一种考虑*效率的综合能源系统多目标模糊优化方法与流程

本发明涉及综合能源系统，具体涉及一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法。

背景技术：

能源是人类赖以生存的基础和重要保障，是国民经济的命脉，如何保证能源可持续供应的同时减少环境污染，是当今社会共同关注的重点。一直以来，传统的区域能源系统缺乏用能的统一优化运行，普遍存在能源浪费、环境污染、供能独立、能源梯级利用水平低等问题，极大地影响了系统的运行效率和经济环境效益。在这样的背景下，综合能源系统的概念应运而生，综合能源系统将公共冷、热、电、气整合在一起，目的在于整合一定区域内电能、天然气、热能等多种能源，实现多种能源之间的协同优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。综合能源系统一方面通过实现多能源协同优化和互补提高可再生能源的利用率，另一方面通过实现能源梯级利用提高能源的综合利用水平。

综合能源系统根据某一区域内的能源结构和能源禀赋，优化配置各种能源资源，同时结合余热利用、热泵、储能等先进技术，充分利用高、低品位能源，为区域内用户提供冷、热、电等产品的技术解决方案。近年来，随着综合能源系统等理念的不断推广，能源系统的发展呈现多样化、智能化、信息化趋势。随着全球能源的深入渗透，能源利用向着多能协调、多能互补的方向发展，综合能源系统成为多种能源网络的集成发展方向。为进一步提高用能效率，促进能源的高效利用，进一步减少碳排放，加强多种能源的源、网、荷、储深度融合，构建综合能源系统是未来能源系统发展的必然趋势。

由此可见，构建考虑效率的综合能源系统，对促进建设清洁低碳、经济、安全高效的现代能源体系意义深远。本发明提出一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法，建立能源组件单元模型、流分析模型及多目标模糊优化模型，综合考虑不同工程场景需求，实现综合能源系统经济、高效、环保优化运行，有效促能源梯级利用，提升能源综合效率，是解决综合能源系统优化运行关键问题的有效手段。

技术实现要素：

发明目的：本发明旨在一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法，综合考虑综合能源系统经济、能效、清洁需求，为综合能源系统最佳优化运行提供理论指导。

技术方案：本发明提供了一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法，包括以下步骤：

(1)向综合能源系统输入系统信息，包括综合能源系统的架构信息、能源组件单元信息、电负荷信息、室内供冷冷负荷信息、室内采暖热负荷信息、生活热水热负荷信息、储能系统信息、太阳能光照强度预测信息、分时电价信息、天然气价格信息、生物质价格信息等；

(2)建立综合能源系统的能源组件单元模型，包括生物质锅炉模型、太阳能集热器模型、冷热电联供系统模型、热泵模型、储能系统模型；

(3)建立综合能源系统流分析模型，包括输出流分析模型、输入流分析模型；

(4)设置综合能源系统运行约束条件，包括容量约束、爬坡约束、能量平衡约束；

(5)建立单目标优化模型，包括经济型优化模型、综合效率优化模型、环保型优化模型；

(6)建立多目标模糊优化模型，包括目标函数的模糊化，多目标模糊优化求解模型；

(7)求解考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化模型，包括基于lingo18.0软件平台编写模型程序，并调用全局求解器对考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化进行求解；

(8)输出综合能源系统信息，包括燃气轮机的电热出力、消耗天然气量、购电量、消耗生物质量、余热回收锅炉热出力量、储能系统状态变化量、太阳能集热器热出力量、热泵消耗电能量等信息。

进一步，步骤(2)建立综合能源系统的能源组件单元模型包括：

a、生物质锅炉模型

生物质锅炉模型如下：

bboil(t)·ηboil,bio·lhvbio＝hbio(t)

式中：bboil(t)为生物质锅炉在时刻t消耗的生物质速率；ηboil,bio为生物质锅炉的工作效率；lhvbio为生物质的低位热值；hbio(t)为生物质锅炉在时刻t产生的热功率。

b、太阳能集热器模型

太阳能集热器模型如下：

ηcoll·acoll·gt(t)＝hsolar(t)

式中：ηcoll为太阳能集热器的工作效率；acoll为太阳能集热器的工作有效面积；gt(t)为时刻t太阳辐射强度；hsolar(t)为时刻t太阳能集热器产生的热功率。

c、冷热电联供系统模型

燃气轮机模型如下：

式中：ggt(t)为燃气轮机在时刻t消耗的天然气速率；ηe为燃气轮机的发电效率；lhvgas为天然气的低位热值；egt(t)为燃气轮机在时刻t的发电功率；qgt,ex(t)为燃气轮机在时刻t的烟气余热功率；ηloss为燃气轮机热能损失系数。

