多能互補微網系統仿真及經濟性評價

邵志芳，吳繼蘭，宋亦心心

(上海財經大學信息管理與工程學院，上海 200433)

1 引言

風光儲多能互補是提高可再生能源利用率的有效途徑[1]。通過優化配置風光儲微網系統中各單元容量可實現最大限度利用可再生能源出力，保障供電穩定性和經濟性[2][3]。對多能互補容量配置的研究可分為基于數學模型的方法和基于仿真的方法。其中，基于數學模型的研究是近年來的熱點。如文獻[4]考慮風電并網功率的波動性，在計及復合儲能系統投資及運行成本的基礎上，研究系統費用最小的復合儲能容量配置規模。文獻[5]以實現多類型能源協同優化、系統運行效益最優為出發點，對儲能系統容量規劃和投資效益展開研究。氫能作為儲能的一種重要形式近年來引起關注，如風電場耦合制氫系統的產能優化與經濟性評價[6][7]，結果顯示風光耦合制儲氫具有一定的經濟性。上述研究通過建立數學優化模型，采用啟發式算法獲得目標函數的最優或近優解，從而優化微網系統容量配置。然而，數學模型往往關注系統的輸入和輸出，系統運行過程以及運行異常情況無法予以描述，從而對結果造成影響。

近年來，仿真方法用于能源經濟的研究開始零星出現，如文獻[8]采用系統動力學仿真方法，將綜合效益評價指標及其影響因素置于資源、經濟、環境、社會四個子系統，探究各子系統的因果反饋關系，動態分析未來20年風-電-氫能源系統綜合效益。文獻[9]利用Aspen Plus 9.0軟件對一個風光耦合制儲氫系統進行仿真分析。文獻[10]采用自行開發的基于整數二次規劃的仿真工具E-OPT對風/光/火/儲多能互補系統不同儲能技術進行經濟性分析，從而優化多能系統配置和運營。但上述研究并未考慮項目運行期間的設備管理、設備性能提升及技術進步情況。

傻姑繼續在垃圾堆里翻找。范堅強從車廂里找到一個蘋果，蔫得像八十歲老人的臉，他拿著蘋果朝傻姑走去，笑著說：“來，給你。”

本文對風力發電機、光伏電池組、電解槽、蓄電池、燃料電池等組件組成的微網系統運行過程進行模擬，采用多智能體仿真技術模擬微網內設備正常運行、隨機故障、設備維護、性能衰退等現象。模型進一步考慮了技術進步的影響，關鍵設備可根據技術進步情況做出智能更新決策。通過建立多能互補微網系統運營過程仿真模型，可視化顯示系統實時運行情況，并提供系統年度運營數據，對微網配置進行經濟性評價，同時可通過方便的參數化實驗對微網系統進行優化，為項目實施決策提供支持。

2 多能互補微網系統結構

本文所涉及的多能互補微網系統主體框架如圖1所示，包括風力和光伏發電系統、用戶負荷、電化學儲能系統、電解制氫系統、燃料電池發電系統、逆變器及其它輔助設施、電網。

模型使用FCFF(自由現金流)折現來計算項目凈現值。

圖1 多能互補微網系統

3 系統運營仿真模型

3.1 多能互補微網運行流程

多能互補微網系統運行邏輯如下：將實時的風光數據輸入風力發電機和光伏發電系統模型參數中，獲得系統實時發電量，將發電量與用戶負荷進行匹配，進行蓄電池充放電、電解槽工作情況、燃料電池放電情況的判斷，獲得售電量、產氫量、售氫量等數據，計算年收入。同時設置智能體狀態變遷，使之存在正常運行、維護、更換、技術進步等情況，統計不同情況出現的運行維護費用，統計各項成本，計算每年的凈收入，從而獲得凈現值。基于AnyLogic仿真平臺建立的微網運行流程模型如圖2。

圖2 微網系統運行流程模型

3.2 基于多智能體仿真的設備管理模型

將風力發電機、光伏電池組、蓄電池組、燃料電池組、電解槽、輔助設備等抽象為智能體，其行為規則均遵從設備基本管理策略，包括正常運行、定期維護、設備故障、設備衰減、設備更新，各類行為規則如下。

3.2.1 正常運行

該狀態下，設備以理想狀態運行，設備各項參數均為其全新狀態下參數。

3.2.2 定期維護

為維持設備的正常運行，需要對每臺設備定期維護和保養。模型中每臺設備均單獨決策其是否需要維護保養，有其單獨的維護保養記錄。在維護期間，設備停止運行，相關模塊產能或容量受限。維護完成后記錄維護保養的開始時間、結束時間和維護費用，同時在年末將維護費用計入每年的生產成本中。

