基于遺傳算法的風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計

趙建東，商執(zhí)一，王自上，楊帆

（北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044）

從可再生能源的資源狀況和技術發(fā)展水平看，風能和太陽能無疑是今后發(fā)展較快的可再生能源。風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)利用風能和太陽能的天然互補特性，以及柴油機的備用發(fā)電功能，可以很好地克服風能及太陽能單獨供電的隨機性、間歇性缺點，實現(xiàn)不間斷發(fā)電，提高供電系統(tǒng)的可靠性與經濟性。隨著風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)工程應用逐漸增多、安裝容量不斷增大，傳統(tǒng)的經驗設計方法已不能滿足系統(tǒng)精確設計和控制系統(tǒng)成本的要求。

風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計的關鍵是尋求系統(tǒng)的最優(yōu)配置解，但是復合系統(tǒng)的發(fā)電過程具有復雜非線性，這使得系統(tǒng)的優(yōu)化過程呈現(xiàn)非線性。目前解決非線性優(yōu)化問題較好的方法是遺傳算法[1]；而對系統(tǒng)運行過程的優(yōu)化是通過能量調度策略[2]，控制能量在系統(tǒng)中各部件間的合理流動，降低系統(tǒng)運行費用，提高系統(tǒng)運行效率。

當前，工程實際中越來越注重對系統(tǒng)總費用的考慮。系統(tǒng)總費用主要包括2部分費用，系統(tǒng)的初期費用和系統(tǒng)的運行過程費用。早期的風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)往往是單獨優(yōu)化系統(tǒng)的初期配置，降低投資，或是系統(tǒng)建成后對系統(tǒng)運行過程進行優(yōu)化，而較少考慮系統(tǒng)總體運行費用的優(yōu)化。

因此，本文采用遺傳算法和能量調度策略對系統(tǒng)的初期投資和系統(tǒng)運行過程進行整體優(yōu)化設計，以期使系統(tǒng)配置最優(yōu)和總體費用最低。

1 復合發(fā)電系統(tǒng)組成

風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)的典型結構如圖1所示。整個系統(tǒng)由能量產生環(huán)節(jié)、能量儲存環(huán)節(jié)和能量消耗環(huán)節(jié)3部分組成。其能量產生環(huán)節(jié)又分為風力發(fā)電部分和光伏發(fā)電部分；能量儲存環(huán)節(jié)為蓄電池；能量消耗環(huán)節(jié)為各種用電負載，其中又分為直流負載和交流負載2類。柴油機作為備用電源，當風力發(fā)電機、光伏電池、蓄電池均不能滿足負載時，向負載供電。

圖1 風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)優(yōu)化設計算法和策略

優(yōu)化設計的目標主要是滿足系統(tǒng)性能指標的條件下，使系統(tǒng)的總費用最低。本文利用遺傳算法和能量調度策略對系統(tǒng)的初期投資和系統(tǒng)運行過程進行優(yōu)化設計，以求降低系統(tǒng)總費用。

2.1 系統(tǒng)能量調度策略

根據負載要求和系統(tǒng)各元件的特性，確定風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)的能量調度策略。具體的能量調度策略為。

1）首先將風力發(fā)電機和光伏電池發(fā)出的電能供給負載。若電量多有余且蓄電池未達到充電上限，向蓄電池充電。當蓄電池電量達到充電上限時，啟動卸荷負載，將多余電量卸掉。

2）若風力發(fā)電機和光伏電池發(fā)出的電量不能供給負載，需啟動柴油機或蓄電池向負載供電。先假設蓄電池和柴油機分別給負載供電，計算虛擬供電后的蓄電池的運行費用和柴油機的運行費用，然后比較兩種供電模式的運行費用，選擇運行費用較少的供電方式給負載供電。

3）在實際運行中，柴油機不能頻繁啟動[3]，在系統(tǒng)實際運行過程中，設置每10 min控制器對柴油機和蓄電池給負載供電預測[4]比較一次，判斷啟動柴油機或用蓄電池供電。

2.2 利用遺傳算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計

將遺傳算法應用于風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)的非線型優(yōu)化主要包括以下3個部分：

1）目標函數(shù)：系統(tǒng)優(yōu)化的目標是滿足負載要求及約束的前提下，系統(tǒng)的初期投資和運行費用最少。其目標函數(shù)為

式中，K（Xi）、N（Xi）、T（Xi）分別為風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機和光伏電池、蓄電池的單價、數(shù)量和預期壽命。F（Xj）為光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電機、柴油機和蓄電池的運行維護費用。其中，蓄電池的壽命與蓄電池的充放電次數(shù)和充放電深度有關，因此在計算蓄電池的維修費用時，將蓄電池初期投資費用除以循環(huán)當量作為蓄電池運行費用。

2）決策變量：系統(tǒng)決策變量為系統(tǒng)各元件的容量、數(shù)量及安裝方式。

3）約束函數(shù)：根據負載要求和元件特性，建立系統(tǒng)約束函數(shù)，使風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)既能保證用戶負載的要求，又能保證系統(tǒng)高效有序地運行。主要從用戶要求、蓄電池充放電特性、風力發(fā)電機物理特性等幾方面建立約束函數(shù)。

