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

摘要

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子系统组成。其中，能源生产、转换和储存子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。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。