，如圖2所示，在運(yùn)行過程中，以電量的供求關(guān)系為衡量。

當(dāng)供大于求的時(shí)候，優(yōu)先啟用蓄電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)，當(dāng)蓄電池充滿后，再考慮電解池，將電能轉(zhuǎn)換為氫能存儲(chǔ)；

當(dāng)供不應(yīng)求的時(shí)候，優(yōu)先啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行能量釋放，當(dāng)蓄電池能量不足時(shí)，再考慮啟動(dòng)燃料電池，將氫氣罐中的氫能轉(zhuǎn)換為電能。

為系統(tǒng)的優(yōu)化配置從費(fèi)用角度建立目標(biāo)函數(shù)C_total，如圖3所示。

總成本包括各種電器元件組成的設(shè)備成本C_DEC，電能浪費(fèi)成本C_EWC，氫氣所獲收益C_HPC。

其中氫氣所獲收益是C_HPC負(fù)成本。

確定優(yōu)化配置過程中所需求的優(yōu)化變量，光伏太陽能板的數(shù)量N_PV，風(fēng)機(jī)的數(shù)量N_WG，蓄電池的數(shù)量N_Bat以及氫氣罐的數(shù)量N_HY。

給定該系統(tǒng)發(fā)電可靠性要求，LPSP≤0.1％。

對(duì)已經(jīng)確定好的優(yōu)化變量進(jìn)行如圖4所示的實(shí)數(shù)編碼，前3位表示太陽能板的數(shù)量，4-6位表示風(fēng)機(jī)的數(shù)量，7-9位表示蓄電池的數(shù)量，后三位表示氫氣罐的數(shù)量。

采用啟發(fā)式算法中的蟻群算法求解該非線性組合問題。

根據(jù)蟻群算法尋優(yōu)的特點(diǎn)，采用實(shí)數(shù)編碼方式對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行編碼。

實(shí)數(shù)編碼中，連續(xù)的幾位分別作為某一個(gè)優(yōu)化變量的個(gè)位、十位、百位等，然后將它們轉(zhuǎn)換為一個(gè)正整數(shù)。

在蟻群每次的迭代中，引入排序的方法，擇優(yōu)保留，保證整個(gè)過程中的搜索效率。

在排序的過程中，不僅會(huì)根據(jù)單個(gè)解本身進(jìn)行計(jì)算，而且會(huì)將當(dāng)前迭代中的最優(yōu)解引入。

根據(jù)事先采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)運(yùn)行策略，利用基于實(shí)數(shù)編碼方式的排序蟻群算法對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)在不同的LPSP下進(jìn)行優(yōu)化配置。

根據(jù)實(shí)際需要，在LPSP和C_total的若干組矛盾數(shù)據(jù)中，選擇最合適的配置方式。

采用基于排序的蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化求解，如圖5所示。

初始化算法中的數(shù)據(jù)，如蟻群的規(guī)模k_max，信息素初始值，迭代的最大值N_c，所需要的一些常數(shù)等。

每次迭代過程中，根據(jù)如下公式進(jìn)行路徑的選擇：

表示在i和j之間選擇螞蟻k的概率，τ是信息素，η是啟發(fā)式因子，α＝0.8和β＝0.4是相應(yīng)的權(quán)重。

每次迭代結(jié)束，由螞蟻所選路徑計(jì)算候選解大小，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)成本，再根據(jù)所對(duì)應(yīng)的成本高低將種群里所有螞蟻進(jìn)行升序排列，然后從前往后選擇若干只螞蟻進(jìn)行如下信息素的更新：

其中，是本次迭代過程中路徑i,j上信息素的增量，式中Q是常數(shù)，m是排序后需要挑選的螞蟻數(shù)目，如果螞蟻經(jīng)過i,j節(jié)點(diǎn)則L^r(t)表示系統(tǒng)的總成本，否則表示為0。

表示本次迭代過程中最優(yōu)路徑的額外信息素增量。

當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值時(shí)，則結(jié)束蟻群算法的搜索。

算法結(jié)束后，可以繪制出系統(tǒng)總成本與供電可靠性LPSP之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，系統(tǒng)總成本與LPSP是一組矛盾的存在，即總成本越低則LPSP越大，可靠性越差。

根據(jù)分布式系統(tǒng)所處的地域民生環(huán)境，給出一個(gè)合適的LPSP，然后在圖6的優(yōu)化曲線中挑選一組合適的配置，比方圖中標(biāo)注的點(diǎn)(0.3，9.41)。

最后得到了各電器元件的數(shù)量，圖6中標(biāo)注點(diǎn)對(duì)應(yīng)的具體配置是N_PV＝120，N_WT＝14，N_Bat＝272，N_HY＝315。