分布式供电网络的建设与优化及其电力和热水交换外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

译文标题 分布式供电网络的建设与优化及其电力和热水交换

原文标题 Modeling and optimization of distributed energy supply network with power and hot water interchanges

分布式供电网络的建设与优化及其电力和热水交换

强调：

bull;提出了分布式供电网络的MILP优化模型。

bull;分布式能源网络考虑电力和热水互换。

bull;优化系统规模，运营策略和能源交换。

bull;检查了日本医院和公寓的说明性例子。

bull;执行各种输入参数的灵敏度分析。

摘要：在这项研究中，分布式能源供应网络综合电气和水资源交换的混合整数线性规划模型最大限度地减少了每年的成本，其中包括年度初始投资成本，年度运营和维护成本以及年度总体基础设施成本，同时保证各种消费者的能源需求的弹性。 确定能源供应系统的上层建筑。 此外，系统规模和运营策略包括能源交换机同时优化。以示例为例，位于日本东京的低碳社区已被选中进行研究。 通过比较分析四种场景和各种不确定性参数的多重敏感性分析，分析了优化模型的鲁棒性以及分布式能源供应网络的性能，包括社区规模，能量，能量效应，能源效率等。

1.简介

能源短缺已经成为世界各地的常见问题。 根据环境影响评估（Energy Information Administration）2013年“国际能源展望”，2010年至2010年间世界能源消费将增长56％[1]。能源消耗，电力行业是解决问题的必不可少的。 目前已经开展了许多策略，并从传统系统（集中式能源发电和长距离能量传输）转移到分布式能源资源系统（DER）的中央能源发电。

DER是一套现场，并网或独立的技术系统，可提供不同类型的DER，例如生物质能发电，光伏（PV），风力发电，联合冷却，热能和电力（CCHP）等[2-4]。 这样的DER

通过为终端用户提供多样化的燃料供应，更高的功率效率和更低的排放量，为集中式发电提供了巨大的优势[5]。 然而，完全依赖于不稳定天气条件的可再生能源（例如风力涡轮机，光伏组件）的整合将增加DER内能源供应持续的复杂性[6]。 另一方面，终端消费者的能源需求总是小时，造成供需双方的能源不平衡。

考虑到上述问题，指定分布式能源供应网络的投资者合作伙伴关系的合作运作，其中每个地方生产者的能源不仅可以满足自己的需求，而且可以满足消费者的自我使用需求。许多研究集中在能源供应网络[7-12]。注意，在建立能源交换网络之前，应该考虑以下几个方面：第一，从经济角度看，消费者预计将相互封闭，以减少基础设施投资，特别是热水管道服务;第二，为安全起见，安装了中间体的消费者之间的能源交换;第三，根据土地基础设施部和日本运输部的调查结果，在能源交换系统的基础上，目标区预计规模相对较大（gt; 5000平方米）。通过建设区域能源供应网络，可以通过使用在一组消费者之间或之间的网络管线或布线来实现能量交换，并且可以实现设备的灵活操作。然而，这种巨大的灵活性可能会增加解决多个终端用户的功率和加热要求的复杂性。实现分布式能源供应网络的最大收益，例如成本节约和环境保护，满足每个客户的能量需求，优化设计和生命力重要系统的调度。因此，需要非正确的数学模型。

已经开展了许多研究，以实现分布式能源网络的电力和热能的灵活互换。 Mehleri等[9]提出了一种用于非均匀分布式系统的优化设计的上层结构模型，同时考虑到几种候选技术的系统组件的最优选择以及热水管网的最优设计，通过最小化年度总体投资，每年总计费用最低。[10]开发了一种基于混合整数的优化方法线性规划（MILP），以探讨多户家用燃气发电机热电联产系统电力互换运行的节能效果。海上航空[11]开发了考虑热交换的分布式能源系统的自主结构和运行优化。董等[12]提出了一种上，下层计划模型，用于热运输的网络计划。上述模型具有以下特点：一些模型侧重于供热网络，一些指电力网络，而很少是指供电和电力网络。此外，对各种不确定性参数进行全面的敏感性分析可以逃脱。

