本發(fā)明屬于一種光伏系統(tǒng)的容量配置方法，屬于獨(dú)立光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于以電動(dòng)機(jī)為主要負(fù)荷的特殊場景，對其各個(gè)DG源進(jìn)行優(yōu)化配置，具體涉及改進(jìn)的NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化算法和光伏獨(dú)立系統(tǒng)功率平衡。

背景技術(shù)：

風(fēng)光等分布式能源發(fā)電功率受環(huán)境影響具有波動(dòng)性和間歇性，并網(wǎng)時(shí)會(huì)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成較大的影響。微網(wǎng)作為該問題的解決方案得到各國不斷深入的研究。微網(wǎng)有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)脫離電網(wǎng)而獨(dú)立工作。獨(dú)立光伏微網(wǎng)系統(tǒng)在獨(dú)立海島或移動(dòng)交通設(shè)備等沒有電網(wǎng)支撐的特殊場景發(fā)揮重要作用。獨(dú)立光伏微網(wǎng)系統(tǒng)在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)充分利用太陽能清潔能源，減少負(fù)荷對柴油發(fā)電機(jī)的功率需求，從而減少燃油的消耗進(jìn)而減輕對環(huán)境的污染。

獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置是系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的主要內(nèi)容，對保證系統(tǒng)投資成本、供電可靠性等方面有重要的指導(dǎo)意義。目前，對于獨(dú)立微網(wǎng)容量優(yōu)化配置研究主要以光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)等之間的配合為主。文獻(xiàn)1《獨(dú)立光伏系統(tǒng)光儲(chǔ)容量優(yōu)化配置方法》以獨(dú)立風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合成本費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，研究了系統(tǒng)中各個(gè)電源在給定調(diào)度策略下的最優(yōu)容量配置方法。文獻(xiàn)2《獨(dú)立海島微網(wǎng)分布式電源容量優(yōu)化設(shè)計(jì)》考慮獨(dú)立微網(wǎng)中可再生能源的能量溢出浪費(fèi)現(xiàn)象，加入能量溢出比為指標(biāo)研究獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置問題。文獻(xiàn)3：Optimal sizing of a grid independent hybrid renewable energy system incorporating resource uncertainty,and loaduncertainty(Maleki A,Khajeh M G,Ameri M.Optimal sizing of a grid independent hybrid renewable energy system incorporating resource uncertainty,and load uncertainty[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2016,83:514-524.即結(jié)合資源和負(fù)載不確定性的風(fēng)光獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置，國際電力與能源系統(tǒng)期刊，2016年4月30日)，即在滿足負(fù)荷要求的前提下配置風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池板和蓄電池的容量，提出一種混沌自適應(yīng)進(jìn)化算法求解獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性、清潔能源浪費(fèi)率和系統(tǒng)成本的多目標(biāo)優(yōu)化問題。

以上微網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法未考慮不同特性的負(fù)荷對容量配置的影響，在面對電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載時(shí)，需要充分考慮容量的余量以保證面對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，制動(dòng)或故障等特殊情況時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。NSGA-II多目標(biāo)進(jìn)化算法通過計(jì)算種群中每個(gè)個(gè)體的擁擠距離，選取擁擠距離值大的個(gè)體優(yōu)先進(jìn)入下一代種群，雖然能保持較好的多樣性，但是存在分布度好的個(gè)體被淘汰而分布度不好的個(gè)體被留下，且存在跳出實(shí)際取值范圍的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有微網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法未考慮不同特性的負(fù)荷對容量配置的影響、無法滿足用戶用電需求的同時(shí)減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的不足,本發(fā)明提供了一種滿足用戶用電需求的同時(shí)減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)容量配置方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)容量配置方法，所述方法包括以下步驟：

第一步，確定獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括光伏電源、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向潮流逆變器和以電動(dòng)機(jī)為主的負(fù)載系統(tǒng)，其中，光伏電源作為主電源，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為輔助電源，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，

