本发明涉及一种适用于内蒙古西部地区，丰富太阳能和风能使用便利的工业园区的多能互补微电网系统架构设计与能效管理算法，工程上涉及配电网领域，技术上涉及微电网系统优化运行与能效管理。
背景技术：
1、内蒙古蒙西地区工业园区聚集了大量制药、化工等高耗能企业，导致用电量剧增，随着碳达峰、碳中和目标的提出，传统的火电发电模式已经不再适合当地使用环境，而且在内蒙古蒙西偏远工业园区,架线及电缆敷设电网成本高、难度大、建设周期长，电网运行可靠性、安全性及经济性较差，运行控制与调度困难。
2、内蒙古地区太阳能和风能取之不尽和使用便利，而且具有环保、投资较少、建设周期短、可就近供电等优点，因此，充分利用如光伏发电、风力发电等可再生能源，是实现节约能源与高效发展，实现“碳达峰”、“碳中和”的重要举措，然而，以太阳能光伏发电和风力发电为代表的分布式能源的特征是出力的间歇性和波动性，可能会引起电压闪变、跌落等严重的电能质量问题，造成光伏弃光、风电弃风等现象，同时也可能对电网的潮流分布、网络损耗以及系统继电保护产生影响，随着分布式电源渗透率的增大，简单直接的并网方式甚至可能带来电力系统的稳定性问题，所以，要使风光互补能源发挥最大效能，须对风光等多能互补微电网系统进行研究，以此来提高风能和太阳能等分布式发电的发电效率和经济效益。
3、微电网技术是解决分布式电源接入电网的有效手段，它采用大量的现代电力技术，将风电、光伏发电、燃气轮机、储能设备等一些分布式电源通过一定的电气连接方式并在一起，在用户侧直接接入，既可作为电网的支撑环节，又可以就近向本地负荷供电，实现“即插即用”。但是受其体量和惯性所限，单一微电网对可再生能源的消纳能力及应对其波动性的能力仍有待提高，当面临可再生能源输出功率突变或大量负荷投切时，离网运行的微电网系统很可能会崩溃解列，开展适应多种类型、高渗透率分布式可再生能源接入的微电网技术研究，是建设坚强智能电网和能源互联网的关键环节和重要途径，是从根本上解决大规模分布式可再生能源消纳、降低其出力随机性和不可预测性对电网带来的冲击、保障区域内负荷的供电可靠性的有效手段。
4、工业园区主要是为提高工业化集约强度、突出产业特色、优化功能布局而通过行政手段划出的一块区域，通常聚集各种生产要素，用能需求形式多样化，包括照明、空调、动力等电能使用，供暖和蓄热装置等热能需求、以及蓄冷和热水等用能，而且对用能成本的控制要求相对较高。为满足工业园区多种能源需求，同时充分发挥分布式电源的优势，须建立多能互补型微电网组网，汇集园区电能、热能、冷能、气能等不同能量形式。
技术实现思路
1、本发明的具体技术方案如下：
2、①多能互补微电网系统模型设计
3、设计的多能互补微电网架结构着重突出了能源之间循环利用和能源互补，实现能源的综合管理以及梯级利用，通过对供电、供气、采暖、供冷以及供水等系统整合优化，同时向用户提供冷、热、电、气等多种能源，进而可以有效提高能源有效利用率。该网架结构中将园区用能分为电能、热能、冷能、气能四种形式，以能量汇集线的方式对微网中的联动设计进行描述,具体可分为电能汇集线、热能汇集线、冷能汇集线、气能汇集线。设计的网架结构分为分布式发电系统、分布式储能系统以及热冷电联供系统三大部分，可实现冷、热、电三种能源之间交互耦合，为“冷热电”联供提供能量传递渠道，其可以当电能过剩或不足时，起到削峰填谷的作用，同时降低出电池的容量，减少储能成本与维护费用。
4、②多能互补微电网分层控制策略
5、对设计的多能互补微网实施分层控制策略，分层控制策略共分为三层，包括基于下垂控制的底层控制策略、基于功率优化的二层控制策略和基于电能质量优化的三层控制策略，底层控制策略使各微源按照中央控制器系统下达的功率给定值分配系统中的瞬时负荷功率波动，协调控制风力发电机、光伏电池、微型燃气轮机、蓄电池等电力微源，同时控制微型燃气轮机余热分配和电制热、电制冷所用电能分配，以保证多能互补微网冷、热、电各条母线在满足对应负荷条件下安全运行，二层控制为功率优化控制策略，根据微源的功率预测，冷、热、电负荷预测，在满足冷、热、电功率平衡、各微源出力限制等约束条件下，建立以实现发电成本、温室气体排放最小化的优化目标，达到综合效益最优，通过使用优化算法，确定各微源在预测时间段所承担的功率配额和冷、热能输出装置分配比例，三层控制为电能质量控制策略，在功率优化基础上，进一步对多种权重下的功率最优个体中汇总进行电能质量综合评估，优化目标包括电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波含量，使优化目标在满足冷、热、电功率平衡前提下达到环境、经济与电能质量相对最优。
6、③多能互补微电网运行算法的目标函数