3.2.3 設備故障

在橋上筑起亭臺樓閣，是為了給行人一個暫避風雨和歇腳觀景的地方。徽州屬亞熱帶季風氣候，濕潤，多雨水，尤其春夏兩季，天氣變化更是無常，前腳出門還晴著，后腳出門就下起雨來。

所有設備均會有一定概率出現故障。在實際運行中，故障的出現是隨機的，但其故障率可以根據歷史數據估算得出。模型為不同設備設置不同的故障出現概率，且假設其出現概率隨著設備運行年限的增長而增加。

ri，n，damage=(n-1)*ri，damage+ri，1，damage

(1)

ri，n，damage為第i種設備在第n年出現故障的概率，ri，1，damage為第i種設備在第1年出現故障的概率，n為年份，ri，damage為第i種設備每年故障出現概率的增長量。

（3）地質雷達因為其快速、精確、方便的檢測特點，在工程檢測上有著其他方法不可比擬的優勢，相信隨著技術的發展，地質雷達技術會在其他檢測領域發揮更大作用。

根據每個設備出現故障的概率，可以隨機模擬每個設備的故障情況，當出現故障時，設備停止運行，相關模塊的產能或容量受到影響。若多臺同種設備同時出現故障，為了最大限度地減小其對于產能的影響，假設對所有設備同時進行維修，維修完成后設備參數恢復故障之前的狀態，記錄維修的開始時間、結束時間和維修費用，同時在年末將維修費用計入每年的生產成本中。

【美國BWX技術公司網站2018年9月27日報道】 2018年9月27日，BWX技術公司(BWX Technologies)宣布其子公司美國核燃料服務公司(NFS)已獲得一份總價值5.05億美元的高濃鈾稀釋合同。這是該公司迄今獲得的最大一份高濃鈾稀釋合同。

3.2.4 設備衰減

在實際運行中，隨著運行年限的增長，設備的性能不可避免地會出現下滑，例如風力發電機、光伏電池組的發電能力、蓄電池組的容量、電解槽的最大產氫速率、燃料電池的輸出功率等。設備是否會出現衰減是隨機的，但是在一般情況下，設備出現衰減的概率和其運行時間呈正相關關系，本文根據不同設備的實際情況為其設置衰減概率，同時假設設備衰減概率隨著運行時間線性增長。

ri，n，attenuation=(n-1)*ri，attenuation+ri，1，attenuation

(2)

ri，n，attenuation為第i種設備在第n年出現衰減的概率，ri，1，attenuation為第i種設備每年出現衰減概率的增長量。

在設備出現衰減后，對出現衰減的設備的參數進行更新，記錄其新參數，并記錄衰減出現的時間。

3.2.5 設備更新

設備的更新存在三種情況：

一是設備自然更新，所有設備均有其設計運行年限，當其達到使用年限后，為了提高生產效率、保障生產安全，需要對舊設備進行報廢處理，同時更換新設備。

二是設備崩潰，當出現設備崩潰時，設備停止運行，設備崩潰無法進行維修，或者其維修成本過高，經濟性不如直接更換設備。設備崩潰的出現服從一定的概率，且概率與設備運行時間也存在正相關關系，假設其概率隨著運行時間線性增長。

ri，n，collapse=(n-1)*ri，collapse+ri，1，collapse

(3)

ri，n，collapse為第i種設備在第n年崩潰的概率，ri，collapse為第i種設備崩潰概率每年的增長量。當設備出現崩潰時，對舊設備進行報廢處理，同時更換新設備。

2015年8月至2017年6月我院脊柱外科采用PVP治療椎體壓縮骨折患者105例,其中男性19例,女性86例,年齡45歲至97歲,平均69歲;所有患者術前均行MRI檢查,提示新鮮骨折椎體132個,所有患者病椎術中均采用負壓狀態下同軸取材法采集標本,所采集標本進行病理檢查,取材后常規行椎體成形術。

三是設備衰減過大，在極端情況下，設備出現劇烈衰減，其運行參數過分惡化，繼續使用該設備由于效率過低已經不存在經濟性，此時對舊設備進行報廢處理，同時更換新設備。

當設備進行更新時，停止設備運行，相關模塊產能或容量受到影響，更新完成后設備參數恢復全新狀態。每臺設備更新完成后，記錄其更新開始時間、結束時間和更新成本，同時將更新成本計為新的設備成本進行折舊攤銷，將更新成本進行銷項稅抵扣，將舊設備未計提折舊的賬面價值與其殘值(若存在)進行抵消，差額計入資產減值損失，每年末轉入生產成本。