第二步，設(shè)定獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)能量控制策略：

柴油發(fā)電機(jī)作為主從控制策略的主電源時(shí)，其輸出功率要大于最小出力水平，若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和無法滿足負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)增加輸出功率補(bǔ)充不足能量；

柴油發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主從控制策略的主電源，若光伏輸出功率超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，選擇啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)切換主副電源。

另外在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)前保證蓄電池有充足的能量，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)短時(shí)支撐起啟動(dòng)，并在啟動(dòng)的同時(shí)增加柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，保持供需功率平衡；

第三步，建立優(yōu)化配置模型：包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)包括微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的最小成本、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年充放電次數(shù)最少和柴油發(fā)電機(jī)年油耗量最少；約束條件包括光伏輸出功率約束、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自身約束、柴油發(fā)電機(jī)輸出功率約束和微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡約束；

第四步，輸入獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

輸入的參數(shù)包括：環(huán)境參數(shù)、光伏電源參數(shù)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)、柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)和負(fù)荷參數(shù)；

第五步，依據(jù)建立的優(yōu)化配置模型采用改進(jìn)NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法求得最優(yōu)解集，分析所述最優(yōu)解集，對每個(gè)解的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配來計(jì)算得到最終配置結(jié)果。

進(jìn)一步，所述第五步中，配置過程如下：

5.1)利用第三步中的約束條件產(chǎn)生規(guī)模為M的初始種群，每個(gè)初始化個(gè)體的變量為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量和柴油發(fā)電機(jī)額定功率。

5.2)對于所述每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)并依據(jù)其計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行快速非支配排序形成第一代種群；

5.3)對于第一代種群進(jìn)行雙點(diǎn)交叉、變異操作，產(chǎn)生新父種群，利用新父種群的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合NSGA-II中的擁擠距離計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而通過快速非支配排序選擇規(guī)模為M的下一代種群；

5.4)重復(fù)對第一代種群的操作過程，直到達(dá)到設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)或者種群所有個(gè)體的適應(yīng)度都達(dá)到設(shè)定值時(shí)結(jié)束算法，得到Pareto最優(yōu)解集；

5.5)分析得出的最優(yōu)解集，對每個(gè)解的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配來計(jì)算得到最終配置結(jié)果。

再進(jìn)一步，所述第三步中，目標(biāo)函數(shù)如下：

微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本最小，微網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成本其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

F₁＝min(C_S+C_M)

式中，C_S為微網(wǎng)系統(tǒng)的各DG源成本；C_M為微網(wǎng)的安裝成本；C_S的計(jì)算公式如下：

C_S＝k_BE_B+k_DP_D+k_PVP_PV

式中E_B為蓄電池儲(chǔ)能額定容量；P_D為柴油機(jī)的額定功率；P_PV為光伏組件總功率；k_B為蓄電池儲(chǔ)能能量成本系數(shù)；k_D為柴油機(jī)的功率成本系數(shù)；k_PV為光伏組件的功率成本系數(shù)；光伏組件的容量是由安裝環(huán)境決定的固定最大值，在計(jì)算時(shí)其成本和安裝成本作為常量不計(jì)入公式中，將上述的成本目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：

minF₁＝f(E_B,P_D)＝k_BE_B+k_DP_D

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年消耗壽命最少：考慮蓄電池的充放電次數(shù)及每次充放電深度，以年消耗壽命來表示，其表達(dá)式為：

式中，T_res為蓄電池年消耗壽命占總使用壽命的百分比；K_D(i)為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度為D(i)時(shí)的循環(huán)壽命；

柴油發(fā)電機(jī)年燃料消耗量最少，其表達(dá)式為：

式中，V_F(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的燃料消耗量；P_D(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，范圍在零到額定功率之間；P_R為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率；α，β為燃料曲線系數(shù)。

