基于改进电力系统级联分析的混合可再生能源系统的孤岛和并网运行模式的多目标优化
RANJAY SINGH , RAMESH C. BANSAL , (Senior Member, IEEE), ARVIND R. SINGH , AND RAJ NAIDOO Department of Electrical, Electronic and Computer Engineering, University of Pretoria, Pretoria 0084, South Africa Corresponding author: Ranjay Singh (ranjaysingh.c@gmail.com)
摘要 本文提出了一种改进的电力系统级联分析（RESCA）的新方法，用于优化混合可再生能源系统（HRES），其中风能转换系统，光伏系统，电池储能系统，非间歇源和电网作为系统组件。考虑在孤岛和并网模式下HRES的四种不同配置进行分析。 HRES的四个配置使用RESCA进行优化，具有约束，例如最终能量，可再生能源分数，能源发电率，电力供应概率损失和年度系统成本（ASC）。优化是针对美国纽瓦克的住宅负荷实现的，包括100户家庭，每户每天消耗30千瓦时。本文成功地介绍了RESCA方法的应用，以优化HRES，基于可靠性和经济约束隔离和并网的应用模式。
关键字 混合动力系统，可再生能源，风能，太阳能，储能，优化方法，迭代算法。
I. 引言
自工业时代以来，对电能的需求不断增加。这种增长是由传统燃料技术提供的，但由于化石燃料对环境的有害影响，现在焦点转向可再生能源技术。可再生能源技术不仅提供清洁能源，而且风，太阳辐照等输入源也是免费的[1]。但由于经济和政治障碍，可再生能源系统的能源成本仍然很高[2]。 导致可再生能源系统成本增加的一个主要因素是增加了储能系统或多个能源发电装置，以补偿能源生产过程中的不规则性[3]。由多个可再生能源和能量存储系统组成的系统称为HRES。有两种HRES操作模式，首先是孤岛模式，其次是网格连接模式，两者都有其优点和缺点[4]。并网运行模式有助于减少传统电网的非高峰电力需求，减少传统能源发电机和HRES在这种模式下的储备，也可以在电力过剩的情况下为电网供电，具有一定的先决条件[5]。这种运行方式有利于输电线路已经存在并且供电可靠性很重要的地方，特别是在城镇。孤岛运行方式有利于仍然离开电网的位置，有助于电气化 输电线路建设困难且价格昂贵的地区[6]。
安装这些HRES的主要障碍是优化HRES组件的尺寸/等级并确定操作模式。由于可再生能源系统的成本很高，因此在降低成本的同时优化系统额定值的使用是必要的，同时平衡电源可靠性[7]。最近已经进行了几项研究以优化混合能量系统（HES）的尺寸，其已经在表1中总结。各种软件工具和优化技术可以在[4]，[8]和[9]中找到.HOMER，RETScreen，HYBRID2等软件工具的主要缺点是，用户必须输入各种组件的大小。 并且软件仅基于输入范围提供结果，而最佳解决方案可能位于用户的输入范围之外。HOMER只考虑单个目标函数来最小化净现值（NPC），并且它不考虑小时内的可变性.HYBRID2对系统参数的访问受限。RETScreen不考虑PV性能的温度变化，不能导入时间数据系列，并且缺少处理数据的图形表示。iHOGA可以模拟负载限制为平均每日消耗10 kWh，并且不包括灵敏度和概率分析[8]。这些软件基本上提供了基于经济方面的最可行的解决方案，并且没有指导用户基于性能参数的预定义类型的解决方案。潜在的优化过程对用户是隐藏的，用户不知道或反馈为什么获得的解决方案是最好的。人工智能（AI）技术需要先了解这些技术的工作原理。对于优化HRES这些技术来说，关联和找到模拟参数和函数有点困难。
专业术语
缩略语
RESCA Reformed Electric System Cascade Analysis 改革后的电力系统级联分析
HRES Hybrid Renewable Energy System 混合可再生能源系统
WECS Wind Energy Conversion System 风能转换系统
BESS Battery Energy Storage System 电池储能系统
NIS Non-intermittent Source 非间歇性来源
FEE Final Excess Energy 最终的超额能源
REF Renewable Energy Fraction 可再生能源分数
EGR Energy Generation Ratio 能源生产比率
LPSP Loss of Power Supply Probability 电源概率损失
ASC Annual System Cost 年度系统成本
HES Hybrid Energy System 混合动力系统
TA Tabu Search 禁忌搜索
GA Genetic Algorithm 遗传算法
PSO Particle Swarm Optimization 粒子群优化算法
SA Simulated Annealing 模拟退火
PoPA Power Pinch Analysis 功率夹点分析
LCE Levelized Cost of Energy 平准化的能源成本
TSC Total System Cost 总系统成本
NPC Net Present Cost 净现值
LOL Loss of Load 负载损失
LA Level of Autonomy 自治程度
符号
Hourly PV system generation (Wh) 每小时光伏系统生成（Wh）
Number of PV modules 光伏组件数量
PV module efficiency (%) 光伏组件效率（％）
I(t) Hourly calculated solar radiation (Wh/) 每小时计算的太阳辐射（Wh / ）
Rated PV panel efficiency (%) 额定光伏电池板效率（％）