在本研究中，提出了与电力和热水交换机相结合的分布式能源供应网络的最优规模和运行时间表模型，其中能源供应系统的上层建筑已经确定。 该问题被制定为最小化总体成本的MILP问题。 为了验证提出的模型的可行性并讨论了分布式能源网络的性能，本文对位于日本东京的假设邻里低碳社区的能量流进行了数值分析。 此外，优化模型的鲁棒性以及分布式能源供应网络的性能都通过对不同不确定性参数的四种情况和多重敏感分析进行了比较分析，包括社区规模，能源价格，能源政策以及能源生产效率。

2.数学模型

2.1 医院和公寓内的能量流动

根据日本板桥区提出的建设能源交换的可行性研究，与医院的地方一起，总是有更多的潜力建立医院内大量热水需求的能量交换网络。 因此，在这项研究中，社区被假定有两个建筑类别：医院和公寓。 图1显示了医院（左侧）和公寓（右侧部分）的基于能量流的配置图。 一般来说，它们都被定义为并网系统，因为网格连接可能总是需要从经济观点，异构抗体在现场发生[13]。 除了与公用电网的权衡外，医院和公寓还可以通过内部电网和热水管道分享现场生产的能源。

2.2 客观功能

在MILP模型中，通过改变决策变量的值来优化目标函数的价值，受到变量可以持有的值的约束[14]。

在这个研究中，主观功能主要体现了整个建筑群的年度成本，考虑到年度资本投资，年度业务和维护成本，年度基础设施成本（管道和电线），减去通过销售剩余电力的收入回到电网。 公式可以描述如下：

（1）

年度投资成本通过将技术的能力乘以单位成本确定，然后通过乘以资本回报因子（CRF）进行年度化，可以表示为等式 （2）和（3）。

（2）

（3）

年度运营和维护成本包括固定成本（单位功能）和变量（单位的年度生成功能）[14]。

（4）

基础设施网络表达了构建热管道和局部电气布线的能力，可以通过连接节点与单位成本进行计算。

（5）

（6）

对于年电力成本，可以通过每个节点的每个时间段的累积电量乘以商业和住宅建筑总是不同的动态电价，计算公式可以写为：

（7）

同样，可以推算出年度天然气成本。 对于CCHP系统的原动力，气体消耗量可以表示为每个时间段内每个系统的发电量除以相应的效率。 对于辅助锅炉和公寓锅炉，可以根据相应的热发电，冷却和热水需求推算出燃气消耗。

由于通过回购价格将电能转换回电网而计算出来。

（9）

2.3约束条件

2.3.1 供需关系

供需平衡意味着能量输入必须等于每个节点的输出。 具体来说，在每个时间段内，从电力负荷，与其他节点互换的电力以及向公用电网销售的剩余电力的节点i的电力流量必须等于当地生成的电力流量 并从其他节点分配。 它可以表示为：

对于建议模型中不考虑空间供热和冷却交换的情况，能量平衡公式相对较为简单。由于医院和公寓不同的加热和供冷系统，公式也不尽相同。 对于公寓，供暖和制冷负荷由空调器，电热器，十二电平平衡器（10）承受加热和冷却。 方程（11）和（12）分别显示了医院的加热和冷却平衡。

（11）

（12）

与电平衡相似，热水流量节点i必须等于热水流量：

参数delta;elec和delta;hw，模型考虑到转移时的电和热损失。

2.3.2 技术可用性

每个能源生产者的设计约束是独一无二的。 在下文中，以CCHP系统，PV单元以及锅炉为例，详细说明了约束条件。

1.CCHP单元

CCHP单元产生的电力和热量必须低于额定容量，额定功率可以通过将额定功率与热功率比相乘来计算：

（14）

（15）

2.PV单元

AstothePVunit，电力发电地面辐射，太阳能电池板表面积和模块化效率[14]。同时，电力电量比其节点i屋顶面积限制的装机容量大。

（16）

3.备用锅炉

安装在节点i中的每个锅炉产生的热量不能超过其额定容量：

（17）

注意，为了保持模型公式的线性，假设每个能量产生器的效率是恒定的，而功率因素在能力，部分负荷因子和环境温度方面都是实际的。 这种假设在文献中被广泛使用，并且由这种假设引起的误差对于这种类型的高级优化模型是可以接受的[14,15]。