更進(jìn)一步，所述第三步中，約束條件如下：

光伏輸出功率約束：光伏的輸出功率受光照，溫度等環(huán)境因素的影響，其輸出功率P_PV(t)滿足：0≤P_PV(t)≤P_STC；

蓄電池荷電狀態(tài)及充放電功率約束：

式中，SOC_min和SOC_max分別為設(shè)定蓄電池剩余容量的最小值和最大值，P_d(t)為t時(shí)刻蓄電池的充電功率，P_c(t)為t時(shí)刻蓄電池的放電功率，c_k為蓄電池最佳放電倍率；

柴油發(fā)電機(jī)輸出功率約束：

P_Dmin≤P_D(t)≤P_Dmax

式中，P_Dmax為柴油機(jī)的最大輸出功率，P_Dmin為柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小輸出功率，單位為kW。。

系統(tǒng)功率平衡約束：

式中，P_L(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷的總用電需求量；P_M(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)正常工作功率；P_Mst(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)最大功率，c_kmax為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大放電倍率。

所述第四步中，環(huán)境參數(shù)輸入包括環(huán)境溫度參數(shù)和光照參數(shù)；光伏電源參數(shù)輸入包括光伏組件的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)輸入包括蓄電池的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)輸入包括柴油發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)、成本參數(shù)和功率限制；負(fù)荷參數(shù)輸入包括所有負(fù)荷的全年所需功率曲線和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的短時(shí)功率。

所述第一步中，光伏電源通過并網(wǎng)逆變器接到交流總線；柴油發(fā)電機(jī)直接輸出三相交流電；雙向潮流逆變器連接交流總線和直流總線；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量可以直接給直流負(fù)載供電也可通過雙向潮流逆變器給交流負(fù)載供電；負(fù)荷主要是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，其他的負(fù)荷包括燈及直流負(fù)荷。

本發(fā)明中，把電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對獨(dú)立微網(wǎng)的沖擊轉(zhuǎn)換為優(yōu)化配置模型中約束條件，結(jié)合實(shí)際光伏工程項(xiàng)目建設(shè)方案建立配置模型。利用改進(jìn)的NSGA-II多目標(biāo)進(jìn)化算法來解決優(yōu)化配置問題。改進(jìn)的NSGA-II利用適應(yīng)度值和擁擠距離兩種指標(biāo)進(jìn)行快速非支配排序，避免了解值跳出范圍及過早收斂問題，同時(shí)尋求全局最優(yōu)解。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：以對獨(dú)立光伏微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃中的分布式電源容量進(jìn)行優(yōu)化配置，特別是在微網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的特殊場景中。根據(jù)光伏系統(tǒng)工程實(shí)際情況，采用多目標(biāo)、多約束條件，求得最優(yōu)解集，依據(jù)最優(yōu)解集選擇最佳容量配置結(jié)果，已達(dá)到充分利用太陽能資源，合理使用蓄電池儲(chǔ)能功能，減少化石燃料消耗，滿足用戶用電需求的同時(shí)減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。。

附圖說明

圖1為獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2為基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化配置流程圖。

圖3為優(yōu)化配置方法的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)容量配置方法，所述方法包括以下步驟：

第一步，確定獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括光伏電源、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向潮流逆變器和以電動(dòng)機(jī)為主的負(fù)載系統(tǒng)，其中，光伏電源作為主電源，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為輔助電源，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，

第二步，設(shè)定獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)能量控制策略：

柴油發(fā)電機(jī)作為主從控制策略的主電源時(shí)，其輸出功率要大于最小出力水平，若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和無法滿足負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)增加輸出功率補(bǔ)充不足能量；

柴油發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主從控制策略的主電源，若光伏輸出功率超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，選擇啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)切換主副電源。

另外在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)前保證蓄電池有充足的能量，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)短時(shí)支撐起啟動(dòng)，并在啟動(dòng)的同時(shí)增加柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，保持供需功率平衡；

第三步，建立優(yōu)化配置模型：包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)包括微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的最小成本、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年充放電次數(shù)最少和柴油發(fā)電機(jī)年油耗量最少；約束條件包括光伏輸出功率約束、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自身約束、柴油發(fā)電機(jī)輸出功率約束和微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡約束；