淤風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)滿足用戶負載要求，使失電小時數(shù)為零。即

于為延長蓄電池能壽命，須使蓄電池剩余容量（Battery State of Charge，以下簡稱SOC）在一定范圍內，即

盂風力發(fā)電機運行時，風力發(fā)電機風速在啟動風速與截止風速間運行，即

2.3 優(yōu)化過程

基于遺傳算法和能量調度策略的系統(tǒng)優(yōu)化過程如圖2所示。其中流程圖左側為遺傳算法，右側為能量調度策略。

3 工程實例分析

為驗證上述算法和策略的有效性，本論文對寧夏中衛(wèi)縣一實際工程的風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化設計和運行過程逐時仿真。

3.1 系統(tǒng)逐時負載

系統(tǒng)負載包括交流負載和直流負載2部分，其種類和功率如表1所示。

圖2 系統(tǒng)優(yōu)化配置流程圖

系統(tǒng)年均逐時用電負荷如圖3所示。

表1 系統(tǒng)負載種類及功率

圖3 年均逐時用電負荷

3.2 蓄電池配置

蓄電池的總容量根據公式（5）計算。

式中，Ld為負載消耗的電能；Df為當?shù)氐倪B續(xù)陰雨天數(shù)；L為蓄電池的衰減率；Vb為蓄電池的放電終止電壓；DOD為蓄電池的放電深度[5]。

3.3 柴油機配置

風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)中，當風能、太陽能和蓄電池無法滿足負載用電需求時，柴油機作為備用能源向負載供電。為提高系統(tǒng)供電可靠性，須使柴油機的額定功率大于負載最大瞬時功率。

3.4 風力發(fā)電機和和太陽能電池配置

1）選擇太陽能電池板型號。根據市場上實際元件和負載白天的最大功率，計算得到各種不同型號太陽能電池板的數(shù)量；并找出年均初期投資最低所對應的太陽能電池板型號。

2）選擇風力發(fā)電機型號。根據年均風速，選出額定風速最接近年均風速的風力發(fā)電機。

3）選定太陽能光伏電池板和風力發(fā)電機的型號后，采用遺傳算法和能量調度策略對太陽能光伏電池板和風力發(fā)電機進行配置。

3.5 系統(tǒng)配置結果

按照圖2所示優(yōu)化流程及上述配置要求，本文編寫了系統(tǒng)配置優(yōu)化設計軟件。

在應用遺傳變異算法時，種群的初始值設置為太陽能單獨供電或風力機單獨供電時的數(shù)量乘以10。其他參數(shù)設置為：最大遺傳代數(shù)=300；變量個數(shù)=2；種群個數(shù)=40；代溝=1；交叉率=0.05；變異率=0.1；插入率=0.3；遷移率=0.2。

目標函數(shù)取值包括部件維護費用（柴油機、蓄電池、風力發(fā)電機、光伏陣列）和柴油機耗油費用。由于設計時的氣象資料是各月各個時刻的平均值，所以在計算目標值時，要將風力發(fā)電機和光伏陣列的總費用除以風力發(fā)電機和光伏陣列的預期壽命（一般太陽能電池板的壽命為15年，風力發(fā)電機的壽命為10年），得到年初期投資費用。并且計算太陽能電池板和風力發(fā)電機的費用時，包含了逆變器和整流器費用。

柴油機的耗油費用在求出當月平均費用后，乘以當月天數(shù)，得到柴油機消耗的年投資費用。針對柴油機運行100 h、300 h、500 h工作后，維護費用不一樣，所以設置一個參數(shù)，記錄柴油機的運行時間。

根據相關文獻，太陽能電池板年維護費用為初期投資費用的0.3%，風力發(fā)電機年維護費用為初期投資的0.5%。

另外，在對系統(tǒng)進行初始化時，將蓄電池的電量設成初始狀態(tài)，即SOC=1，柴油機的初始柴油消耗設置為0。

經過優(yōu)化運算，最優(yōu)結果如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置結果

3.6 配置方案比較分析

根據系統(tǒng)優(yōu)化配置結果，選取與最優(yōu)配置方案最接近的3種配置方案（表3），分別采用能量調度策略，進行全年逐時仿真運行，輸出系統(tǒng)各部件的全年發(fā)電量（表4）和年均投資與運行費用（表5），以比較判斷系統(tǒng)配置的經濟性與可靠性。

從表4和表5可看出，4個方案中，方案三系統(tǒng)發(fā)電量最大，方案一次之，方案2最少；方案一總成本較少，方案三次之，方案二最大。

經認真比選，在滿足負載要求的前提下，該工程選擇方案一作為系統(tǒng)配置開始施工圖設計與設備選購。另外，風力發(fā)電機在系統(tǒng)類型發(fā)電量中所占比重最大，年均投資與運行成本低，建議在風能較好的地方，應適當加大風力發(fā)電機的安裝量。

表3 系統(tǒng)配置方案

表4 系統(tǒng)各元件發(fā)電量kW·h

表5 系統(tǒng)年均總費用 元

4 結語

風光柴蓄復合發(fā)電系統(tǒng)以其獨立的供電方式，已經越來越廣泛地應用到廣大缺電的邊遠地區(qū)和無電的海島地區(qū)，整個系統(tǒng)的優(yōu)化配置和運行費用已是項目成功實施的關鍵。本論文采用能量調度策略和遺傳變異算法，對實際工程進行系統(tǒng)優(yōu)化設計，并通過全年逐時仿真運算比較，結果表明經優(yōu)化得到的系統(tǒng)配置經濟、可行。

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