2.3.3。 电网互动的约束

根据进出口（FIT）政策，系统不得同时向公用电网购买或出售电力。 同时，节点i中的系统不允许将任何类型的能量分配给另一个节点，而没有首先满足自己每个时间段的需求，写成如下：

0-1变量输入和输出的详细说明见附录。

再次，对于节点i，同时禁止向外部电网供电并从其他节点接收电力：

2.3.4 电力和热水互换的约束

有电力限制水电交流。 最重要的限制之一是电力不能同时以两种方式传输。 详细地说，在提及电时，公式可以写为：

类似地，每个时间段，每个连接中也只能在一个方向上进行热水流：

此外，它应该包括电力和热交换的分布式能源网络的全面和深入优化，不仅能量供需的数量（如容量）以及质量（如热能的温度等级） 应该包括在优化过程中，尽管它超出了当前研究的范围。 以这种方式，可以实现邻近社区内的能量（尤其是热能）的级联利用。

3.说明性的例子

具有不同负载特性的客户是影响分布式供电网络运行策略的关键因素。 在这项研究中，作为一个说明性的例子，分布式能源网络在日本东京的医院和公寓（有50个家庭）的两种类型的建筑物中实施。 此外，根据前文的研究，在日本，国家航空航天局引进了大型地面积超过20,000平方米的建筑物[16]。 因此，两栋建筑物的面积假定为20,000平方米。

3.1 能源需求

能源需求至关重要，因为它是系统规划和能源管理的先决条件[17]。根据上述研究[18,19]，对医院和公寓的低能耗要求是根据长期测算确定的。日常生活和季节性变化中，整个日历年分为 三季：冬季（十一月至十二月，一月至二月），中季（三月至五月，十月）及夏季（六月至九月）[20]。图2显示了在医院和公寓的特殊日子的24小时周期。 可以看出，一般来说，医院的能源需求比公寓要大得多，热能是主要的能源形式。

3.2 气候资料

图3显示了影响光伏系统发电的三原子态因子[21]。

3.3 市场信息

无疑，能源价格是确定分布式能源供应网络经济表现的最重要因素之一。根据托克马克市场的研究，电力和燃料价格可能在表1中显示[22,23]。 使用时间在商业和居住地使用，并采用CCHP制度的优惠瓦斯价格。 东京光伏组件和CCHP系统的回购价格也列于表1。 一般来说，前者的回购价格比后者高。

3.4 技术参数

通常，CCHP系统可以使用各种原动机，气体发动机，斯特林发动机和燃料电池[19]。 在日本，燃气发动机占商业建筑总CCHP系统的70％以上[24]。因此，在第二部分中，选择了气体发动机组。另外，如第2节所述，所有技术参数（效率，性能等级）都被确认为固定值; 另外，它将特别是特别地实现。表2 [14,25]中的基本特征和资源技术。 此外，根据日本市场的调查，利率假定为1.5％

3.5 结果和讨论

3.5.1 最佳操作策略

根据优化结果，CCHP系统的容量和电池容量分别为1369kW和140kW。由于可靠的PV系统最大功率的容量可以被控制，因此可以利用高价格的优势。随后，在三个典型的日子里进行医院和公寓的能量平衡，同时采取电和热水样本。 （a）和（b）（医院的小时能量平衡），积极的价值是供应的能源需求，并且再次发电到另一个节点或卖回公用电网。可以发现，除了夏天以外，CCHP系统在整个一天内运行，特别是在特定的时间内，特别是在白天高负荷率运行，并且多余的电力分配给其他的电力网络。此外，由于夏季夜间的热需求相对较低，CCHP设备尚未运行。关于热水平衡，没有交换的公寓的热水可用。当热量需求超过从特定冬季的系统恢复的最大值时，系统采用锅炉来覆盖缺陷。

对于公寓，如图4（c）和（d）所示，根据邻近医院的共同能源，发电量从发电量减少。在特定时间段，特别是中午时间，电力负荷主要由电网和公用电网满足需求夜间相对较低的关税。医院的转移电力主要是在白天（即冬季：上午5点至1

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