PV temperature coefficient of efficiency 光伏温度系数的效率
Computed ambient temperature (℃) 计算环境温度（℃）
Temperature at rated PV efficiency (℃) 额定PV效率时的温度（℃）
NOCT Normal operating cell temperature (℃) 正常工作电池温度（°C）
Ambient temperature (℃) 环境温度（℃）
Solar radiation at NOCT (Wh/) NOCT的太阳辐射（Wh /）
A Extra-terrestrial flux in (W/) 地外流量（W /）
k Optical depth 光学深度
m Air mass ratio 空气质量比
n Day number of the year 一年中的日数
Altitude angle of the sun 太阳的高度角
Normal component of beam radiation (Wh/) 光束辐射的正常分量（Wh /）
Diffused component of beam radiation (Wh/) 光束辐射的扩散分量（Wh / ）
Reflected component of beam radiation (Wh/) 反射光束辐射成分（Wh / ）
Phi; Azimuth angle in degrees 方位角度数
rho; Ground reflectance coefficient 地面反射系数
f Ratio of deficient energy catered by the grid to the BESS for configuration II
由电网提供的有效能量与配置II的电池储能系统的比率
ε Tilt angle of the collector in degrees 收集器的倾斜角度
Area swept by the wind turbine (W/) 风力发电机扫过的面积（W / ）
WECS efficiency 风能转换系统的效率
rho; Air density (kg/) 空气密度（kg / ）
v Wind speed at hub height (m/s) 轮毂高度风速（m / s）
MW Molecular weight of gas (g/mol) 气体分子量（g / mol）
R Ideal gas constant (.atm..) 理想气体常数(.atm..)
P(h) Atmospheric pressure (atm) 大气压（atm）
Wind speed at height (m/s) 高度风速(m/s)
V Wind speed at height H (m/s) 高度风速H（m / s）
alpha; Friction coefficient 摩擦系数
CE(t) Cumulative energy in BESS (Wh) 电池储能系统（Wh）的累积能量
C(t) Charging energy of BESS (Wh) BESS（Wh）的充电能量
D(t) Discharging energy of BESS (Wh) BESS（Wh）的放电能量
NCE(t) Net cumulative energy after pinch point adjustment (Wh)
夹点调整后的净累积能量（Wh）
DOD Depth of discharge of BESS BESS的放电深度
Energy bought from the grid (kWh) 从电网购买的能源（kWh）
Energy sold to the grid (kWh) 能源出售给电网（kWh）
Grid converter efficiency (%) 电网转换器效率（％）
Converter efficiency (%) 转换效率（％）
Energy generated from the non-renewable components (Wh)
不可再生组件产生的能量（Wh）
Primary load 主要负载
T Time period of analysis (hrs) 分析时间（hrs）
Generation fraction of WECS WECS的生成分数
Generation fraction of PV PV的生成分数
Loss in power supply (Wh) 电源损耗（Wh）
Total system cost ($) 总系统成本（$）
Cost of each component ($) 每个组件的成本（$）
Installation cost of each component ($) 每个组件的安装成本（$）
Maintenance and operation cost of each component ($)每个组件的维护和运营成本（$）
k Number of components 组件数量
Capital recovery factor 资本回收率
r Annual rate of interest (%) 年利率（％）
L Lifetime of the HRES HRES的生命周期
Hourly excess energy (Wh) 每小时多余的能量（Wh）
Peak time 高峰时段
Set value of EGR 设定EGR值
Set value of REF 设定REF的值
Sum of energy generated by one WT (Wh) 一个WT（Wh）产生的能量总和
Sum of energy gener
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资料编号：[1604]
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