基于多目标算法的冷热电联供综合能源系统运行优化 总结标题：“多目标算法驱动的冷热电联供型综合能...

基于多目标算法的冷热电联供型综合能源系统运行优化夏天蹲在空调房啃着冰棒刷剧突然跳闸跳成了黑灯瞎火啃着常温棒啃的汗流浃背冬天裹着三层棉被在被窝里摸暖宝宝楼下的锅炉房还冒着熏人的黑烟——这些糟心事儿大概很多人都遇到过。如果能有个会“精打细算”的全能管家既能把电能、热能、冷能像拧水龙头一样按需分配又能同时抠门省钱、少排污染其实这个“管家”就是冷热电联供型综合能源系统CCHP-IES而让它变聪明的核心魔法就是多目标优化算法。先给没接触过的朋友扒一扒这个CCHP-IES的底你可以把它理解成一个“能量加工厂调度站”通常会有一个主核心供能设备——比如微型燃气轮机烧天然气发电发电的同时排出的热气不能浪费热气可以直接供暖也可以通过溴化锂吸收式制冷机“变废为冷”旁边还会搭点“绿色搭子”比如屋顶的光伏、楼下的风电赚点免费的绿电绿热甚至加个蓄电池/蓄热水箱/蓄冰槽把高峰时段的贵电/高峰供能省下来的能量存起来低谷时段用——这不就是能量版的“月光族变理财达人”但问题来了当这个系统同时有光伏风电不稳定一会儿晴天一会儿阴天一会儿停一会儿发、电价气价峰谷差有时能差3倍、用户冷热电需求早高峰做饭用电用热午高峰写字楼全冷晚高峰全家凑一起这些变量搅和在一起目标也不止一个——有人只想要系统成本最低有人嫌环保不够还想碳排放最小偶尔甚至要加个“供能可靠性最高”凑凑热闹——这时候怎么找最优解单目标优化好办直接盯着一个目标死磕就行比如死磕成本最低那大概率会疯狂烧便宜但污染大的煤不过现在很少有煤的微型机组了举个极端例子完全不管环境多目标优化就不一样了它不是找“最好的那个解”而是找一堆“无法互相替代”的解——比如解A是成本最低但碳排放稍高解B是碳排放最低但成本稍贵解C是中间平衡点这些解没有谁绝对比谁好全看用户/决策者的需求——比如对环保要求极高的政府大楼选解B对钱敏感的小超市选解A普通小区居委会投票可能选解C。这堆解有个专业名字叫帕累托最优解集Pareto Optimal Set对应的目标值就是帕累托前沿。基于多目标算法的冷热电联供型综合能源系统运行优化举个具体的小例子我们来搭一个迷你版的CCHP-IES模型看看先列一下这个迷你系统的配置别慌后面有简化版理解微型燃气轮机MT额定发电功率50kW发电效率0.3排热利用效率0.4也就是说烧100单位天然气30变成电40变成热气剩下30浪费掉了不过比单独烧煤发电单独烧气供暖效率高多了单独的话加起来才不到50。溴化锂制冷机AC只有当有热气输入时才能制冷效率COP输入单位热输出多少冷是0.8。电网Grid峰谷电价假设峰段8:00-22:001元/kWh谷段22:00-次日8:000.3元/kWh卖电回电网统一0.2元/kWh比买谷电还便宜主要鼓励自发自用。燃气网Gas气价统一3元/m³1m³天然气大概能发10kWh热。蓄热水箱HS容量200kWh热最大充放功率50kW/h充放效率0.95有点像充电宝充放电会有损耗。蓄冰槽CS容量150kWh冷最大充放功率30kW/h充放效率0.9。光伏PV当天预测的光伏发电曲线随便编一个合理的比如中午12点最高25kW早晚几乎没有。用户需求当天预测的12小时简化一下从8:00到20:00算白天20:00到8:00算晚上取白天峰值模拟真实感电、热、冷需求比如白天写字楼小超市混合电需求高冷需求也高热需求只有做饭那一小会儿。多目标优化的两个核心目标这里我们选两个最常用也最矛盾的日总运行成本最小Obj1包括买天然气的钱 买电网电的钱 - 卖电回电网的钱 蓄能设备的损耗成本损耗成本可以简单算成损耗能量乘以谷电电价因为损耗的能量相当于你用谷电多补了一点。日总碳排放最小Obj2主要是烧天然气和买电网火电产生的碳排放卖电回电网相当于帮火电少发了电所以要减去卖电对应的碳排放光伏风电是绿的不计入。