基于Whale和Sine Cosine优化算法的混合发电系统优化设计

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）312基于Whale和Sine Cosine优化算法的混合发电系统优化设计穆斯塔法·A阿尔莫阿塔兹·阿卜杜拉齐兹b，F. Mekhamerb， Shady H. E.Abdel Aleemc，a通用汽车公司，埃及b埃及艾因夏姆斯大学工程学院电力和机械c数学、物理和工程科学，5月15日埃及接收日期：2017年10月30日;接收日期：2017年12月24日;接受日期：2018年3月9日在线发售2018年摘要随着电力需求的不断增长，配电系统运营商面临着电能质量、系统稳定性和可靠性等诸多挑战微电网（MG）和混合发电系统（HPGS）可以在解决这些问题方面发挥重要作用，同时提高电力系统的性能。在本文中，一个最佳的多标准设计的并网HPGS的介绍，考虑到参与的天然气分配网络（NGDN）在建议的配置，其中NGDN供应天然气的燃气轮机。HPGS系统由风力涡轮机（WT），光伏（PV）阵列，电池组（BB），燃气轮机（GT）以及公用电网（UG）组成。两种不同的元启发式优化算法，即鲸鱼，和正弦余弦，找到系统的最优设计，使总的年成本和系统排放量最小化。布谷鸟搜索和萤火虫优化算法的结果进行了详细的比较研究，以显示所使用的技术的鲁棒性。© 2018 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：分布式发电;发电系统;天然气;优化算法1. 介绍混合动力发电系统（HPGS）在过去几年中受到了广泛的关注，因为它们可以部分或全部解决一些电力系统问题。它们可以满足电力需求的增长*通讯作者。电子邮件地址：engyshady@ieee.org（S.H.E. Abdel Aleem）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2018.03.0042314-7172/© 2018电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）3123131B12PlineNG}提高电能质量，减少传统发电系统的排放，提高系统的可靠性。目前，基于可再生能源的发电正在世界各地迅速发展，以应对技术，经济和环境发展以及政治和社会倡议。 另一方面，如果这些基于可再生能源的发电没有被适当地确定大小，或者没有与公用事业有效地集成，则配电系统中可能发生许多问题，诸如过电压和欠电压、过度的线路损耗、变压器和馈电线的过载以及保护故障（Sakar等人， 2018年）。在文献中，几种配置管理HPGS的大小。在大多数这些布置中，可以注意到光伏（PV）阵列、风力涡轮机（WT）、燃料电池（FC）或电池组（BB）以及柴油发电机（DG）是混合能源系统中最广泛使用的单元（Madboly等人，2016年）。许多技术经济设计策略被操纵用于其最佳规划，无论是作为独立系统还是并网系统，例如功率损耗减少、系统安全性和可靠性改进、成本最小化以及用于最大化可再生能源渗透（Diaf等人，2007;Zhou等人，2008;Mohamed等人，2015;MalekiandAskarzadeh，2014;MalekiandPourfayaz，2015）.术语成本包括资本、运行、维护、运营成本、 消耗的燃料或其组合。然而，将天然气分销网络（NGDN）纳入尽管天然气具有低排放和低价格等优点，但HPGS很少被讨论。此外，我们认为，在一些国家，注意到天然气（NG）消耗在冬季月份期间增加，而在夏季月份期间相反地减少。相反，电力消耗在冬季减少，在夏季增加。这可以抵消消费，如果合并在一起。在埃及，天然气资源过剩，应加以有效利用。此外，使用天然气产生的排放量低于使用其他化石燃料产生的相应排放量特别地，对于相同量的能量，NG导致相当于60 kg的CO2，而在轻油的情况下，该量增加到超过70 kg的CO2，并且在使用煤的情况下，跳到90 kg的CO2此外，根据爱尔兰可持续能源管理局的数据，一升液化石油气的热值为每单位7.09千瓦，价格为0.575（D/升），而一立方米天然气的热值为每单位10千瓦，价格仅为0.441（D/升）（Anon，2016）。本文介绍了一种并网型HPGS的多目标优化设计方法，NGDN参与建议的配置。HPGS系统由WT、PV阵列、BB、燃气轮机（GT）以及公用电网（UG）和NGDN组成。两种不同的元启发式优化算法，即鲸鱼，和正弦余弦，找到系统的最优设计，使总的年成本和系统排放量最小化。介绍了两种设计方案，以验证系统在不同天气条件下的有效性。与传统的布谷鸟搜索和萤火虫优化算法的结果进行了详细的比较研究，以显示所使用的技术的鲁棒性。2. 