第四步，輸入獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

輸入的參數(shù)包括：環(huán)境參數(shù)、光伏電源參數(shù)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)、柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)和負(fù)荷參數(shù)；

第五步，依據(jù)建立的優(yōu)化配置模型采用改進(jìn)NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法求得最優(yōu)解集，分析所述最優(yōu)解集，對每個(gè)解的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配來計(jì)算得到最終配置結(jié)果。

進(jìn)一步，所述第五步中，配置過程如下：

5.1)利用第三步中的約束條件產(chǎn)生規(guī)模為M的初始種群，每個(gè)初始化個(gè)體的變量為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量和柴油發(fā)電機(jī)額定功率。

5.2)對于所述每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)并依據(jù)其計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行快速非支配排序形成第一代種群；

5.3)對于第一代種群進(jìn)行雙點(diǎn)交叉、變異操作，產(chǎn)生新父種群，利用新父種群的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合NSGA-II中的擁擠距離計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而通過快速非支配排序選擇規(guī)模為M的下一代種群；

5.4)重復(fù)對第一代種群的操作過程，直到達(dá)到設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)或者種群所有個(gè)體的適應(yīng)度都達(dá)到設(shè)定值時(shí)結(jié)束算法，得到Pareto最優(yōu)解集；

5.5)分析得出的最優(yōu)解集，對每個(gè)解的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配來計(jì)算得到最終配置結(jié)果。

再進(jìn)一步，所述第三步中，目標(biāo)函數(shù)如下：

微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本最小，微網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成本其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

F₁＝min(C_S+C_M)

式中，C_S為微網(wǎng)系統(tǒng)的各DG源成本；C_M為微網(wǎng)的安裝成本；C_S的計(jì)算公式如下：

C_S＝k_BE_B+k_DP_D+k_PVP_PV

式中E_B為蓄電池儲(chǔ)能額定容量；P_D為柴油機(jī)的額定功率；P_PV為光伏組件總功率；k_B為蓄電池儲(chǔ)能能量成本系數(shù)；k_D為柴油機(jī)的功率成本系數(shù)；k_PV為光伏組件的功率成本系數(shù)；光伏組件的容量是由安裝環(huán)境決定的固定最大值，在計(jì)算時(shí)其成本和安裝成本作為常量不計(jì)入公式中，將上述的成本目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：

minF₁＝f(E_B,P_D)＝k_BE_B+k_DP_D

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年消耗壽命最少：考慮蓄電池的充放電次數(shù)及每次充放電深度，以年消耗壽命來表示，其表達(dá)式為：

式中，T_res為蓄電池年消耗壽命占總使用壽命的百分比；K_D(i)為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度為D(i)時(shí)的循環(huán)壽命；

柴油發(fā)電機(jī)年燃料消耗量最少，其表達(dá)式為：

式中，V_F(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的燃料消耗量；P_D(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，范圍在零到額定功率之間；P_R為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率；α，β為燃料曲線系數(shù)。

更進(jìn)一步，所述第三步中，約束條件如下：

光伏輸出功率約束：光伏的輸出功率受光照，溫度等環(huán)境因素的影響，其輸出功率P_PV(t)滿足：0≤P_PV(t)≤P_STC；

蓄電池荷電狀態(tài)及充放電功率約束：

式中，SOC_min和SOC_max分別為設(shè)定蓄電池剩余容量的最小值和最大值，P_d(t)為t時(shí)刻蓄電池的充電功率，P_c(t)為t時(shí)刻蓄電池的放電功率，c_k為蓄電池最佳放電倍率；

柴油發(fā)電機(jī)輸出功率約束：

P_Dmin≤P_D(t)≤P_Dmax

式中，P_Dmax為柴油機(jī)的最大輸出功率，P_Dmin為柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小輸出功率，單位為kW。。

