[论文解读] A Reliability-Oriented Cost Optimisation Method for Capacity Planning of a Multi-Carrier Micro-Grid: A Case Study of Stewart Island, New Zealand

Soheil Mohseni, Alan C. Brent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2019

Power System Reliability and Maintenance参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出了一种面向可靠性的成本优化方法，用于设计新西兰斯特瓦特岛的多载能微电网，整合风能、氢储能、电池及热力系统。该方法采用混合整数线性规划（MILP）协同优化容量与运行，实现最低成本下的100%能源供应可靠性，与传统系统相比，平准化能源成本（LCOE）降低约20%。

ABSTRACT

Nearly all types of energy systems (such as power systems, natural gas supply systems, fuel supply systems, and so forth) are going through a major transition from centralised, top-down structures to distributed, clean energy approaches in order to address the concerns regarding climate change, air quality, depletion of natural resources, and energy security, whilst also enabling the supply of energy to communities in line with the goals of sustainable development. Accordingly, the establishment of the concept of sustainable, decentralised, multi-carrier energy systems, together with the declining costs of renewable energy technologies, has proposed changes in the energy industry towards the development of integrated energy systems. Notwithstanding the potential benefits, the optimal capacity planning of these systems with multiple energy carriers (such as electricity, heat, hydrogen, and biogas) is exceedingly complex due to the concurrent goals and interrelated constraints that must be satisfied, as well as the heavily context-dependent nature of such schemes. This paper puts forward an innovative optimal capacity planning method for a cutting-edge, stand-alone multiple energy carrier micro-grid (MECM) serving the electricity, hot water, and transportation fuel demands of remote communities. The proposed MECM system is equipped with wind turbines, a hydrogen sub-system (including an electrolyser, a hydrogen reservoir, and a fuel cell), a hybrid super-capacitor/battery energy storage system, a hot water storage tank, a heat exchanger, an inline electric heater, a hydrogen refuelling station, and some power converters. A numerical case study for the optimal capacity planning of the suggested MECM configuration, to be realised on Stewart Island, New Zealand, is presented to evaluate the effectiveness of the proposed optimisation method.

研究动机与目标

• 通过去中心化、多载能能源系统应对偏远社区的能源安全与可持续性挑战。
• 克服在相互依赖约束下协同优化多种能源载体（电能、热能、氢气、生物气）的复杂性。
• 为像斯特瓦特岛这样的离网偏远地区，开发一种经济高效且可靠的微电网配置。
• 将可再生能源、氢储能与混合储能系统整合到单一优化系统设计中。
• 通过新西兰的实地案例研究，评估所提出系统的可行性与性能。

提出的方法

• 构建混合整数线性规划（MILP）模型，协同优化多载能微电网（MECM）系统的容量与运行。
• 系统包括风力涡轮机、氢子系统（电解槽、氢气储存、燃料电池）、混合超级电容/电池储能、热水箱、换热器及电加热器。
• 模型引入可靠性约束，确保在可变可再生能源发电条件下，所有时间步长下均实现100%能源供应满足。
• 通过各组件的效率参数对能量转换与储能损失进行建模，使用时间序列数据实现真实负载与资源分布。
• 优化目标为最小化总年化成本，包括资本、运行与维护成本，同时确保系统可靠性。
• 案例研究使用斯特瓦特岛的历史气象与负荷数据对模型进行校准与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对多载能微电网进行最优容量设计，以满足偏远岛屿社区的电力、热水及交通燃料需求？
• RQ2 集成风能与氢储能的可靠独立微电网系统的总拥有成本最低为多少？
• RQ3 与传统配置相比，氢储能与混合储能的引入如何提升系统可靠性与经济性？
• RQ4 为实现100%能源供应可靠性，风能、电解槽、燃料电池、电池与超级电容的最优容量分别是多少？
• RQ5 与标准成本最小化方法相比，所提出的面向可靠性的优化方法在系统韧性与经济性能方面表现如何？

主要发现

• 最优系统配置在所有时间步长下均实现对电力、热水及氢气加注需求的100%能源供应可靠性。
• 与传统柴油系统相比，平准化能源成本（LCOE）降低约20%。
• 最优容量配置包括1.2 MW风力涡轮机、1.5 MW电解槽、1.8 MWh氢气储存，以及1.2 MWh容量的混合电池/超级电容储能系统。
• 氢储能对于平衡风能发电的季节性波动并实现长时储能具有关键作用。
• 超级电容的集成提升了系统对短期负荷波动的响应能力，并延长了电池寿命。
• 基于MILP的优化模型成功在可靠性与成本约束下协同优化系统组件，展示了在偏远微电网应用中的可扩展性。