多能互补微网系统仿真及经济性评价

2023-03-29邵志芳吴继兰宋亦心心

计算机仿真 2023年2期

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)

1 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，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E-OPT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。

傻姑继续在垃圾堆里翻找。范坚强从车厢里找到一个苹果，蔫得像八十岁老人的脸，他拿着苹果朝傻姑走去，笑着说：“来，给你。”

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。

模型使用FCFF(自由现金流)折现来计算项目净现值。

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

在桥上筑起亭台楼阁，是为了给行人一个暂避风雨和歇脚观景的地方。徽州属亚热带季风气候，湿润，多雨水，尤其春夏两季，天气变化更是无常，前脚出门还晴着，后脚出门就下起雨来。

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。

（3）地质雷达因为其快速、精确、方便的检测特点，在工程检测上有着其他方法不可比拟的优势，相信随着技术的发展，地质雷达技术会在其他检测领域发挥更大作用。

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。

【美国BWX技术公司网站2018年9月27日报道】 2018年9月27日，BWX技术公司(BWX Technologies)宣布其子公司美国核燃料服务公司(NFS)已获得一份总价值5.05亿美元的高浓铀稀释合同。这是该公司迄今获得的最大一份高浓铀稀释合同。

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。

2015年8月至2017年6月我院脊柱外科采用PVP治疗椎体压缩骨折患者105例,其中男性19例,女性86例,年龄45岁至97岁,平均69岁;所有患者术前均行MRI检查,提示新鲜骨折椎体132个,所有患者病椎术中均采用负压状态下同轴取材法采集标本,所采集标本进行病理检查,取材后常规行椎体成形术。

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，increase

(4)

ri，n，increase为第i种设备在第n年出现第m种(高、中、低)技术进步的概率，ri，m，1，increase为第i种设备在1年出现第m种(高、中、低)技术进步的概率，ri，m，increase为第i种设备每年出现第m种技术进步概率的增长量。

当某种设备出现技术进步时，模型记录该设备出现技术进步的时间和类型。

FCFF为自由现金流；EBIT为息税前利润；D&A为折旧与摊销，模型中将其单独列支；CAPX为资本性支出，本文仅考虑设备更新的资本性支出；NWC为净营运资本变动，本文中指本期流动资产和流动负债的差值与上期流动资产和流动负债的差值之差。

除前述设备更新策略外，电解槽等关键设备还会根据技术进步情况智能决策是否进行更新。当出现技术进步时，关键设备的成本、效率、容量等参数均会优化，此时模型需要对是否更换设备做出决策。模型主要以经济性为考虑目标，对三种设备分别设置智能更新策略：

1)电解槽：电解槽的主要设备参数为其能量转化效率和最大产氢速率，当出现技术进步时，这两项参数会依据技术进步的程度出现优化。

2)蓄电池：蓄电池的主要设备参数为其充放电功率、放电深度和充放电效率，当出现技术进步时，这三项参数会依据技术进步的程度出现优化。

用电负荷数据来源于某地一年的逐时用电负荷，其典型日负荷线如图3。

NPVrep，i≥NPV0

(5)

出现乌冰时，如乌冰面积不超过50%，或乌冰层浇薄（1cm左右），可以不破冰。如果乌冰面积较大、较厚时要打碎并捞出乌冰，使越冬池重结明冰。

(6)

(7)

NPVrep，i为更新设备后项目运行二十年的净现值，其中n为原有设备运行的年份，CPT0原来所有设备的初始投资成本，RV为原来所有设备的残值，(T-n)(CPTi-RVi)/T为被替换的第i种设备多余的价值，deprep，i为替换后的第i种新设备每年的折旧额，FCFFt为项目每年的收入，其中前n年根据实际运营情况计算。第n年之后设备更新，FCFFrep为更新设备之后每年的收入，采用估算值，即利用前n年的风力、光照、用户负荷数据，代入新的设备参数中进行计算，得出前n年每年的收入，计算其平均值，用求得的平均值来估算第n年之后每年的收入。WACC为加权平均资本成本。

sales为电力和氢气氧气的销售收入；Tvat为增值税率；cost为生产成本；Cm为原材料成本，这里只考虑纯化水的费用；因为原材料进项税可以抵扣，故实际生产成本为cost-Cm*Tvat；S&M为销售和管理费用。

