园区综合能源系统容量优化配置全流程解析:从业务逻辑到 MATLAB 实现

发布于:2025-05-18 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

一、项目背景与核心目标

在 “双碳” 目标驱动下,园区综合能源系统通过多能互补实现能源高效利用成为主流趋势。本文聚焦于一个典型园区能源系统的规划设计问题,该系统包含光伏发电、风力发电、储能电池和三联供系统(由燃气轮机、余热锅炉、热交换器及溴化锂制冷装置组成)四大单元,需共同满足用户的冷、热、电三类负荷需求。核心任务是在项目建设前,通过数据驱动的优化算法确定各单元的容量配置,在满足负荷需求的前提下最小化投资成本,并通过可视化工具直观展示优化结果。

二、系统单元构成与基础模型

2.1 三联供系统:多能协同的核心枢纽

三联供系统通过燃气轮机发电,同时回收余热用于供热和制冷,实现 “热电冷联产”。其关键参数如下:

  • 投资成本:1 万元 / KW(按系统总容量计算)
  • 效率参数
    • 溴化锂制冷装置效率:0.7(冷负荷与输入热量的比值)
    • 热转换器效率:0.9(热负荷与输入热量的比值)
    • 余热锅炉效率:0.8(热量转换效率)
    • 热电比:3.5(燃气轮机发电功率与余热锅炉热量的比值)
  • 出力模型
    • 余热锅炉出力 = 冷负荷 / 0.7 + 热负荷 / 0.9
    • 系统容量 = 余热锅炉出力 / 0.8 × 4.5
    • 燃气轮机电出力 = 3.5 × 余热锅炉出力 / 0.8

通俗理解:好比一个 “能量工厂”,燃烧燃气发电的同时,将发电产生的 “废热” 回收,一部分直接供热,另一部分通过溴化锂装置制冷,实现 “一份燃料,三份产出”。

2.2 可再生能源单元:清洁电力的来源

2.2.1 光伏发电
  • 投资成本:0.4 万元 / KW
  • 出力逻辑
    • 辐射强度 < 60(10% 额定值):不发电
    • 60 ≤ 辐射强度 ≤ 600:出力 = 容量 × 辐射强度 / 600
    • 辐射强度 > 600:满功率发电示例:若光伏容量 100kW,某天辐射强度为 300,则出力为 100×300/600=50kW。
2.2.2 风力发电
  • 投资成本:0.6 万元 / KW
  • 出力逻辑
    • 风速 < 3m/s 或≥9m/s:不发电
    • 3m/s ≤ 风速 ≤ 6m/s:出力 = 容量 ×(风速 / 6)³
    • 6m/s < 风速 < 9m/s:满功率发电示例:若风电容量 200kW,风速为 4.5m/s,则出力为 200×(4.5/6)³=200×0.4219=84.38kW。

2.3 储能电池:电力波动的 “调节器”

  • 投资成本:0.1 万元 / KWh(按储能容量计算)
  • 运行逻辑
    • 初始状态:储能 = 50% 额定容量
    • 充放电规则
      • 电实时净功率(光伏 + 风电 - 电负荷缺额)>0:盈余电力充电,充电量 = 净功率 ×0.95(效率损失)
      • 电实时净功率 < 0:缺额电力放电,放电量 =| 净功率 |/0.95(效率损失)
    • 约束条件:储能始终在 0 到额定容量之间,且同一时刻只能充电或放电。

三、数据驱动的优化流程

3.1 数据准备:典型日负荷与气象参数

通过 Excel 文件读取三类典型日(过渡日、夏日、冬日)的 24 小时数据:

  • Solar 表:A 列(过渡日)、B 列(夏日)、C 列(冬日)的辐射强度(单位:无需换算,直接使用)
  • Wind 表:风速数据(同上)
  • Load 表:各典型日的电、热、冷负荷(A 列电负荷,B 列热负荷,C 列冷负荷)