3.3 關鍵設備運營優化

電解槽、蓄電池作為風光儲微網系統的關鍵設備，其性能與成本對于項目凈現值有著直接影響。除了基本管理策略外，模型為這些關鍵設備設置了額外的運營優化策略，研究在實際情形下設備的運行策略與邏輯，并分析各種情況對于項目凈現值的影響。

3.3.1 技術進步

在現實社會中，電解槽、蓄電池等關鍵設備的技術在飛速發展，本文中設定的項目運營期為20年，故很有可能會出現技術進步的情況。當出現技術進步時，新設備的成本、效率、容量等參數出現變化，模型對技術進步出現的概率進行模擬，假設存在低、中、高三種技術進步的情況，每種技術進步出現的概率均隨著時間的增長而增加。

ri，m，n，increase=(n-1)*ri，m，increase+ri，m，1，increase

(4)

ri，n，increase為第i種設備在第n年出現第m種(高、中、低)技術進步的概率，ri，m，1，increase為第i種設備在1年出現第m種(高、中、低)技術進步的概率，ri，m，increase為第i種設備每年出現第m種技術進步概率的增長量。

當某種設備出現技術進步時，模型記錄該設備出現技術進步的時間和類型。

FCFF為自由現金流；EBIT為息稅前利潤；D&A為折舊與攤銷，模型中將其單獨列支；CAPX為資本性支出，本文僅考慮設備更新的資本性支出；NWC為凈營運資本變動，本文中指本期流動資產和流動負債的差值與上期流動資產和流動負債的差值之差。

除前述設備更新策略外，電解槽等關鍵設備還會根據技術進步情況智能決策是否進行更新。當出現技術進步時，關鍵設備的成本、效率、容量等參數均會優化，此時模型需要對是否更換設備做出決策。模型主要以經濟性為考慮目標，對三種設備分別設置智能更新策略：

1)電解槽：電解槽的主要設備參數為其能量轉化效率和最大產氫速率，當出現技術進步時，這兩項參數會依據技術進步的程度出現優化。

2)蓄電池：蓄電池的主要設備參數為其充放電功率、放電深度和充放電效率，當出現技術進步時，這三項參數會依據技術進步的程度出現優化。

用電負荷數據來源于某地一年的逐時用電負荷，其典型日負荷線如圖3。

NPVrep，i≥NPV0

(5)

出現烏冰時，如烏冰面積不超過50%，或烏冰層澆薄（1cm左右），可以不破冰。如果烏冰面積較大、較厚時要打碎并撈出烏冰，使越冬池重結明冰。

(6)

(7)

NPVrep，i為更新設備后項目運行二十年的凈現值，其中n為原有設備運行的年份，CPT0原來所有設備的初始投資成本，RV為原來所有設備的殘值，(T-n)(CPTi-RVi)/T為被替換的第i種設備多余的價值，deprep，i為替換后的第i種新設備每年的折舊額，FCFFt為項目每年的收入，其中前n年根據實際運營情況計算。第n年之后設備更新，FCFFrep為更新設備之后每年的收入，采用估算值，即利用前n年的風力、光照、用戶負荷數據，代入新的設備參數中進行計算，得出前n年每年的收入，計算其平均值，用求得的平均值來估算第n年之后每年的收入。WACC為加權平均資本成本。

sales為電力和氫氣氧氣的銷售收入；Tvat為增值稅率；cost為生產成本；Cm為原材料成本，這里只考慮純化水的費用；因為原材料進項稅可以抵扣，故實際生產成本為cost-Cm*Tvat；S&M為銷售和管理費用。

當估算的更新后項目凈現值大于未更新項目的凈現值時，設備進行更新。

4 多能互補系統經濟性評價

4.1 經濟性評估

B公司對經銷商的業績評估十分匱乏，也就更談不上風險預警。近幾年，B公司的東北市場上出現過經銷商通過召開訂貨會收取終端門店貨款，但未履行發貨義務，持貨款跑路現象，導致公司品牌形象受到負面影響。分析其原因有如下兩點：

FCFF=EBIT(1-Tc)+D&A-CAPX-NWC

(8)

3.3.2 智能更新策略

EBIT=sales(1-Tvat)+Cm*Tvat-

(9)

NPV0為未更新設備項目運行二十年的凈現值，與NPVrep，i的計算類似，前n年的收入依據設備的實際運行情況計算，第n年之后，用前n年的平均收入來估算FCFFt，ave，其代表第n年之后每年的收入，以此來計算最終的凈現值。

