分布式能源系统规划设计论文

1系统优化规划软件

1.1DER-CAMDER-CAM

能够以微电网年供能成本(购电成本、燃料成本、分布式能源等年值成本及运行维护成本)最低和/或CO2排放量最低为优化目标进行单一或多重目标的优化规划，可确定微电网内部分布式能源最优的容量组合以及相应的运行计划。目前该模型能够考虑光热、光伏、传统/新型发电机、CHP、热/电储能、热泵、吸收式制冷机、电动汽车等多种分布式能源和储能设施。DER-CAM中负荷模型包括纯电负荷、冷负荷、冷冻负荷、供暖负荷、热水负荷、纯天然气负荷共6类。

1.2HOMER

可再生能源互补发电优化建模(HybridOptimizationModelforElectricRenewable，HOMER)是由NREL资助开发的可再生能源混合发电经济-技术-环境优化分析计算模型，主要针对小功率可再生能源发电系统结合常规能源发电系统形成的混合发电系统进行优化。HOMER以净现值成本(可再生能源混合发电系统在其生命周期内的安装和运行总成本)为基础，模拟不同可再生能源系统的规模、配置，在一次计算中能同时实现仿真、优化和灵敏度分析3种功能。其优化和灵敏度分析算法，可以用来评估系统的经济性和技术选择的可行性，可以考虑技术成本的变化和能源资源的可用性。其能够模拟系统的运行过程，提供全年每小时各种可再生能源的发电量及系统电力平衡情况;能够详细计算系统全年燃料、环境、可靠性、电源、电网等各项成本;能给出不同限制条件下的最优化可再生能源发电规划方案。HOMER的优点在于其灵活的系统建模能力，能够对多种可再生能源、发电技术进行建模仿真，储能模型考虑了飞轮、蓄电池、液流电池以及氢储能。HOMER能够对并网型和独立型微电网系统进行建模仿真，支持基于全年8760h能量平衡仿真的系统容量优化以及参数灵敏度分析。其应用范围广泛，适用于不同规模的系统，目前已在城市、海岛、村庄、社区、住宅等规模下的可再生能源规划及电网优化设计中得到应用。此外，HOMER还能提供不同系统配置下详细的经济分析结果，但不足是作为能源规划分析软件，没有对网络进行建模。

1.3H2RES

H2RES是由克罗地亚萨格勒布大学于2000年开发的能源规划程序。该程序能够模拟不同研究场景(不同可再生能源、间歇式能源渗透率、不同发电技术)下能源需求(水、电、热、氢)、储能(氢储能、抽水蓄能、蓄电池)与供给(风、光、水力、地热、生物质、化石燃料或电网)之间的平衡。H2RES模型包括除核电外的各种热发电技术以及除潮汐能外的各种可再生能源技术，也包括不同的储能与转换技术。在进行风电、光伏和水电模拟时，需输入从邻近的气象站获得的风速、太阳能辐射和降水等气象数据，H2RES可由此输出合适的可再生能源技术参数。H2RES模型尤其适合提高海岛、偏远山区等独立型系统或与电网连接比较脆弱的并网型系统的可再生能源渗透率及利用率分析。此外，H2RES也可以作为单个风能、水力、光伏发电并网的辅助规划工具。

1.4HOGA

基于遗传算法的混合优化设计软件(HybridOptimizationbyGeneticAlgorithms，HOGA)由西班牙Zaragoza大学电气工程系开发。HOGA采用遗传算法对混合系统进行优化设计，其仿真时间为1h，在此期间所有参数都假定为常数。应用HOGA可以进行单目标或多目标优化。该软件可对组成混合发电系统的光伏发电机、风力发电机、蓄电池、水轮机、柴油或其他燃料发电机、燃料电池、电解槽、氢储罐、整流器和逆变器等组件的数量及种类进行优化，同时混合系统的控制策略和蓄电池的荷电状态设置点也可通过该软件进行优化。

1.5DCOT

联产设计工具包(Designer’sCogenerationOptimizationToolkit，DCOT)是中国科学院广州能源研究所在十余年的科研成果的基础上，研发的面向节能设计者的集成GAMS和Dest的辅助设计计算软件。软件基于数据库进行编程，具有完备的设备库和模型库，不同地区能源价格数据库，空调负荷数据库，另外还有算法库，包括线性规划、非线性规划、混合整数线性规划和混合整数非线性规划等算法。DCOT主要应用于需要进行能源优化设计(包括供电、供热和供冷)的场合。不仅可以应用于普通建筑，还可以应用于区域能源规划。在使用DCOT进行能源规划前，可以使用DEST和DOE-II的建筑热环境设计模拟软件来进行建筑模拟，得出全年、每天、每小时的冷热电负荷;并根据以上数据将全年分为几个工况，而后将各数据作为DCOT的优化设计的依据。

1.6PDMG

微电网规划设计软件(PlanningandDesigningofMicro-grid，PDMG)为天津大学在其配电网规划软件平台基础上研制的一套实用软件。该软件具备间歇性数据分析、分布式电源及储能容量优化、储能系统实现设计以及结合专家干预的技术经济比较等较为完整的微电网规划设计功能。PDMG采取流程化的微电网规划设计方法。主要包括原始数据获取与分析、分布式电源规划设计、储能系统规划设计和微电网方案评估。