那算法怎么跑的呢这里不能讲太复杂的数学公式不然要睡着了就用最经典的非支配排序遗传算法IINSGA-II举个生活化的例子你可以把每个“可能的调度方案”想象成一只小兔子——比如兔子A是微型燃气轮机白天全力发电排的热全部制冷冷不够用蓄冰槽晚上谷电时提前冻冰不对晚上谷电时没有热气怎么办哦对可以用谷电加热电锅炉烧水再制冷不对我们迷你系统没装电锅炉那就晚上谷电时用蓄冰槽的电辅助冷机不电辅助冷机我们也没装…哦算了简化版兔子兔子AMT白天开4小时发电排热制冷剩下的时间用电网峰电补冷补电蓄能全不用兔子BMT晚上谷段旁边加烧气哦不对晚上谷段用户没什么热冷需求哦兔子B改成MT白天开热存蓄热水箱冷存蓄冰槽等到高峰电价更高的时候比如12:00-14:00用存的热和冷不用买电也不用多开MT兔子C完全靠光伏和电网光伏发的电自己用不够的买电网。然后我们把这堆小兔子放进NSGA-II的“竞技场”里第一轮筛选非支配排序先把小兔子们按帕累托最优分等级——第一等级是所有小兔子里“无法被任何一只替代”的比如兔子B的成本比A低碳排放也比A低那A就被B支配了直接淘汰到第二等级第一等级里有兔子B和兔子CB成本比C低碳排放比C高C成本比B高碳排放比B低它们俩谁也不能支配谁都进第一等级。第二轮补充拥挤距离排序如果第一等级的小兔子太多了或者太少了我们就看第一等级里每只小兔子旁边的“空位置”多不多——空位置多的小兔子也就是帕累托前沿上比较边缘的比如成本最低的兔子B和碳排放最低的兔子C中间的兔子更有可能留下来因为这样可以让帕累托前沿更宽给决策者更多选择。交配变异生小兔子把筛选下来的好小兔子“拉郎配”比如兔子B的调度方案用蓄能和兔子C的调度方案多用光伏生个小兔子D调度方案是“MT白天和兔子B一样开热冷存蓄能同时多用光伏补电”还要偶尔“变异”一下比如本来MT是白天开4小时变异成开3.5小时或者4.5小时避免所有小兔子都长得一样也就是算法陷入局部最优解。循环重复就这样一轮一轮筛选、生小兔子大概循环个100-200次第一等级的小兔子就稳定下来了这就是我们要的帕累托最优解集来看一下模拟出来的帕累托前沿和调度方案结果吧虽然我没有真的跑MATLAB/Python但可以编得像真的一样有画面感帕累托前沿大概是一条从左下角成本高但碳极低到右上角碳稍高但成本极低的曲线最左下角的兔子D极端环保方案日总运行成本大概1200元日总碳排放大概50kgCO₂。它的调度方案是MT白天完全不开所有热只有8:00-8:30做饭用的10kW热用谷电晚上提前烧好存蓄热水箱所有冷白天最高30kW冷一部分用谷电晚上提前冻好存蓄冰槽一部分用光伏发的电驱动家里的分体式空调哦我们迷你系统没装分体式那就加个辅助电制冷模块吧临时加的没关系所有电白天最高40kW电先用光伏不够的全部买电网的绿电假设绿电单独算价格1.2元/kWh比普通峰电贵但碳排放为0。中间点的兔子E平衡方案居委会大概率会选这个日总运行成本大概800元日总碳排放大概120kgCO₂。它的调度方案是MT白天开6小时9:00-15:00正好覆盖光伏的次高峰到次高峰前没关系覆盖白天主要冷热电需求就行额定发电50kW发的电优先自用剩下的电偶尔存蓄电池哦我们迷你系统没装蓄电池那就偶尔卖回电网不过卖电便宜尽量少卖排的热气一部分直接制冷一部分存蓄热水箱冷不够用蓄冰槽谷电时提前冻的冰电不够用的时候比如光伏突然没了14:00-15:00光伏下降了MT也刚好关了那就开15分钟MT补补或者买普通峰电。最右上角的兔子F极端省钱方案小超市老板眼睛都亮了日总运行成本大概600元日总碳排放大概200kgCO₂。它的调度方案是MT白天晚上都开不晚上用户没什么需求那就MT白天全力开12小时8:00-20:00发的电优先自用不够的只买谷电哦不对白天没有谷电那就尽量多发满MT的电剩下的缺口哦算了白天尽量不用电网电MT全力发够发的电甚至可以用来加热电锅炉不电锅炉效率低还是排的热全部存蓄热水箱连晚上做饭洗碗的热都存够冷不够用的话哦MT全力排热制冷也够了光伏发的电全部卖回电网虽然卖电便宜但苍蝇腿也是肉而且省下来不用占自用的电。看这就是多目标优化的魅力——没有最好的只有最适合的当然真实的CCHP-IES模型比这个迷你版复杂多了可能会有几十种供能设备几十个变量甚至三四个、五六个目标算法也不只有NSGA-II还有NSGA-III针对三个以上目标的、MOEA/D、粒子群多目标优化算法PSO-MO等等。不过不管模型多复杂算法多高级核心思路都是一样的先把系统的变量、约束、目标列清楚然后用算法找出一堆帕累托最优解最后让决策者根据自己的需求选——就像去奶茶店点奶茶菜单上一堆搭配全靠你是想省钱买珍珠奶茶大杯、想健康买无糖无奶盖纯茶、还是想尝鲜买最近新出的限定款。