3.2 三联供系统容量确定:基于最大负荷需求

  1. 计算各典型日的余热锅炉出力:对每个时刻的冷、热负荷,利用公式 “余热锅炉出力 = 冷负荷 / 0.7 + 热负荷 / 0.9” 计算,得到 72 个数据(3 个典型日 ×24 小时)。
  2. 取最大值确定系统容量:最大余热锅炉出力对应的系统容量为:三联供容量 = 最大余热出力/0.8 × 4.5
  3. 计算燃气轮机电出力:对每个时刻,燃气轮机电出力 = 3.5× 余热出力 / 0.8,得到各典型日的 24 小时电出力数据。

举例:若夏日某时刻冷负荷 100kW、热负荷 150kW,则余热出力 = 100/0.7+150/0.9≈142.86+166.67=309.53kW,对应燃气轮机电出力 = 3.5×309.53/0.8≈1354.25kW。

3.3 电负荷缺额计算:确定可再生能源与储能的目标

将各典型日的电负荷与燃气轮机电出力作差,得到 “电负荷缺额”:电负荷缺额 = 电负荷 - 燃气轮机电出力

意义:正值表示需要光伏、风电和储能补充电力,负值表示电力盈余可充电。

四、遗传算法优化:寻找最优容量组合

4.1 优化目标与变量

  • 决策变量
    • M:光伏容量(kW)
    • N:风电容量(kW)
    • Z:储能容量(kWh)
  • 目标函数:最小化投资成本min F = 0.4M + 0.6N + 0.1Z

4.2 约束条件:确保系统可行

  1. 储能运行约束
    • 任意时刻储能≥0 且≤Z
    • 充放电互斥(同一时刻不能既充电又放电)
    • 储能容量 Z≥单日最大累计充放电量(避免容量不足)
  1. 出力逻辑约束:光伏、风电按前文模型计算出力。

4.3 遗传算法实现细节

4.3.1 编码与解码
  • 二进制编码:将 M、N、Z 分别编码为 7 位、7 位、6 位二进制数,总染色体长度 20 位。
  • 解码公式变量值 = 二进制转十进制值 × (最大值-最小值)/(2^位数-1) + 最小值(示例:若 M 范围 0-500kW,7 位二进制可表示 0-127,则解码后 M=127×500/127=500kW)
4.3.2 适应度函数与惩罚项
  • 适应度函数Fitness = 1/(目标函数+惩罚项+1)
  • 惩罚项:若违反约束条件,惩罚项 = 100(使适应度极低,淘汰不可行解)。
4.3.3 遗传操作
  • 选择:轮盘赌选择法(适应度越高,被选中概率越大)
  • 交叉:后 8 位染色体交叉(模拟基因重组),概率 0.6
  • 变异:随机翻转二进制位,概率 0.01
  • 终止条件:迭代 50 次或适应度变化 < 0.0005(收敛)。

五、典型日优化与最终方案确定

5.1 单典型日优化流程

  1. 输入数据:某典型日的辐射强度、风速、电负荷缺额
  2. 计算光伏 / 风电出力:根据当前 M、N 和天气数据,得到 24 小时出力
  3. 计算电实时净功率净功率 = 光伏+风电 - 电负荷缺额
  4. 储能充放电计算:根据净功率和 Z,模拟 24 小时储能状态,检查约束是否满足
  5. 更新适应度:可行解保留,不可行解通过惩罚项淘汰。

5.2 跨典型日决策:取最大值策略

对过渡日、夏日、冬日分别优化,得到三组 (M,N,Z),最终取每组中的最大值作为设计容量,确保系统在最严苛工况下仍能运行。例如:

  • 过渡日优化结果:M=200kW,N=150kW,Z=80kWh
  • 夏日优化结果:M=250kW,N=180kW,Z=100kWh
  • 冬日优化结果:M=220kW,N=160kW,Z=90kWh最终容量:M=250kW,N=180kW,Z=100kWh

5.3 工程裕度:添加 10% 备用容量

为应对不确定性,最终容量需增加 10% 备用:备用容量 = 最终容量×1.1

例如,上述最终容量变为:

  • 光伏:250×1.1=275kW
  • 风电:180×1.1=198kW
  • 储能:100×1.1=110kWh

六、可视化结果展示:数据的直观表达

6.1 容量配置饼状图

通过 MATLAB 代码自动生成,展示各单元容量占比及总容量。

  • 图表要素
    • 标题:“结果”
    • 标签与颜色:光伏(蓝色)、风电(橙色)、储能(绿色)、三联供(红色)
    • 标注:各单元容量(如光伏 275kW,占比 30%)、总容量(如 1000kW)
  • 代码实现

figure;  

labels = {'光伏发电', '风力发电', '储能电池', '三联供系统'};  

sizes = [spareM, spareN, spareZ, triGenCap];  

colors = ['#1f77b4', '#ff7f0e', '#2ca02c', '#d62728'];  

pie(sizes, colors);  

legend(labels, 'Location', 'southeast');  

text(0, -1.2, ['总容量:', num2str(sum(sizes)), 'kW'], 'HorizontalAlignment', 'center');  

6.2 典型日负荷柱状图

每个典型日生成一张柱状图,展示各单元出力与负荷的关系。

  • 设计逻辑
    • 零刻度线下:电负荷缺额(红色)、储能充电(蓝色)
    • 零刻度线上:光伏(黄色)、风电(绿色)、燃气轮机(紫色)、储能放电(橙色)
  • 代码实现

for d = 1:3  

    dayData = daysData{d};  

    loadElec = dayData.load(:,1);  

    gasElec = gasTurbineElec{d};  

    pvOutput = calculatePV(spareM, dayData.solar);  

    windOutput = calculateWind(spareN, dayData.wind);  

    netPower = pvOutput + windOutput - (loadElec - gasElec);  

    [~, chargeDischarge, ~] = calculateStorage(spareZ, netPower);  

    

    figure;  

    bar(1:24, [-(loadElec - gasElec), chargeDischarge(chargeDischarge>0), pvOutput, windOutput, gasElec, -chargeDischarge(chargeDischarge<0)], 'stacked');  

    ylim([-max(loadElec) max(pvOutput + windOutput + gasElec)]);  

    title(['典型日 - ', dayData.name]);  

    ylabel('功率 (kW)');  

    xlabel('小时');  

    legend('电负荷缺额', '储能充电', '光伏发电', '风力发电', '燃气轮机电出力', '储能放电', 'Location', 'eastoutside');  

end  

6.3 储能 SOC 图

展示储能电池在 24 小时内的荷电状态变化。

  • 图表要素
    • 横轴:小时(1-24)
    • 纵轴:储能容量(kWh),范围 0 到额定容量
    • 曲线:蓝色折线,标注初始状态(50% 容量)和充放电波动
  • 代码实现

for d = 1:3  

    dayData = daysData{d};  

    netPower = calculatePV(spareM, dayData.solar) + calculateWind(spareN, dayData.wind) - (dayData.load(:,1) - gasTurbineElec{d});  

    [soc, ~, ~] = calculateStorage(spareZ, netPower);  

    

    figure;  

    plot(1:24, soc(1:24), 'b-o', 'LineWidth', 1.5);  

    title(['储能SOC - ', dayData.name]);  

    xlabel('小时');  

    ylabel('SOC (kWh)');  

    ylim([0 spareZ]);  

    grid on;  

end  

6.4 适应度变化图

展示遗传算法迭代过程中适应度的收敛情况。

  • 图表要素
    • 横轴:迭代次数(1-50)
    • 纵轴:适应度值(越大表示目标函数越小)
    • 曲线:绿色折线,观察是否在后期趋于平稳(如迭代 40 次后变化 < 0.0005)
  • 代码实现

figure;  

plot(1:iter, bestFit(1:iter));  

xlabel('迭代次数');  

ylabel('适应度值');  

title('适应度变化曲线');  

grid on;  

七、MATLAB 代码实现:从算法到可视化

7.1 数据读取与预处理

%% 数据读取与预处理  

clc; clear; close all;  

% 替换为实际文件路径  

dataPath = 'C:\Users\13301\OneDrive\桌面\EnergyData.xlsx';  

solarData = xlsread(dataPath, 'Solar', 'A:C');       % 光伏辐射数据(3列,过渡日、夏日、冬日)  

windData = xlsread(dataPath, 'Wind', 'A:C');         % 风速数据  

loadTrans = xlsread(dataPath, 'Load过渡日表', 'A:C'); % 过渡日负荷(电、热、冷)  

loadSummer = xlsread(dataPath, 'Load夏日表', 'A:C');  

loadWinter = xlsread(dataPath, 'Load冬日表', 'A:C');  