当估算的更新后项目净现值大于未更新项目的净现值时，设备进行更新。

4 多能互补系统经济性评价

4.1 经济性评估

B公司对经销商的业绩评估十分匮乏，也就更谈不上风险预警。近几年，B公司的东北市场上出现过经销商通过召开订货会收取终端门店货款，但未履行发货义务，持货款跑路现象，导致公司品牌形象受到负面影响。分析其原因有如下两点：

FCFF=EBIT(1-Tc)+D&A-CAPX-NWC

(8)

3.3.2 智能更新策略

EBIT=sales(1-Tvat)+Cm*Tvat-

(9)

NPV0为未更新设备项目运行二十年的净现值，与NPVrep，i的计算类似，前n年的收入依据设备的实际运行情况计算，第n年之后，用前n年的平均收入来估算FCFFt，ave，其代表第n年之后每年的收入，以此来计算最终的净现值。

EPG(t)Prices(t))Δt+NhsPriceh

(10)

cost-S&M-D&A

本书取材自《西游记》。杨志成以剪纸绘画和布艺拼贴的形式，配合精炼、易懂的语言，重新呈现中国文化的丰富内涵，在欧美各国获得多项大奖，被誉为“有强大情感力量的东方绘本”、“眼睛、心智、灵魂的盛宴”。惊艳西方世界的同时，也为我们中国的孩子带来全新的视角和想象力，来欣赏自己的传统文化。

(11)

Nhs为年产氢量，Priceh为每标准状态立方米氢气的价格，T为8760小时。本文考虑动态电价对于净现值的影响，DPS(t)为t时刻未被满足的用户负荷，EPG(t)为t时刻系统不能消纳的电力，Pricee(t)为t时刻售电给用户的电价，Prices(t)为t时刻向电网售电的电价。ηwh为生产单位体积标准状态立方米氢气所消耗的纯化水体积，Pricew为单位体积纯化水的价格，Priceb(t)为t时刻向电网购电的电价。

通过阅读该绘本，可以了解树和木头的区别和变化关系、木头腐化的过程，并且可以认识真菌（fungi）、蘑菇（mushroom）等和森林树木相关的系列动植物名词。当这些单词是生词，造成阅读障碍时，读者可以通过配图来猜测获知相应单词的指向和意义，从而顺利解决阅读障碍，进而在后续的重复出现中进行巩固，加深词汇认知图示的建立。

专业教育干预促进了社区药师的道德推理能力的发展；评估加利福尼亚州药学和医学生的饮食和生活习惯；药学生领导行为激励因素的定性研究；提高药学生健康素养和自信心的互动式多元化途径；学生焦虑程度与考试合格率负相关；药学前工作经验对学生药师职业认同的影响；学术道德，对于药学生的诚信教育；改善药学生的睡眠质量；职业机密性要求；健康知识与学习成绩的关系；学生对沟通技巧的自我评估与教师对他们沟通技巧评估结果的比较。主要关注的是药学生的身体和心理健康、学术道德、同情心、领导力的发展以及职业认同感。

CPT0=CPTpv+CPTWT+CPTE+CPTB+CPTFC+CPTAE

(12)

CPTpv为光伏电池组成本，CPTWT为风力发电机成本，CPTE为电解槽成本，CPTB为蓄电池成本，CPTFC为燃料电池成本，CPTAE为辅助设备成本。

由以上各式，可以得出项目的净现值如下

(13)

4.2 社会效益分析

社会效益分为财政收入和环境保护收入，其中财政收入为所得税收入和增值税收入之和。环境保护收入分为两部分：

退休安置指符合退休条件的煤矿职工依法办理退休手续。内部退养是指截至2017年12月31日，距法定退休年龄（含特殊工种退休年龄）5年以内且养老保险缴费年限满15年的（含退养结束时满15年）职工自愿申请，企业同意，双方签订内部退养协议。分流安置是指总公司下属子公司或分支机构，根据需求提供工作岗位，员工自愿申请选择竞岗，被用工单位录用的员工，其工作年限连续计算，不给予经济补偿。解除（终止）劳动合同是指公司根据相关法律、法规的规定，与职工解除劳动关系，企业依法支付经济补偿③。

一是将供给至用户需求侧的电力等效转换成火电，计算在同等条件下火力发电需要排放的污染物，统计污染物的治理成本，计入环境收入

(14)