7、考虑的指标有发电成本、运维成本、折旧成本、环境成本等，这里设计的多能互补微网中微源包括微型燃气轮机、光伏电池、风力发电机、蓄电池，能量转换器包括余热锅炉、溴化锂制冷机、电制热设备、电制冷设备，因此针对模型，选择微型燃气轮机输出功率pmt、风力发电机输出功率pwind、光伏电池输出功率ppv、蓄电池输出功率pba、余热制热余热用量wmth、溴化锂制冷机余热用量wmtc、电制冷用电量peh、电制热用量pec共8个优化变量：
8、{pmt pwind ppv pba wmth wmtc peh pec}
9、多能互补微网经济优化的目标是在各个微源、设备容量和冷、热、电负荷供需平衡的约束条件下，实现发电成本和污染气体排放量综合最小化。由多能互补微网优化目标可得知，其目标函数zcost为：
10、minzcost＝λ1cg+λ2ce
11、式中：cg为系统发电成本；ce为污染气体排放罚款成本；λ1、λ2为发电成本、污染气体排放罚款成本的权重比例，且λ1+λ2＝1，
12、运行总费用包含多能互补微网微源发电成本、多能互补微网排放的污染气体罚款成本，其中发电成本由燃料成本和维护成本组成，而根据发电特性，不同的微源成本组成也不尽相同，多能互补微网中设备的燃料成本主要为微型燃气轮机产生，运行维护成本则每个微源、设备产生，而且不同微源、设备其维护系数也不同，但通常情况下，均与其输出功率相关。
13、④多能互补微电网运行算法的约束条件
14、考虑以下多能互补微网系统内约束条件，其中包括约束条件包括冷、热、电功率、余热等式平衡约束，以及各微源功率上下限不等式约束，具体的约束计算公式如下：
15、电功率平衡约束为pmt+pwind+ppv+pba-ploss＝pload，
16、热功率平衡约束为
17、冷功率平衡约束为
18、余热平衡约束为
19、微型燃气轮机出力约束为
20、风力发电机出力约束为
21、光伏电池出力约束为
22、蓄电池出力约束为
23、式中：ploss为线路损耗，pload为所有电力负荷，wmth,k为第k个余热锅炉制热余热用量，ηmth为余热锅炉制热余热转化效率，peh,k为第k个电制热用量，ηeh为电制热转化效率，wh为所有热负荷；wmtc,k为第k个溴化锂制制冷剂余热用量，ηmtc为溴化锂制冷机余热转化效率，pec,k为第k个电制冷用电量，ηec为电制冷转化效率，wc为所有冷负荷，为第k个微型燃气轮机最小安全出力，第k个微型燃气轮机最大安全出力，为第k个微型燃气轮机余热总量，为第k个风力发电机最小安全出力，为第k个风力发电机最大安全出力，为第k个光伏电池最小安全出力，为第k个光伏电池最大安全出力，为第k个蓄电池最小容量，为第k个蓄电池最大容量。
24、⑤效益评价指标体系
25、效益综合评价指标体系包括经济效益、技术效益、环境效益和社会效益4个一级指标、共下携投资成本、财务表现、设备使用水平、线路利用水平、功能可靠性、内部内源利用效率、外部自然环境效益、用户侧效益、带动社会发展效益9个二级指标和23个三级指标，具体计算公式如下：
26、投资成本效益
27、年度化成本
28、其中，折现系数、资金回收系数分别为：
29、pwf(i,n)＝(1+i)-n
30、crf(i,n)＝i(1+i)n/p(1+i)n-1]
31、平准化能源成本
32、净现值
33、内部收益率
34、动态投资回收期
35、设备利用率
36、负载率水平
37、系统平均停电持续时间
38、系统供能与用户需求间的差异反映系统的供需可靠性
39、
40、能源系统的环境效益
41、节能率
42、co2排放量mc＝we.pro+wh.pro+wc.pro·k·mc
43、so2排放量ms＝we.pro+wh.pro+wc.pro·k·ms
44、nox排放量mn＝we.pro+wh.pro+wc.pro·k·mn
45、式中：co为系统初投资；ii为第i种设备的单位投资，vi为第i种设备容量，n为设备种类数。ca为年度化成本；co为初投资；sv为经济寿命期后的残值系数；pwf(i,n)为折现系数；ft为第t年耗费的运维成本及税金；crf(i,n)为资金回收系数；i为折现率，此处指银行利率；n为系统运行寿命。