% 整理三类典型日数据  

daysData = {  

    struct('name', '过渡日', 'solar', solarData(:,1), 'wind', windData(:,1), 'load', loadTrans),  

    struct('name', '夏日',   'solar', solarData(:,2), 'wind', windData(:,2), 'load', loadSummer),  

    struct('name', '冬日',   'solar', solarData(:,3), 'wind', windData(:,3), 'load', loadWinter)  

};  

7.2 三联供系统容量计算

%% 三联供系统容量计算  

triGenCap = 0;            % 初始化三联供系统容量  

gasTurbineElec = cell(3,1); % 存储各典型日燃气轮机电出力  

for d = 1:3  

    dayData = daysData{d};  

    coldLoad = dayData.load(:,3); % 冷负荷  

    heatLoad = dayData.load(:,2); % 热负荷  

    % 计算余热锅炉出力  

    wasteHeatOutput = coldLoad/0.7 + heatLoad/0.9;  

    currentMaxWaste = max(wasteHeatOutput);  

    % 更新三联供系统容量(取最大值)  

    triGenCap = max(triGenCap, currentMaxWaste/0.8 * 4.5);  

    % 计算燃气轮机电出力(24小时数据)  

    gasTurbineElec{d} = 3.5 * (wasteHeatOutput / 0.8);  

end  

disp(['三联供系统容量:', num2str(triGenCap), ' kW']);  

7.3 遗传算法核心函数

%% 遗传算法优化单个典型日  

function [bestM, bestN, bestZ] = optimizeDay(solarData, windData, loadElec, gasElec)  

    %% 算法参数  

    maxIter = 50;         % 最大迭代次数  

    popSize = 50;         % 种群规模  

    crossProb = 0.6;      % 交叉概率  

    mutProb = 0.01;       % 变异概率  

    fitThresh = 0.0005;   % 适应度变化阈值  

    chromLen = 20;        % 染色体总长度(7+7+6)  

    Mbits = 7; Nbits = 7; Zbits = 6; % 各变量二进制位数  

    Mmin = 0; Mmax = 500; % 光伏容量范围(kW)  

    Nmin = 0; Nmax = 500; % 风电容量范围(kW)  

    Zmin = 0; Zmax = 200; % 储能容量范围(kWh)  

    %% 初始化种群(二进制编码)  

    population = randi([0,1], popSize, chromLen);  

    bestFit = zeros(maxIter, 1); % 记录每代最优适应度  

    for iter = 1:maxIter  

        %% 解码染色体  

        [M, N, Z] = decodeChromosome(population, Mbits, Nbits, Zbits, Mmin, Mmax, Nmin, Nmax, Zmin, Zmax);  

        %% 计算光伏/风电出力  

        pvOutput = calculatePV(M, solarData);  

        windOutput = calculateWind(N, windData);  

        %% 计算电负荷缺额与净功率  

        elecDeficit = loadElec - gasElec; % 电负荷缺额(需补充的电力)  

        netPower = pvOutput + windOutput - elecDeficit; % 净功率(正=盈余,负=缺额)  

        %% 储能充放电计算与约束检查  

        [soc, valid] = calculateStorage(Z, netPower);  

        %% 目标函数与适应度计算  

        objFunc = 0.4*M + 0.6*N + 0.1*Z;  

        penalty = 100 * (1 - valid); % 约束不满足时惩罚项为100  

        fitness = 1 ./ (objFunc + penalty + 1);  

        %% 记录最优适应度  

        [currBestFit, idx] = max(fitness);  

        bestFit(iter) = currBestFit;  

        %% 终止条件检查  

        if iter > 1 && abs(currBestFit - bestFit(iter-1)) < fitThresh  

            disp(['迭代', num2str(iter), '代,适应度变化小于阈值,提前终止']);  

            break;  

        end  

        %% 遗传操作:选择、交叉、变异  

        population = geneticOperators(population, fitness, crossProb, mutProb, chromLen, Mbits, Nbits);  

    end  

    %% 解码最优解  

    [bestM, bestN, bestZ] = decodeChromosome(population(idx,:), Mbits, Nbits, Zbits, Mmin, Mmax, Nmin, Nmax, Zmin, Zmax);  