系統(tǒng)功率平衡約束：

式中，P_L(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷的總用電需求量；P_M(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)正常工作功率；P_Mst(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)最大功率，c_kmax為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大放電倍率。

所述第四步中，環(huán)境參數(shù)輸入包括環(huán)境溫度參數(shù)和光照參數(shù)；光伏電源參數(shù)輸入包括光伏組件的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)輸入包括蓄電池的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)輸入包括柴油發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)、成本參數(shù)和功率限制；負(fù)荷參數(shù)輸入包括所有負(fù)荷的全年所需功率曲線和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的短時(shí)功率。

所述第一步中，光伏電源通過并網(wǎng)逆變器接到交流總線；柴油發(fā)電機(jī)直接輸出三相交流電；雙向潮流逆變器連接交流總線和直流總線；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量可以直接給直流負(fù)載供電也可通過雙向潮流逆變器給交流負(fù)載供電；負(fù)荷主要是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，其他的負(fù)荷包括燈及直流負(fù)荷。

規(guī)劃在中型船舶上建設(shè)獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)滿足船舶的電動(dòng)機(jī)，照明和直流負(fù)載的運(yùn)行，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括光伏電源、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向潮流逆變器和以電動(dòng)機(jī)為主的負(fù)荷系統(tǒng)。其中光伏電源作為主電源，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為輔助電源，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。設(shè)定船舶的電動(dòng)機(jī)額定功率為7kW，照明負(fù)載為5kW，直流負(fù)載為3kW，受船舶場地限制安裝最大光伏組件總功率為10kW；配置所需蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和柴油發(fā)電機(jī)額定功率。表1為各電源的設(shè)備成本。

表1

以下將詳細(xì)介紹圖2所示的容量配置流程，過程如下：

第一步：設(shè)定獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)能量控制策略：

柴油發(fā)電機(jī)作為主從控制策略的主電源時(shí)，其輸出功率要大于最小出力水平，若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率和柴油發(fā)電機(jī)最小出力之和無法滿足負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)增加輸出功率補(bǔ)充不足能量；

柴油發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主從控制策略的主電源，若光伏輸出功率超過負(fù)荷需求，優(yōu)先使蓄電池工作在充電狀態(tài)吸收多余能量，當(dāng)蓄電池處于最高荷電狀態(tài)時(shí)，選擇棄光平衡功率；若光伏輸出功率無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，優(yōu)先使蓄電池工作在放電狀態(tài)補(bǔ)充不足能量，當(dāng)蓄電池處于最低荷電狀態(tài)時(shí)，選擇啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)切換主副電源。

另外在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)前保證蓄電池有充足的能量，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)短時(shí)支撐起啟動(dòng)，并在啟動(dòng)的同時(shí)增加柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，保持供需功率平衡。

第二步：建立優(yōu)化配置模型：

2.1)目標(biāo)函數(shù)：

微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本最小，微網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成本其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

F₁＝min(C_S+C_M)

式中C_S為微網(wǎng)系統(tǒng)的各DG源成本；C_M為微網(wǎng)的安裝成本；C_S的

計(jì)算公式如下：

C_S＝k_BE_B+k_DP_D+k_PVP_PV

式中E_B為蓄電池儲(chǔ)能額定容量；P_D為柴油機(jī)的額定功率；P_PV為光伏組件總功率；k_B為蓄電池儲(chǔ)能能量成本系數(shù)；k_D為柴油機(jī)的功率成本系數(shù)；k_PV為光伏組件的功率成本系數(shù)；在優(yōu)化配置中，光伏組件的容量是由安裝環(huán)境決定的固定最大值，因此在計(jì)算時(shí)其成本和安裝成本作為常量不計(jì)入公式中，將上述的成本目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：

minF₁＝f(E_B,P_D)＝k_BE_B+k_DP_D

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年消耗壽命最少。

影響蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的主要因素有工作環(huán)境溫度、充放電次數(shù)以及充放電深度安放蓄電池的工作環(huán)境溫度通過溫控設(shè)備使其基本處于恒溫狀態(tài)，因此本專利主要考慮蓄電池的充放電次數(shù)及每次充放電深度。以年消耗壽命來表示，其表達(dá)式為：