ci为每年的现金流入，co为每年的现金支出，t为年数；loce表示平准化能源成本；capexl为初始投资成本的年度价值，包括自有资金，贷款和折旧；opexl是运营维护成本的年度价值，包括保险费，维修费，人工费等；taxl是应缴年度税，包括销售税，增值税，土地税等；c是装机容量；h是年利用小时数；ou是自我用电率；n是系统的运行寿命；i是折现率；ci为每年的现金流入，co为每年的现金支出，i为折现率，t为年数；t为动态投资回收期；ci和co分别为第t年现金流入及现金流出；ic为基准收益率，是投资者从动态角度确定的投资项目的最低可接受回报水平；ηe为系统的设备利用率；to为单位计划工作时长；tn为第n台设备在单位时间内的实际工作时长；n为系统内的能源环节设备数量；ηa为系统的配电网负载率水平；sa为配电网平均负载容量；s0为配电网额定负载容量；π表示系统平均停电持续时间；ploes表示系统的供需可靠性；we,t、wh,t和wc,t表示一定时期内园区内用户的用电量、热耗和冷耗；δwe,t、δwh,t和δwc,t代表t时期供电，供热和供冷的偏差；pl,e(t)、pl,h(t)和pl,c(t)分别表示t时期用户对电力负荷，热负荷和冷负荷的需求；po,i(t)是t时期i可再生能源单位的实际输出功率；pe,c(t)是t时期的电制冷；pcchp,e(t)、pcchp,h(t)，pcchp,c(t)是t时期系统电力，热力和冷量的实际输出功率；ps,k(t)是t时期k储能装置的放电功率；ηw为能源利用率；we,t、wh,t和wc,t是一定时期内园区内用户的用电量，热耗和冷量消耗；ξ指某一区域内的网络损失率；wgrid,t表示从外部电网购买的电量；wdes,t表示系统中的天然气消耗量；ηs为节能率；qf为常规系统一次能源消耗量；ql为含多能互补的新能源系统一次能源消耗量；mc表示系统co2排放量；we.pro，wh.pro，wc.pro分别为该能源系统一定时期内电力、热力、和冷量的生产量；k是供能的煤炭消耗量，mc是燃烧一吨标准煤产生的二氧化碳量；ms表示系统so2排放量；we.pro，wh.pro，wc.pro分别为该能源系统一定时期内电力、热力、和冷量的生产量；k是供能的煤炭消耗量，ms是燃烧一吨标准煤产生的二氧化硫量；mn表示系统nox排放量；分别为该能源系统一定时期内电力、热力、和冷量的生产量；k是供能的煤炭消耗量，mn是燃烧一吨标准煤产生的氮氧化物量。
46、⑥能源系统效益综合评价算法
47、指标权重确定方法：
48、令其中参数l,m,u分别表示模糊事件的最小取值、最可能取值以及最大取值。其隶属度函数描述如下：
49、
50、假设和是两个三角模糊数，则有：
51、
52、
53、
54、
55、具体的决策步骤如下：
56、步骤一：定义评语集与模糊数的映射，
57、步骤二：各决策者分别提供比较矩阵，
58、每个决策专家采用重要度比较矩阵，如下所示，
59、
60、其中aij均的评价语言集，aii＝j，k表示第k个决策专家，
61、步骤三：比较矩阵一致性检验，
62、首先，对矩阵进行去模糊化处理
63、
64、矩阵一致性指数ci如下所示
65、
66、其中aw＝λmaxw，是λmax比较矩阵中最大的特征值，m是矩阵的阶数，
67、矩阵一致性指数cr可计算如下：
68、cr＝ci/ri
69、如果cr的值小于0.1，则认为通过一致性检验，否则，需要决策者重新调整比较矩阵，
70、步骤四：使用几何平均数集结各决策者结果
71、
72、改进云模糊综合评价方法：
73、设u为一个可采用精确数值表示的论域空间，τ为论域u上的一个定性概念。设任意一个元素x(x∈u)是概念τ的一个随机的实例，其满足en′～n(en,he2),x～n(ex,ex′2)并且x属于τ的隶属度满足以下等式：
74、
75、其中，μ(x)为x属于τ的隶属度函数，它衡量x属于定性概念τ的隶属度，μ值越大，x对τ的从属性就越大，μ(x)在论域u上的分布称为隶属云，简称云；任一x称作u中的一个云滴；
76、假设有两个云x(ex1，en1，he1)和y(ex2，en2，he2)，云x和y之间的运算定义如下：
77、
78、
79、
80、
81、
82、
83、最后，确定对象的评价评语的具体步骤为：
84、步骤一，定义被评价对象的评语集v＝(v1,v2,…vc)，
85、步骤二，针对每个指标制定其属于各个评语时的区间范围u＝[l,u]，
86、该步骤根据专家经验确定，例如，针对指标“能源利用率”，专家可以制定“能源利用率”，
87、步骤三，通过上式计算每个指标对于每个评语的隶属度，
88、步骤四，汇总所有指标的隶属度并计算获得最终结果。
1.应用于蒙西工业园区的多能互补微电网系统架构与能效管理算法，其特征在于，包括以下6个步骤：
2.根据权利要求1中步骤1所述的多能互补微电网系统架构设计，其特征在于，步骤1中，设计的分布式发电、分布式储能以及热冷电联供系统架构，应用于太阳能和风能使用便利的工业园区的微电网系统。
3.根据权利要求1中步骤6所述的能源系统效益综合评价算法，其特征在于，改进的云模糊综合评价算法应用于多能互补微电网系统能效管理评价。
4.根据权利要求1中步骤1-6任一项所述的微电网系统架构与能效管理算法，用于蒙西工业园区的多能互补微电网系统架构设计与能效管理。
