基于柔性负荷的西北乡村多能互补建筑能源系统优化研究

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我国西北偏远及落后乡村建筑传统的供能方式污染环境,寻求新的清洁供能方式是降低建筑能耗、提高居住质量的有效途径。基于西北地区太阳能、空气热能等可再生能源较为丰富的现状,可以采用太阳能、空气热能等多种能源互补出力的多能互补系统满足西北乡村建筑用能需求,但由于可再生能源的间歇性、波动性,供需匹配难度大。储能设备的集成是现阶段实现可再生能源系统供需平衡的重要技术,但单纯依靠储能的调节作用会极大增加系统成本。柔性负荷具有可灵活调度的特点,对于缓解供需矛盾、提高可再生能源利用率等方面均有显著作用。因此,本文提出了基于柔性负荷的多能互补建筑能源系统模型建立方法,并分析柔性负荷参与调节后对多能互补系统经济性的影响,具体工作如下:首先,根据西北乡村的能源现状,建立了以太阳能光伏电池、太阳能集热器、空气源热泵等设备构成的多能互补建筑能源系统,并于Matlab/Simulink中建立了系统仿真模型。其次,通过实地调研与文献调研相结合的方式对西北乡村的建筑类型、用能设备种类等进行调研,得到了西北乡村的典型建筑形式及柔性电负荷设备特性。并基于柔性电、热负荷调节原理,分别建立了柔性电、热负荷模型。再次,以费用年值作为多能互补建筑能源系统的经济性评价指标,考虑柔性负荷参与多能互补系统运行调度,建立了多能互补建筑能源系统的容量匹配与运行调度联合优化模型。并采用遗传算法求解,建立了Matlab与Simulink的联合优化框架。最后,分析了在西北地区不同的气候条件、墙体外保温材料厚度等因素下柔性负荷参与调节后对多能互补系统费用年值的影响。针对每一个工况分别设置不考虑柔性负荷、考虑柔性电负荷、考虑柔性热负荷、考虑柔性电/热负荷参与调节四种优化场景,对比分析柔性负荷参与调节后对多能互补系统经济性的影响。本研究主要得到了以下结论:(1)以榆林地区为例分析柔性负荷参与调节后对多能互补系统运行特性及经济性的影响,优化结果表明:(1)与不考虑柔性负荷相比,柔性电负荷、柔性热负荷、柔性电/热负荷参与调节后,系统费用年值分别降低了0.75%、0.99%与1.29%,柔性电、热负荷同时参与调节时系统费用年值最低。(2)柔性电负荷参与调节后,柔性负荷向光伏出力时段转移,及时消耗光伏电池发电量,储能电池容量得以降低;柔性热负荷参与调节后,中午时段室内设计温度值升高,利用建筑体蓄热,减少了后续时段建筑体的供热量。(2)分别选取酒泉、西宁、喀什、乌鲁木齐、榆林和西安六座城市代表西北地区的六大区域,柔性电、热负荷同时参与调节后,以上六大地区系统费用年值分别降低了0.34%、0.57%、0.18%、0.37%、0.43%、1.29%。由于西北乡村现有建筑墙体中大多不含保温材料,且西北乡村现有单户建筑的柔性电负荷电量小,故柔性电、热负荷调节效果不显著。(3)以系统费用年值为优化目标,对多能互补建筑能源系统进行敏感性分析。在墙体外保温材料厚度的敏感性分析中,柔性电、热负荷同时参与调节后系统费用年值最大可降低2.69%;在光伏电池单价的敏感性分析中,柔性电、热负荷同时参与调节后系统费用年值最大可降低3.07%;在蓄电池单价的敏感性分析中,柔性电、热负荷同时参与调节后系统费用年值最大可降低1.42%。多能互补系统的实际模型复杂,存在大量的非线性模型,且柔性负荷参与多能互补系统调节后优化变量众多,故目前常用的遍历算法和混合整数线性规划方法不能求解此问题。基于此本文采用遗传算法,建立了Matlab与Simulink联合优化模型,为求解此类容量匹配与运行调度联合优化问题提供了参考。同时,本文分析了西北乡村气候条件、墙体保温材料厚度、光伏电池及蓄电池单价等因素对柔性负荷调节效果的影响,为柔性负荷调节在西北乡村的适用性提供了应用指导。
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