多能互补微网系统仿真及经济性评价_邵志芳.pdf

基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB1503103_01)收稿日期:20210429修回日期:20210723第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02010206多能互补微网系统仿真及经济性评价邵志芳，吴继兰，宋亦心心(上海财经大学信息管理与工程学院，上海 200433)摘要:为研究多能互补微网系统经济性，建立多能互补微网系统运营仿真模型。模型基于 AnyLogic 平台，综合利用流程仿真和多智能体仿真技术，动态模拟微网运行过程并对运营中可能出现的设备故障、维护、更新、技术进步等情景进行细致刻画。通过输入风速、光照、用户负荷等数据，模型可动态显示微网 20 年运行情况。运行结果包括系统年度数据和经济性评价数据，如项目净现值、社会效益、各项设备利用率、能源短缺率、微网系统弃电率等。在北方某地的算例中，仿真结果显示项目可以获得良好的经济性;存在技术进步的情况下，系统效率进一步提升，可获得更高净现值。关键词:多能互补微网;多智能体仿真;运营分析;经济性评价中图分类号:N945.13文献标识码:BSimulation and Economic Evaluation of MultienergyComplementary MicroGrid SystemSHAO Zhifang，WU Jilan，SONG Yixinxin(School of Information Management Engineering，Shanghai University of Finance and Economics，Shanghai，200433)ABSTACT:An simulation model is established to study the economy of multienergy complementary microgridsystem Based on the AnyLogic platform，the model comprehensively uses process simulation and multiagent basedsimulation technology to simulate the operation of the microgrid system in 20 years Equipment failure，maintenance，update，and technological progress can also be simulated in the model By inputting the data such as wind speed，illu-mination and user load，the model can run and display the operation status of the microgrid system The outputs in-volve annual data and economic evaluation，such as net present value，social benefits，equipment utilization，energyshortage rate，curtailment rate and so on In the example of a certain place in the north，the simulation results showthat the project can obtain good economic performance With the development of technology，the system efficiency willbe improved further，and a higher net present value can be obtainedKEYWODS:Multi energy complementary micro grid;Multi agent based simulation;Operational analysis;Economic evaluation1引言风光储多能互补是提高可再生能源利用率的有效途径1。通过优化配置风光储微网系统中各单元容量可实现最大限度利用可再生能源出力，保障供电稳定性和经济性2 3。对多能互补容量配置的研究可分为基于数学模型的方法和基于仿真的方法。其中，基于数学模型的研究是近年来的热点。如文献 4考虑风电并网功率的波动性，在计及复合储能系统投资及运行成本的基础上，研究系统费用最小的复合储能容量配置规模。文献 5 以实现多类型能源协同优化、系统运行效益最优为出发点，对储能系统容量规划和投资效益展开研究。氢能作为储能的一种重要形式近年来引起关注，如风电场耦合制氢系统的产能优化与经济性评价6 7，结果显示风光耦合制储氢具有一定的经济性。上述研究通过建立数学优化模型，采用启发式算法获得目标函数的最优或近优解，从而优化微网系统容量配置。然而，数学模型往往关注系统的输入和输出，系统运行过程以及运行异常情况无法予以描述，从而对结果造成影响。近年来，仿真方法用于能源经济的研究开始零星出现，201如文献 8 采用系统动力学仿真方法，将综合效益评价指标及其影响因素置于资源、经济、环境、社会四个子系统，探究各子系统的因果反馈关系，动态分析未来 20 年风电氢能源系统综合效益。文献 9 利用 Aspen Plus 9.0 软件对一个风光耦合制储氢系统进行仿真分析。文献 10采用自行开发的基于整数二次规划的仿真工具 EOPT 对风/光/火/储多能互补系统不同储能技术进行经济性分析，从而优化多能系统配置和运营。但上述研究并未考虑项目运行期间的设备管理、设备性能提升及技术进步情况。