EPG(t)Prices(t))Δt+NhsPriceh

(10)

cost-S&M-D&A

本書取材自《西游記》。楊志成以剪紙繪畫和布藝拼貼的形式，配合精煉、易懂的語言，重新呈現中國文化的豐富內涵，在歐美各國獲得多項大獎，被譽為“有強大情感力量的東方繪本”、“眼睛、心智、靈魂的盛宴”。 驚艷西方世界的同時，也為我們中國的孩子帶來全新的視角和想象力，來欣賞自己的傳統文化。

(11)

Nhs為年產氫量，Priceh為每標準狀態立方米氫氣的價格，T為8760小時。本文考慮動態電價對于凈現值的影響，DPS(t)為t時刻未被滿足的用戶負荷，EPG(t)為t時刻系統不能消納的電力，Pricee(t)為t時刻售電給用戶的電價，Prices(t)為t時刻向電網售電的電價。ηwh為生產單位體積標準狀態立方米氫氣所消耗的純化水體積，Pricew為單位體積純化水的價格，Priceb(t)為t時刻向電網購電的電價。

通過閱讀該繪本，可以了解樹和木頭的區別和變化關系、木頭腐化的過程，并且可以認識真菌（fungi）、蘑菇（mushroom）等和森林樹木相關的系列動植物名詞。當這些單詞是生詞，造成閱讀障礙時，讀者可以通過配圖來猜測獲知相應單詞的指向和意義，從而順利解決閱讀障礙，進而在后續的重復出現中進行鞏固，加深詞匯認知圖示的建立。

專業教育干預促進了社區藥師的道德推理能力的發展；評估加利福尼亞州藥學和醫學生的飲食和生活習慣；藥學生領導行為激勵因素的定性研究；提高藥學生健康素養和自信心的互動式多元化途徑；學生焦慮程度與考試合格率負相關；藥學前工作經驗對學生藥師職業認同的影響；學術道德，對于藥學生的誠信教育；改善藥學生的睡眠質量；職業機密性要求；健康知識與學習成績的關系；學生對溝通技巧的自我評估與教師對他們溝通技巧評估結果的比較。主要關注的是藥學生的身體和心理健康、學術道德、同情心、領導力的發展以及職業認同感。

CPT0=CPTpv+CPTWT+CPTE+CPTB+CPTFC+CPTAE

(12)

CPTpv為光伏電池組成本，CPTWT為風力發電機成本，CPTE為電解槽成本，CPTB為蓄電池成本，CPTFC為燃料電池成本，CPTAE為輔助設備成本。

由以上各式，可以得出項目的凈現值如下

(13)

4.2 社會效益分析

社會效益分為財政收入和環境保護收入，其中財政收入為所得稅收入和增值稅收入之和。環境保護收入分為兩部分：

退休安置指符合退休條件的煤礦職工依法辦理退休手續。內部退養是指截至2017年12月31日，距法定退休年齡（含特殊工種退休年齡）5年以內且養老保險繳費年限滿15年的（含退養結束時滿15年）職工自愿申請，企業同意，雙方簽訂內部退養協議。分流安置是指總公司下屬子公司或分支機構，根據需求提供工作崗位，員工自愿申請選擇競崗，被用工單位錄用的員工，其工作年限連續計算，不給予經濟補償。解除（終止）勞動合同是指公司根據相關法律、法規的規定，與職工解除勞動關系，企業依法支付經濟補償③。

一是將供給至用戶需求側的電力等效轉換成火電，計算在同等條件下火力發電需要排放的污染物，統計污染物的治理成本，計入環境收入

(14)

Rel為同等條件下火力發電需要的環境治理成本，Pfire，Pollution為單位火電需要的環境治理成本。

二是將售出的氫氣轉換成等能量的煤炭，計算燃燒這些煤炭所排放的二氧化碳和污染物，統計其治理成本，計入環境收入

Rh=Nhs×ηh，c×Pcoal，Pollution

(15)

Rh為燃燒與所售出氫氣等能量的煤炭所需要的環境治理成本，包括碳稅和污染物治理成本，Nhs為年氫氣銷售量，ηh，c為單位標準狀態下氫氣按能量折算為煤炭的折算率，Pcoal，Pollution為單位質量煤炭的環境治理成本。

瑞金最重要的通航河道是綿江，沿綿江和貢水可達赤白交界的贛縣江口口岸。江口是赤白區物資交流的重要口岸，因而確保綿江通航順暢十分重要。綿江從縣城到城西30來里的武陽一段，河道中一些大小不一的巖石，妨礙船舶航行及安全，其中尤以靠近武陽號稱“三穴石”的為害最大。劉少奇了解到這個情況后，指示王賢選抓緊組織人力，炸掉“三穴石”。