    %% 绘制适应度变化图  

    figure;  

    plot(1:iter, bestFit(1:iter), 'b-', 'LineWidth', 1.5);  

    xlabel('迭代次数'); ylabel('适应度值');  

    title('适应度变化曲线'); grid on;  

end  

7.4 辅助函数(解码、出力计算、储能模拟)

%% 染色体解码函数  

function [M, N, Z] = decodeChromosome(chrom, Mbits, Nbits, Zbits, Mmin, Mmax, Nmin, Nmax, Zmin, Zmax)  

    % 分割染色体片段  

    Mbin = chrom(:, 1:Mbits);  

    Nbin = chrom(:, Mbits+1:Mbits+Nbits);  

    Zbin = chrom(:, Mbits+Nbits+1:end);  

    % 二进制转十进制并映射到变量范围  

    M = bin2dec(num2str(Mbin')) * (Mmax-Mmin)/(2^Mbits-1) + Mmin;  

    N = bin2dec(num2str(Nbin')) * (Nmax-Nmin)/(2^Nbits-1) + Nmin;  

    Z = bin2dec(num2str(Zbin')) * (Zmax-Zmin)/(2^Zbits-1) + Zmin;  

end  

%% 光伏出力计算函数  

function pvOutput = calculatePV(capacity, solarData)  

    pvOutput = zeros(size(solarData));  

    for t = 1:length(solarData)  

        G = solarData(t);  

        if G < 60 % 低于10%额定辐射  

            pvOutput(t) = 0;  

        elseif G <= 600 % 正常范围  

            pvOutput(t) = capacity * G / 600;  

        else % 超过额定辐射  

            pvOutput(t) = capacity;  

        end  

    end  

end  

八、常见问题与优化建议

8.1 为什么选择遗传算法?

  • 优势:适用于多变量、非线性优化问题,无需数学导数信息,适合工程场景中复杂的约束条件。
  • 替代方案:若追求更高精度,可尝试粒子群优化(PSO)或混合整数规划(需结合 YALMIP 工具),但遗传算法在计算效率与鲁棒性上表现更均衡。

8.2 如何处理数据缺失?

  • 插值法:对缺失的辐射或风速数据,使用相邻时刻的平均值或三次样条插值填充。
  • 扩展典型日:若样本不足,可基于历史数据聚类分析,生成更多典型日(如极端高温 / 低温日)。

8.3 工程裕度的必要性

  • 应对不确定性:设备老化、负荷预测误差、天气波动等因素可能导致实际需求超过设计值,10% 裕度是行业常用的安全缓冲。
  • 灵活调整:高可靠性要求场景(如数据中心园区)可将裕度提升至 15%-20%,风险容忍度高的场景可适当降低。

九、总结:从理论到实践的完整链路

本文围绕园区综合能源系统的容量优化问题,构建了 “业务建模→数据处理→智能优化→可视化验证” 的完整技术框架。通过详细解析各能源单元的数学模型、遗传算法的实现步骤及 MATLAB 代码,实现了从负荷需求到设备容量的精准匹配。可视化部分通过饼状图、柱状图、SOC 图和适应度曲线,将抽象的优化结果转化为直观的工程语言,便于决策者理解。

实际应用中,可根据园区的地域气候(如高风速区增加风电比例)、政策补贴(如光伏补贴降低投资成本)等因素调整模型参数,进一步提升方案的经济性和可靠性。通过本文提供的代码模板,用户只需替换 Excel 数据路径,即可快速适配不同园区的规划需求,显著降低项目前期设计的技术门槛。

写在最后的话:技术交流

欢迎在评论区留言,探讨遗传算法参数调优、多能流耦合建模、生产应用等进阶技术问题,比如模型对于数据量有什么要求?给300条记录与30万条历史记录有什么区别?从MATLAB模型部署到生产环境的环境要注意什么等。


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