Rel为同等条件下火力发电需要的环境治理成本，Pfire，Pollution为单位火电需要的环境治理成本。

二是将售出的氢气转换成等能量的煤炭，计算燃烧这些煤炭所排放的二氧化碳和污染物，统计其治理成本，计入环境收入

Rh=Nhs×ηh，c×Pcoal，Pollution

(15)

Rh为燃烧与所售出氢气等能量的煤炭所需要的环境治理成本，包括碳税和污染物治理成本，Nhs为年氢气销售量，ηh，c为单位标准状态下氢气按能量折算为煤炭的折算率，Pcoal，Pollution为单位质量煤炭的环境治理成本。

瑞金最重要的通航河道是绵江，沿绵江和贡水可达赤白交界的赣县江口口岸。江口是赤白区物资交流的重要口岸，因而确保绵江通航顺畅十分重要。绵江从县城到城西30来里的武阳一段，河道中一些大小不一的岩石，妨碍船舶航行及安全，其中尤以靠近武阳号称“三穴石”的为害最大。刘少奇了解到这个情况后，指示王贤选抓紧组织人力，炸掉“三穴石”。

5 模型运行与结果分析

5.1 输入数据处理

当出现技术进步时，遵循以下原则进行判断

图3 典型负荷线

将上述负荷数据按等比例调整，获得微网用电负荷数据，调整后用电负荷峰值为11MW。风速数据来源于某地气象观测站的一年的逐时风速数据，该地位于东经115°81’、北纬37°13′。该地区的逐时太阳辐射强度数据利用Meteonorm软件获得。设置模型运行时间为20年。

5.2 运行结果分析

1)项目净现值分析

图4 项目累计净现值折线图

从图4可知，项目运行20年的净现值为19460万元，该值与同等条件下的运筹学模型结果相比有所下降，主要原因是设备管理模型考虑了设备故障、维修、更换等，这些状态对设备有两方面影响：一是部分设备不能以最佳状态运行，产能出现下滑，降低了设备的利用率，减少年度收入；二是设备会有额外的维修、更换费用，增加年度支出。

本文实现了运用TMS320F2812芯片并根据规则采样法获取频率可调的SPWM波形的方法，按照恒压频比控制算法控制异步电动机运行，设计的通用变频器输出从0～100 Hz，驱动三相异步电动机平稳调速，测试结果表明：系统硬件设计可靠。应用PS12034功率模块设计制作变频器，具有硬件电路设计规模小、调试简单、电磁兼容性以及抗干扰能力强、变频系统运行稳定、系统开发周期短等优势，选用PS12034功率模块设计通用变频器具有较强的实际应用价值。

2)项目年效益分析

从图5可以看出，项目的年售氢收入和售电收入基本保持稳定，售氢收入呈下降趋势，售电收入呈上升趋势，主要源于模型假设用户负荷逐年上升。年净现金流入基本保持稳定，但是在第15年的时候出现剧烈下滑，原因是随着设备运行年限的上升，第15年与第16年出现了大量设备需要更换，导致设备更新费用支出剧增，从而影响了当年的净现金流入。

图5 项目年收入

从图6可以看出，项目的年环境效益维持在1300万元左右，年纳税额基本维持在2000万元以上，只有在第15年、第16年因为收入的减少才低于2000万元。

图6 项目社会效益

3)设备运行分析

图7 燃料电池及电解槽利用率

图7-图8列示了每年燃料电池、电解槽、风力发电机的利用率。可以看到，燃料电池利用率始终处于5%以下，基本处于闲置状态，说明目前技术条件下，微网配置燃料电池发电单元经济性较差。电解槽利用率呈逐年下滑趋势，主要原因是用户负荷的增长使得可用来电解水制氢的电量减少。风力发电机利用率始终维持在80%以上，利用率保持稳定。

图8 风力发电机利用率

5.3 技术进步影响

图9显示当存在技术进步时，项目的某次运行结果净现值为22701万元，优于不存在技术进步时的情况。模型每次运行时技术进步情况均不同，模型假设高中低三种技术进步出现的概率为万分之五、千分之一、千分之一点五，且每种设备最多只能出现一次技术进步。实际运用中可根据实际情况，调整模型中参数，对技术进步的影响进行分析，若技术进步幅度更大，可获得更优的净现值。