研究中的市区在过去的几十年里，埃及政府鼓励使用天然气，因为它的可用性，成本低，与其他化石燃料使用产生的排放相比，排放量更少。天然气网络被简单地分类为将高压气体从沿海供应地输送到区域需求点的输送网络和将低压气体从需求点分配到消费者的分配网络。分配装置与传输装置的不同之处在于其小横截面管道、简单的构造（因为没有阀、喷嘴或压缩机）以及其在低压和中压下的操作（Cimellaro等人，2015; Djebedjian等人， 2008年）。 图图1显示了中压天然气分配网络的一部分，代表了所研究的城市地区。它可以被描述为具有指定Q容量的长管道如图所示，存在包括两个分布式压力调节器的单个管线这些调节器将介质压力降低到其可接受的极限，即100 mbar。两个调节器的容量覆盖该区域的所有客户负载（Djebedjian等人，2008年）。 点1表示中压管路的入口点，而点2表示调节器的入口点。该部分的能力形式化如下（天然气工程师和管理人员协会，2014年;RMG，2010年;Kim和DeWeck，2005年;Ryu等人，2009年;Shi等人， 2011年）：Q= 7. 574× 10−4×T×P −1× f −0。5{（P2−P2）d5（S公司简介0的情况。5）−（1）SNGPline314M.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）312Fig. 1.研究区域中压天然气管网图二.压力调节器示意图。式中，Pb是基准条件（大气条件）下的绝对压力（bar），dPline是管道内径（mm），f是摩擦系数，对于具有光滑内壁的波纹聚乙烯（PE）管道，其范围为0.009-0.015，P 1是绝对上游（入口）压力（bar），P 2是绝对下游（出口）压力（bar），T S是标准温度（288 K），S NG是NG的比重（kg/m3），Z是平均压缩系数，T NG是流动气体的平均温度，L Pline是管道长度（m）当量（2）表示天然气负荷引起的管道压降（PVP），其中P1为来自主压力站的输入压力，图1中点1表示，P2为考虑负荷引起的压降后的管道输出压力，图1中点2表示 同时，P2被认为是两个调节器的输入压力（Cimellaro等人，2015;Djebedjian等人，2008;天然气工程师和管理人员协会，2014;RMG，2010）。ΔP=P1−P2（2）图2示出了压力调节器的详细示意图。如前所述，P2表示该调节器的输入压力，Pout是设置为100 mbar的输出压力应注意，气体调节器的入口压力应保持在规定限值以上，以达到压力调节器的设计容量因此，气体调节器的输入压力应当被约束为低于某个阈值以提取M.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）312315√图三.所研究区域MBTU的每月电力和天然气消耗量。天然气负荷所需的容量（天然气工程师和管理人员协会，2014年）。当量（3）显示了调节器输入压力与输出容量（QR）（单位：m3/h）之间的关系（RMG，2010），其中，KG是尺寸系数。QR=KG×P输出（P2−P输出）（3）此外，为了使（1）中给出的Q最大化，应当考虑由（4）表示的流速（UNG）。如果U NG超过20 m/s，则灰尘颗粒将移动，对设备、压力调节器造成负面影响，并且还可能造成管道内表面的侵蚀（Cimellaro等人，2015;Djebedjian等人，2008;天然气工程师和管理人员协会，2014;RMG，2010）。UNG2D353×Q×PbP2−3730×f×LPline×Q2D100美元。5（四）管线15Pline从Eqs。（1）至（4）中，注意到压力调节器的最小输入压力（P2，min）和流速限制是Q最大化的主要约束，使得P2，min≤P2≤P1，且UNG≤20m/s。3. 动机和问题陈述图3显示了研究区域的天然气和电力的月消耗量。此外，图4显示了它们的日常使用情况，单位为百万英热单位（MBTU）。从这两个数字来看，值得注意的是，由于天然气和电力消耗之间的高度差异，使用NGDN作为低排放燃料源的可能性很大应该提到的是，这些测量是基于NG的热值（MBTU）和电功率来执行的。此外，从图2中注意到，NG负载的非高峰时段几乎与电负载的高峰时段同步，反之亦然，这可以有助于高效的HPGS管理。4. 问题公式化在这一节中，我们将对所研究的优化问题（目标和约束）进行公式化。=316M.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）312.=NP见图4。研究区域MBTU的小时电力和天然气消耗量4.1. 设计目标一个多目标函数（OF）制定考虑总的年成本（TAC）和总的年污染（TAP），同时，在HPGS的设计数学上，Eq。