2系统仿真分析软件

2.1HYBRID2

HYBRID2是由NREL与科罗拉多州大学于1996年合作开发的混合发电系统仿真软件。HYBRID2采用概率时序仿真模型，能够对风/光/柴/蓄混合发电系统进行技术、经济分析，可用于并网、孤岛混合发电系统的工程级仿真。HYBRID2仿真软件中，针对风/光/柴储独立微电网系统提出了多种控制策略，可以归纳为两大类:①柴油发电机主要扮演净负荷跟随的角色(负荷跟随)，蓄电池基本处于浮充状态，作为系统备用;②柴油发电机与蓄电池可轮流做主电源满足净负荷需求(循环充放)。净负荷是指由实际负荷减去可再生能源发电系统功率输出后的负荷值。HYBRID2是一款精确的混合系统模拟软件，模拟时间间隔可固定在10～60min之间。HYBRID2能对一个风光混合发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的混合发电系统结构、负载特性、安装地点的风速及太阳辐射数据获得一年8760h的模拟运行结果。但其只是一个功能强大的仿真软件，自身不具备优化设计的功能，且模拟所使用的风力发电机、光伏发电机和蓄电池特征的数学模型尚未公开。与HOMER相比，HYBRID2的优点在于其更为详细、准确的系统建模能力，其元件模型、控制策略比HOMER都要详细，其概率时序仿真模型弥补了准稳态仿真模型不能考虑参数波动(如风速、负荷波动)的不足。详细的元件模型、控制策略及仿真模型，使得HYBRID2的仿真结果更加准确。但HYBRID2的系统建模灵活度不如HOMER，且不具备系统容量优化及参数灵敏度分析功能，同样没有对微电网内部的实际网络进行建模，故不适宜单独用于微电网系统的规划设计。NREL建议使用HOMER软件对混合系统进行优化设计，将优化后的结果输入HYBRID2中，使用HYBRID2对其进行进一步的性能分析。

2.2μGrid

μGrid是由佐治亚理工学院正在开发的微电网仿真工具。针对微电网设备类型繁多、结构灵活而导致微电网仿真建模工作的挑战，μGrid具备较强的建模仿真分析功能。μGrid微电网分析软件抓住了三相或单相三线制、四线制及五线制电路最关键的物理现象，同时可基于物理模型模拟负荷。该建模方法使得一系列微电网相关问题的分析成为可能，如不平衡、不对称预测和评估、不平衡不对称损失评估、杂散电压及地电位升高评估等;系统中不同元件的相互动态影响以及对系统稳定性、发电机负荷控制(频率控制)、动态电压控制的影响等。电力电子接口的设计和控制算法是动态分析的关键问题，μGrid不仅包括一些典型的控制方案，而且还可以对分布式电源制造商的控制方案建模;同时还包括分布式电源的用户安装模型(DER-CAM)，能对DG的安装位置进行优化。μGrid具有较强的微电网建模、仿真、分析能力，但不具备微电网规划优化功能。但可与DER-CAM等软件结合使用，完成对微电网的规划与仿真。

3综合对比

目前分布式能源系统方面的规划设计软件总体并不完善，不同软件的功能也有所不同。针对上文所述的规划设计软件，对其功能进行综合对比，结果如表2所示。

4发展趋势

分布式能源系统内部设备类型繁多、结构复杂、运行方式灵活，涉及风/光/气、冷/热/电等不同形式能源的合理配置与科学调度，具有极大的不确定性和复杂度。由于分布式能源的优势体现在技术、经济、环保、社会等多个方面，需从可靠性、全生命周期成本、污染物及温室气体排放水平、能源利用效率、化石燃料消耗等多个方面对系统规划设计进行综合评价。分布式能源系统规划设计需要解决的问题包括容量优化配置、网络结构优化、运行控制优化、经济性优化等。因此，系统规划设计本质上是多场景、多目标、不确定性的综合规划问题。基于目前分布式能源系统规划设计软件的发展现状，可知软件的发展存在着以下几点趋势:

(1)多目标。由于分布式能源系统自身的复杂性，导致单目标优化无法全面、有效地进行规划设计，因此单目标优化会向多目标优化发展。

(2)并/离网模式。分布式能源系统的优势之一是既可以并网运行，也可以离网独立运行，因此分布式能源规划设计软件需要考虑并网与离网两种模式。

(3)负荷多元化。分布式能源系统除包括传统的电能外，还需综合考虑冷/热/氢等不同的负荷需求，因此软件应当对负荷需求进行全面的考虑。

(4)仿真与规划结合。仿真与优化两者各有优势且互为补充，因此在开发分布式能源系统规划设计软件时，应当考虑兼顾仿真与优化的功能。

5结语

为了给分布式能源系统的应用提供支持和参考，目前国内外已经开发出了一些规划设计软件，包括国外的DER-CAM、HOMER、H2RES、HOGA、HYBRID2、μGrid等，国内则有DCOT、PDMG等。本文分别介绍了这8款规划设计软件，在此基础上对功能、适用场合等参数进行了综合对比。从比较可以看出，目前的分布式能源系统规划设计软件存在较大局限，主要体现在优化目标单一、应用场合有限等缺点。为适应分布式能源系统的发展，本文提出了分布式能源系统规划设计软件未来的发展趋势。

作者:葛兴凯古云蛟单位:上海电气集团股份有限公司