本文对风力发电机、光伏电池组、电解槽、蓄电池、燃料电池等组件组成的微网系统运行过程进行模拟，采用多智能体仿真技术模拟微网内设备正常运行、随机故障、设备维护、性能衰退等现象。模型进一步考虑了技术进步的影响，关键设备可根据技术进步情况做出智能更新决策。通过建立多能互补微网系统运营过程仿真模型，可视化显示系统实时运行情况，并提供系统年度运营数据，对微网配置进行经济性评价，同时可通过方便的参数化实验对微网系统进行优化，为项目实施决策提供支持。2多能互补微网系统结构本文所涉及的多能互补微网系统主体框架如图 1 所示，包括风力和光伏发电系统、用户负荷、电化学储能系统、电解制氢系统、燃料电池发电系统、逆变器及其它辅助设施、电网。图 1多能互补微网系统3系统运营仿真模型3.1多能互补微网运行流程多能互补微网系统运行逻辑如下:将实时的风光数据输入风力发电机和光伏发电系统模型参数中，获得系统实时发电量，将发电量与用户负荷进行匹配，进行蓄电池充放电、电解槽工作情况、燃料电池放电情况的判断，获得售电量、产氢量、售氢量等数据，计算年收入。同时设置智能体状态变迁，使之存在正常运行、维护、更换、技术进步等情况，统计不同情况出现的运行维护费用，统计各项成本，计算每年的净收入，从而获得净现值。基于 AnyLogic 仿真平台建立的微网运行流程模型如图 2。图 2微网系统运行流程模型3.2基于多智能体仿真的设备管理模型将风力发电机、光伏电池组、蓄电池组、燃料电池组、电解槽、辅助设备等抽象为智能体，其行为规则均遵从设备基本管理策略，包括正常运行、定期维护、设备故障、设备衰减、设备更新，各类行为规则如下。3.2.1正常运行该状态下，设备以理想状态运行，设备各项参数均为其全新状态下参数。3.2.2定期维护为维持设备的正常运行，需要对每台设备定期维护和保养。模型中每台设备均单独决策其是否需要维护保养，有其单独的维护保养记录。在维护期间，设备停止运行，相关模块产能或容量受限。维护完成后记录维护保养的开始时间、结束时间和维护费用，同时在年末将维护费用计入每年的生产成本中。3.2.3设备故障所有设备均会有一定概率出现故障。在实际运行中，故障的出现是随机的，但其故障率可以根据历史数据估算得出。模型为不同设备设置不同的故障出现概率，且假设其出现概率随着设备运行年限的增长而增加。ri，n，damage=(n 1)*ri，damage+ri，1，damage(1)ri，n，damage为第 i 种设备在第 n 年出现故障的概率，ri，1，damage为第i 种设备在第 1 年出现故障的概率，n 为年份，ri，damage为第 i 种设备每年故障出现概率的增长量。根据每个设备出现故障的概率，可以随机模拟每个设备的故障情况，当出现故障时，设备停止运行，相关模块的产能或容量受到影响。若多台同种设备同时出现故障，为了最大限度地减小其对于产能的影响，假设对所有设备同时进行维修，维修完成后设备参数恢复故障之前的状态，记录维修的开始时间、结束时间和维修费用，同时在年末将维修费用计入每年的生产成本中。3.2.4设备衰减在实际运行中，随着运行年限的增长，设备的性能不可避免地会出现下滑，例如风力发电机、光伏电池组的发电能力、蓄电池组的容量、电解槽的最大产氢速率、燃料电池的输出功率等。设备是否会出现衰减是随机的，但是在一般情况下，设备出现衰减的概率和其运行时间呈正相关关系，本文301根据不同设备的实际情况为其设置衰减概率，同时假设设备衰减概率随着运行时间线性增长。ri，n，attenuation=(n 1)*ri，attenuation+ri，1，attenuation(2)ri，n，attenuation为第 i 种设备在第 n 年出现衰减的概率，ri，1，attenuation为第 i 种设备每年出现衰减概率的增长量。在设备出现衰减后，对出现衰减的设备的参数进行更新，记录其新参数，并记录衰减出现的时间。3.2.5设备更新设备的更新存在三种情况:一是设备自然更新，所有设备均有其设计运行年限，当其达到使用年限后，为了提高生产效率、保障生产安全，需要对旧设备进行报废处理，同时更换新设备。二是设备崩溃，当出现设备崩溃时，设备停止运行，设备崩溃无法进行维修，或者其维修成本过高，经济性不如直接更换设备。设备崩溃的出现服从一定的概率，且概率与设备运行时间也存在正相关关系，假设其概率随着运行时间线性增长。ri，n，collapse=(n 1)*ri，collapse+ri，1，collapse(3)ri，n，collapse为第 i 种设备在第 n 年崩溃的概率，ri，collapse为第 i 种设备崩溃概率每年的增长量。当设备出现崩溃时，对旧设备进行报废处理，同时更换新设备。三是设备衰减过大，在极端情况下，设备出现剧烈衰减，其运行参数过分恶化，继续使用该设备由于效率过低已经不存在经济性，此时对旧设备进行报废处理，同时更换新设备。当设备进行更新时，停止设备运行，相关模块产能或容量受到影响，更新完成后设备参数恢复全新状态。每台设备更新完成后，记录其更新开始时间、结束时间和更新成本，同时将更新成本计为新的设备成本进行折旧摊销，将更新成本进行销项税抵扣，将旧设备未计提折旧的账面价值与其残值(若存在)进行抵消，差额计入资产减值损失，每年末转入生产成本。3.3关键设备运营优化电解槽、蓄电池作为风光储微网系统的关键设备，其性能与成本对于项目净现值有着直接影响。除了基本管理策略外，模型为这些关键设备设置了额外的运营优化策略，研究在实际情形下设备的运行策略与逻辑，并分析各种情况对于项目净现值的影响。3.3.1技术进步在现实社会中，电解槽、蓄电池等关键设备的技术在飞速发展，本文中设定的项目运营期为 20 年，故很有可能会出现技术进步的情况。当出现技术进步时，新设备的成本、效率、容量等参数出现变化，模型对技术进步出现的概率进行模拟，假设存在低、中、高三种技术进步的情况，每种技术进步出现的概率均随着时间的增长而增加。ri，m，n，increase=(n 1)*ri，m，increase+ri，m，1，incr