（5）给出了HPGS的主要设计目标，即最小化目标函数（f1和f2OF最小化f1（TAC）（5）f2（TAP）应用加权和方法将OF转换为单个函数f，其中原始多目标问题的帕累托最优解可以定义如下（Kim和DeWeck，2005;Ryu等人，2009年;Shi等人，2011;Wang等人， 2016年）：OF=最小化f（TAC，TAP）=（w1×TAC）+（w2×TAP）（6）其中w1和w2表示相应目标函数的重要性，因此：w1+w2=1，w1，w2≥ 0（7）以下小节详细描述了每个目标函数的主要公式4.1.1. 年度总成本（TAC）公式该系统的TAC涉及初始投资成本、运行和维护、天然气的年度燃料成本，以及从电网购买电力的年度成本此外，WT、PV和GT等组成部分的残值（SV）在成本计算中得到考虑，SV代表组成部分使用时间结束时的剩余或转售价值应该指出的是，根据环境法规，没有考虑BB的SV考虑了WT、PV、BB和GT机组的初始成本（IC）和运行维护成本（OMC）。年燃料成本（AFCNG）表示从天然气分配公司购买的NG。年购电（APEUG）表示从UG购买的电力。因此，TAC在数学上形式化如下（Nelson等人， 2006年）：TAC=ACi（IC+OMC−SV）+AFC+APEUG（八）其中，IC和OMC分别是WT、PV、BB和GT的初始成本、运行和维护成本SV是WT、PV和GT的残值NP是项目生命周期。假设WT、PV和NGM.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）312317- 是的ΣPVB.ΣΣΣΣΣΣΣ埃克斯湾1+v（i−1）NBGT是相同的，并设置为20年。当量（9）详细列出了各组成部分的初始成本，IC= ICWT+ ICPV+ ICB+ ICGT= αWT AWT+ αPV APV+ αB PBcapi=11+β+αGTPGT帽（九）其中，αWT是风力涡轮机的初始成本（$/m2），AWT是扫掠面积（m2）。此外，αPV是PV系统的初始成本（$/m2），APV是PV系统使用的面积（m2）。αB是电池存储系统的初始成本（$/kW），PBcap是电池的容量（kW）。v是升级（增加）系数，β是通货膨胀率。在本研究中，增长率和通货膨胀率分别被认为是12%和9%NB是BB的寿命，XB是在NP期间购买电池的次数。αGT是GT的初始成本（$/kW），PGTcap是GT同样，Eq。（10）分别示出WT、PV、BB和GT的OMC的主要因素OMC=OMCWT+OMCPV+OMCB+OMCGT=. αOMWTAWT+αOMPVAPV+αOMBPBcap+αOMGTPGTcap×NP1+vi（10）i=11+γ2 2其中，α OMWT 是WT的OMC（$/m），α OM是PV系统的OMC（$/m），α OM 是OMC，蓄电池系统（$/kW），αOMGT是GT系统的OMC（$/kW）。γ是利率，其值设置为12%。当量（11）说明了WT、PV和GT系统的总残值，SV= SVWT+ SVPV+ SVGT=.SWTAWT+SPVAPV+SGTPGTcap×1+βNP1+γ（十一）其中，SWT是WT的SV（$/m2），SPV是PV系统的SV（$/m2），并且SGT是GT系统的SV（$/kW）。当量（12）示出了总年度燃料成本（AFCNG），即GT消耗的NG的成本。8760AFCNG=HR×PGT，t×ΔNG（12）t=1其中HR是GT的热耗率（MBTU/kW），PGT，t是GT最后，方程（13）显示了从UG购买电力的年度总成本（APEUG）。8760APEUG=PUG，t×ΔEP（13）t=1其中PUG，t是从公用事业公司购买的功率（kW），并且UPEP是需求功率费率（$/kW）。4.1.2. 年污染总量（TAP）公式由于NG的使用，存在诸如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCS）、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）和颗粒物（PM）的排放。因此，HPGS在任何时刻t的TAP被考虑并公式化如下（Nelson等人，2006年）：TAP=k1，UG+k 1，GT+k 2，UG8760t=1PUG，t+k2，GT8760t=1PGT，t+k3，UG.8760t=12PUG，t+k3，GT.8760t=12PGT，t（十四）其中，k1，UG、k2，UG和k3，UG是UG的发电发射特性的系数另外，k1，GT，k2，GT和k3，GT是燃气轮机发电排放特性的系数ΣΣ318M.A. Algabalawy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）312000. 5ρAWTv3CpVWCI ≤v W

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