5 模型運行與結果分析

5.1 輸入數據處理

當出現技術進步時，遵循以下原則進行判斷

圖3 典型負荷線

將上述負荷數據按等比例調整，獲得微網用電負荷數據，調整后用電負荷峰值為11MW。風速數據來源于某地氣象觀測站的一年的逐時風速數據，該地位于東經115°81’、北緯37°13′。該地區的逐時太陽輻射強度數據利用Meteonorm軟件獲得。設置模型運行時間為20年。

5.2 運行結果分析

1)項目凈現值分析

圖4 項目累計凈現值折線圖

從圖4可知，項目運行20年的凈現值為19460萬元，該值與同等條件下的運籌學模型結果相比有所下降，主要原因是設備管理模型考慮了設備故障、維修、更換等，這些狀態對設備有兩方面影響：一是部分設備不能以最佳狀態運行，產能出現下滑，降低了設備的利用率，減少年度收入；二是設備會有額外的維修、更換費用，增加年度支出。

本文實現了運用TMS320F2812芯片并根據規則采樣法獲取頻率可調的SPWM波形的方法，按照恒壓頻比控制算法控制異步電動機運行，設計的通用變頻器輸出從0～100 Hz，驅動三相異步電動機平穩調速，測試結果表明：系統硬件設計可靠。應用PS12034功率模塊設計制作變頻器，具有硬件電路設計規模小、調試簡單、電磁兼容性以及抗干擾能力強、變頻系統運行穩定、系統開發周期短等優勢，選用PS12034功率模塊設計通用變頻器具有較強的實際應用價值。

2)項目年效益分析

從圖5可以看出，項目的年售氫收入和售電收入基本保持穩定，售氫收入呈下降趨勢，售電收入呈上升趨勢，主要源于模型假設用戶負荷逐年上升。年凈現金流入基本保持穩定，但是在第15年的時候出現劇烈下滑，原因是隨著設備運行年限的上升，第15年與第16年出現了大量設備需要更換，導致設備更新費用支出劇增，從而影響了當年的凈現金流入。

圖5 項目年收入

從圖6可以看出，項目的年環境效益維持在1300萬元左右，年納稅額基本維持在2000萬元以上，只有在第15年、第16年因為收入的減少才低于2000萬元。

圖6 項目社會效益

3)設備運行分析

圖7 燃料電池及電解槽利用率

圖7-圖8列示了每年燃料電池、電解槽、風力發電機的利用率。可以看到，燃料電池利用率始終處于5%以下，基本處于閑置狀態，說明目前技術條件下，微網配置燃料電池發電單元經濟性較差。電解槽利用率呈逐年下滑趨勢，主要原因是用戶負荷的增長使得可用來電解水制氫的電量減少。風力發電機利用率始終維持在80%以上，利用率保持穩定。

圖8 風力發電機利用率

5.3 技術進步影響

圖9顯示當存在技術進步時，項目的某次運行結果凈現值為22701萬元，優于不存在技術進步時的情況。模型每次運行時技術進步情況均不同，模型假設高中低三種技術進步出現的概率為萬分之五、千分之一、千分之一點五，且每種設備最多只能出現一次技術進步。實際運用中可根據實際情況，調整模型中參數，對技術進步的影響進行分析，若技術進步幅度更大，可獲得更優的凈現值。

圖9 存在技術進步時凈現值

6 結論

本文基于AnyLogic平臺，采用流程仿真和多智能體仿真技術建立多能互補微網運營仿真模型，對系統配置和經濟性進行研究。通過分析得到以下結論：

1)通過仿真技術對多能互補微網系統進行運營仿真，可以根據不同地區的風速、光照、負荷等數據快速獲得該地20年微網運營數據和經濟性評價數據，為項目實施提供決策依據。

2)算例表明，在合理的設備故障、崩潰率以及維修、更新費用下，系統仍具有較好的經濟效益。同時使用者可以根據實際情況對設備參數進行調整，包括故障率、衰退率、維修費用、更新費用等，并根據更新后的參數獲取項目凈現值。

3)技術進步具有極大的不確定性，在考慮技術進步的情況下，系統可以以更高的效率、更低的維護費用運行，項目將獲得更優的凈現值。

目前新能源行業的技術還有很大發展空間，關鍵設備如蓄電池、電解槽、燃料電池等的技術仍待進步，增加對新能源領域技術的研發投入，發展能量轉化效率更高、成本更低的新能源設備，在提升系統經濟性的同時，對于可再生能源利用率的提升，對于新能源行業的發展，對于環境保護事業的推動，都有著重要意義。