式中，T_res為蓄電池年消耗壽命占總使用壽命的百分比；K_D(i)為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度為D(i)時(shí)的循環(huán)壽命。

柴油發(fā)電機(jī)年燃料消耗量最少，其表達(dá)式為：

式中，V_F(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的燃料消耗量；P_D(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率；P_R為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率；α，β為燃料曲線系數(shù)，取值α＝0.246L/kWh,β＝0.081L/kWh。

2.2)約束條件

光伏輸出功率約束：

光伏的輸出功率受光照，溫度等環(huán)境因素的影響，其輸出功率P_PV(t)

滿足：0≤P_PV(t)≤P_STC

蓄電池荷電狀態(tài)及充放電功率約束：

式中，SOC_min和SOC_max分別為設(shè)定蓄電池剩余容量的最小值和最大值。P_d(t)為t時(shí)刻蓄電池的充電功率，P_c(t)為t時(shí)刻蓄電池的放電功率，c_k為蓄電池最佳放電倍率，取值0.2；

柴油發(fā)電機(jī)輸出功率約束：

P_Dmin≤P_D(t)≤P_Dmax

式中，P_Dmax為柴油機(jī)的最大輸出功率，P_Dmin為柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小輸出功率，單位為kW。

系統(tǒng)功率平衡約束：

式中，PL(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷的總用電需求量；P_M(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)正常工作功率；P_Mst(t)為t時(shí)刻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)最大功率，c_kmax為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大放電倍率，取值1。

第三步：輸入獨(dú)立光伏拖動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)包括：

環(huán)境參數(shù)輸入包括環(huán)境溫度參數(shù)和光照參數(shù)；

光伏電源參數(shù)輸入包括光伏組件的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)輸入包括蓄電池的電氣參數(shù)和成本參數(shù)；

柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)輸入包括柴油發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)、成本參數(shù)和功率限制；

負(fù)荷參數(shù)輸入包括所有負(fù)荷的全年所需功率曲線和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的短時(shí)功率。

第四步：處理第三步中輸入的基礎(chǔ)參數(shù)，得到光伏電源年輸出功率數(shù)據(jù)，負(fù)荷年運(yùn)行數(shù)據(jù)。

第五步：依據(jù)建立的優(yōu)化配置模型采用改進(jìn)NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法進(jìn)行配置，如圖3。

5.1)利用第三步中的約束條件產(chǎn)生規(guī)模為50的初始種群，每個(gè)初始化個(gè)體的變量為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量和柴油發(fā)電機(jī)額定功率。

5.2)對于所述每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)并依據(jù)其計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行快速非支配排序形成第一代種群；

5.3)對于第一代種群進(jìn)行雙點(diǎn)交叉、變異操作，產(chǎn)生新父種群，利用新父種群的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合NSGA-II中的擁擠距離計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而通過快速非支配排序選擇規(guī)模為50的下一代種群；

5.4)重復(fù)對第一代種群的操作過程，直到達(dá)到設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)或者種群所有個(gè)體的適應(yīng)度都達(dá)到設(shè)定值時(shí)結(jié)束算法，得到Pareto最優(yōu)解集。

5.5)分析得出的最優(yōu)解集，對微網(wǎng)建設(shè)成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)年消耗壽命和柴油發(fā)電機(jī)年油耗三個(gè)目標(biāo)函數(shù)分配0.5、0.3、0.2的權(quán)重來計(jì)算得到最小結(jié)果，對應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)額定功率和儲(chǔ)能蓄電池額定容量即為最終配置結(jié)果。

在得到配置結(jié)果后，依據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)修改某些條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。獨(dú)立光伏系統(tǒng)建設(shè)中柴油發(fā)電機(jī)額定功率和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量可選擇實(shí)際采購與優(yōu)化配置結(jié)果相互匹配的容量即可。