【精选100秒】武汉大学 李天格,胡志坚,等:基于鲁棒增广e约束法的综合能源系统多目标多阶段供能优化配置方法

文摘   2024-08-30 08:01   芬兰  

《电网技术》,值得信赖的电力学术期刊


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基于鲁棒增广e约束法的综合能源系统多目标多阶段供能优化配置方法/李天格,胡志坚,谈竹奎,王扬,胡号,郝丹宁,郑琳

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2023.1866



01

研究背景




综合能源园区供能优化配置是实践现代能源体系建设、实现能源高效清洁利用的重要技术手段。目前的研究中所建立的IES模型考虑的异质能种类与能量转换设备各有不同,缺乏一个能够对各类IES普适的建模方法;在决策上,忽略IES建设时序性的规划方案易导致规划周期初各设备的利用率不高,造成资源浪费,规划周期末的设备配置不能很好适应园区内多元负荷的增长;且现有的多目标规划问题或将多目标分层次处理,或将多目标合并成单目标进行规划,难以向决策者提供全面的可选区间加以权衡,在决策流程上倒置。如何解决这类多能耦合转换模型各异、忽视建设时序性与缺乏多维目标选优上的不足的问题,实现综合能源园区多目标多阶段供能优化配置是一个值得研究的关键问题。


02

研究内容




1)园区多能耦合一般性建模。
目前的IES在多能耦合建模上大多依据耦合设备类型进行分散式建模,考虑到地区资源禀赋与园区应用类型的差异,为保证建模的一般性,本文采用一种5层能源枢纽模型,将IES中的能源转换过程划分为分配层、转换层、集中层、储能层和网络层5层,如图1所示。

图1  IES 5层能源枢纽模型的结构
所提的5层能源转换模型的结构可表示为

2)多阶段多维目标配置模型。
为实现适应于园区负荷增长需求的经济性规划,将多阶段规划方法应用到IES规划研究中,设置各类候选设备的最短寿命年限为规划周期,根据负荷增长速率灵活设定规划阶段数量,在负荷增长迅速时适当增加规划阶段数量。IES多阶段规划示意图见图2。

图2  IES多阶段规划示意图
所建模型综合考虑N年建设期内的总成本最小化、能源效率最大化、碳排放量最小化、新能源消纳最大化多个目标,便于决策者根据园区建设地域的资源禀赋、园区产业的实际需要有侧重地进行最佳建设方案的选取。
3)AUGMECON-R。
作为e约束法变体的AUGMECON-2被广泛应用于求解多目标线性规划问题,其通过受约束的目标函数的松弛变量的信息,避免了无效迭代,从而提升求解速度。但其要求目标函数系数必须是整数,且Pareto集的最低点须是已知的。
为提升算法的通用性,AUGMECON-R基于AUGMECON-2的旁路系数概念,通过将尽可能多的旁路系数作为目标函数纳入模型。区别于AUGMECON-2仅在最内环循环中有旁路系数,AUGMECON-R则在每个外环均有有效的旁路系数。AUGMECON-R的算法流程图如图3所示。

图3  AUGMECON-R算法流程图
4)算法效率对比。
为体现本文所提多目标求解方法的优越性,结合另外两种传统多目标计算方法同样计算华北区域负荷增长先快后慢型工业园区规划的Pareto解:
①基准方法。AUGMECON-R+Gurobi求解器。
②对比方法1。NSGA-Ⅱ算法,种群数200,迭代次数上限300代。
③对比方法2。AUGMECON-2+Gurobi求解器,参数与基准方法一致。
计算效率统计如表1所示。
表1  算法对比结果

在计算时间上,对比方法1中,由于NSGA-Ⅱ的种群生成方法难以保证单次生成的种群符合较大规模的约束条件,故而此方法容易陷入生成足量有效种群的长时间运算循环中,导致运算效率低下,且后续通过罚函数法淘汰不可行解的过程难以保证最终有效解的数量。另外,NSGA-Ⅱ是一种启发式优化算法,不能保证大规模问题的全局最优解的获取,求解质量上也劣于本文所提方法。由此,对比方法1在求解质量上不符合实际工程需要。
基准方法计算用时相比对比方法2具有较大优势,这得益于AUGMECON-R通过引入标志数组和纯优化概念,避免了各层循环中对同解问题与不可行问题的不必要计算;而AUGMECON-2仅能避免最内层循环中的相应不必要计算。



03

研究结论




本文提出了一种基于AUGMECON-R的综合能源园区多目标多阶段供能优化配置方法,用于解决考虑多维目标的综合能源园区灵活供能优化配置问题。仿真结果表明:

1)所提5层能源枢纽模型使本方法具有良好的通用性与可拓展性,能适用于解决不同地区资源禀赋、不同类型园区、不同负荷增长速率、不同候选设备类别以及不同多目标偏好下的园区优化配置问题。
2)多阶段规划能够克服传统单一阶段规划造成的运营前期超前投资、资源闲置,运营后期可能的供能缺口等问题,在规划方案上更具合理性。
3)模型线性下,AUGMECON-R能够保证所求解集为全局最优Pareto解集,且求解时间大大降低,具有求解质量与求解效率上的优势;所提Pareto解集取优策略也能可靠地选取适合园区建设偏重的配置结果。


04

后续研究方向或讨论话题




未来的研究中,将进一步发掘IES供能设备参与日内–实时灵活供能调节的潜力,以提升本文所提优化配置方法的应用性。



参 文 格 式



李天格,胡志坚,谈竹奎,等基于鲁棒增广e约束法的综合能源系统多目标多阶段供能优化配置方法[J]电网技术,2024,48(7):2723-2733

LI Tiange, HU Zhijian, TAN Zhukui, et alMulti-objective and multi-stage energy supply configurationmethod for integrated energy system based on AUGMECON-R[J]Power System Technology,2024,48(7):2723-2733(in Chinese)



相关文献扩展阅读

刘妍,胡志坚,陈锦鹏,等含碳捕集电厂与氢能多元利用的综合能源系统低碳经济调度[J]电力系统自动化,2024,48(1):31-40


李天格,胡志坚,陈志,等计及电-气-热-氢需求响应的综合能源系统多时间尺度低碳运行优化策略[J]电力自动化设备,2023,43(1):16-24




团队介绍

胡志坚教授团队目前包括教授1名、副教授2名、博士研究生4人,硕士研究生8人。团队主要研究方向包括:1)低碳能源系统规划;2)低碳能源系统优化调度;3)大电网安全稳定分析控制技术;4)输电线路参数带电测量等。
团队近年来先后主持和参与完成国家自然科学基金及40余项横向科研课题,目前在研项目包括:国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划课题、国网公司科技项目、南网公司科技项目等。团队在国内外刊物上发表学术论文200余篇,其中SCI、EI检索论文160余篇。出版学术专著3部、大学教材2部,授权发明专利41项,获计算机软件著作权9项,参与制定1项IEEE国际标准,获得省部级科技进步一等奖2项﹑二等奖2项﹑三等奖3项﹑中国专利优秀奖1项。




作者简介


李天格,男,博士研究生,研究方向为综合能源系统的规划与运行优化。E-mail:tiangeli_whu@163.com。




胡志坚,男,通信作者,教授,博导。主要从事新型电力系统运行控制与优化调度研究、输电线路参数带电测量研究等。主持和参与完成国家自然科学基金﹑教育部博士点基金、国家重点实验室开放基金及四十多项横向科研项目;发表SCI、EI收录论文160余篇;出版学术专著3部。E-mail:zhijian_hu@163.com。



任编辑:徐梅

审核:李兰欣

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