吸收式制冷机模型如下：

式中：ξsc(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于室内供冷吸收式制冷机的分配比例系数；ηrec,abs为吸收式制冷机的烟气余热回收效率；copabs为吸收式制冷机的工作性能系数；为吸收式制冷机在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的室内供冷冷功率；gabs(t)为吸收式制冷机在时刻t消耗的天然气速率；ηabs为吸收式制冷机的燃烧室的工作效率；为吸收式制冷机在时刻t通过直接消耗天然气产生的室内供冷冷功率。

室内采暖余热回收锅炉模型如下：

式中：ξsh(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于室内采暖余热回收锅炉的分配比例系数；ηrec为余热回收锅炉的热回收效率；为余热回收锅炉在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的室内采暖热功率；为用于室内采暖余热回收锅炉在时刻t消耗的天然气速率；coprec为余热回收锅炉直接燃烧天然气时的工作性能系数；为用于室内采暖余热回收锅炉在时刻t通过直接消耗天然气产生的室内采暖热功率。

生活热水余热回收锅炉模型如下：

式中：ξdhw(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于提供生活热水余热回收锅炉的分配比例系数；为余热回收锅炉在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的生活热水热功率；为用于提供生活热水余热回收锅炉在时刻t消耗的天然气速率；为用于提供生活热水余热回收锅炉在时刻t通过直接消耗天然气产生的生活热水热功率。

d、热泵模型

热泵技术是近年来在学术界和工业界均备受关注的新能源技术，依据地理资源禀赋，可以清洁高效的利用地热能，热泵模型如下：

式中：为制热状态下热泵在时刻t消耗的电能量；为制冷状态下热泵在时刻t消耗的电能量；为热泵的制热工作性能系数；为热泵的制冷工作性能系数；hhp(t)为制热状态下热泵在时刻t产生的热功率；chp(t)为制冷状态下热泵在时刻t产生的冷功率。

e、储能系统模型

根据储能系统应用的目的差异可以将它分为室内供冷、室内采暖、生活热水储能系统。综合能源系统中储能系统模型如下：

式中：分别为用于室内供冷、室内采暖、生活热水的储能系统在时刻t的储能量；σ^sc、σ^sh、σ^dhw分别为用于室内供冷、室内采暖、生活热水的储能系统在时刻t的能量损失系数；分别为用于室内供冷的储能系统在时刻t的充、放冷功率；分别为用于室内采暖的储能系统在时刻t的充、放热功率；分别为用于生活热水的储能系统在时刻t的充、放热功率；δt为时间间隔。

进一步，步骤(3)建立综合能源系统流分析模型包括：

a、输出流分析模型

a1、电负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的电负荷需求流。

a2、室内供冷冷负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的室内供冷冷负荷需求流；为室内供冷时的环境温度；为室内供冷冷流体温度。

a3、室内采暖热负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的室内采暖热负荷需求流；为室内采暖时环境温度；为室内采暖热流体温度。

a4、生活热水热负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的生活热水热负荷需求流；为提供生活热水时环境温度；为生活热水热流体温度。

b、输入流分析模型

b1、供电流分析模型

式中：为大电网在时刻t向综合能源系统输入的电流；δgen为电厂效率系数。

b2、供天然气流分析模型

式中：为配气站或气井或天然气系统在时刻t向综合能源系统输入的气流；为天然气因子。

b3、供生物质流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t获得的生物质流；为生物质因子。

b4、供太阳能流分析模型

式中：为太阳能集热器在时刻t获得的太阳能流；为太阳能集热器工作环境温度；为太阳能集热器输出的热流体温度。

进一步，步骤(4)设置综合能源系统运行约束条件包括：

a、容量约束

式中：ed＝gt、rec、abs、bio、hp分别表示燃气轮机、余热回收锅炉、吸收式制冷机、生物质锅炉、热泵能量组件单元；red(t)为能量组件单元ed在时刻t的出力；xed(t)为能量组件单元ed在时刻t的启停状态，启动取值为1，停机取值为0；分别为能量组件单元ed的最小运行出力、最大运行出力。

b、爬坡约束

-dred≤red(t)-red(t-δt)≤ured

式中：dred、ured分别为能量组件单元ed的下爬坡率、上爬坡率；δt为时间间隔。

c、能量平衡约束

c1、室内供冷冷功率平衡

式中：为室内供冷在时刻t的冷负荷需求。

c2、室内采暖热功率平衡

式中：为室内采暖在时刻t的热负荷需求。

c3、生活热水热功率平衡

式中：为生活热水在时刻t的热负荷需求。

c4、天然气功率平衡

式中：为综合能源系统在时刻t消耗天然气的总速率。

c5、电力功率平衡

式中：ebuy(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电功率；为综合能源系统在时刻t的电负荷需求。

c6、烟气余热功率平衡

qgt,ex(t)·(ξsc(t)+ξsh(t)+ξdhw(t))＝qgt,ex(t)

式中：ebuy(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电功率；为综合能源系统在时刻t的电负荷需求。

进一步，步骤(5)建立单目标优化模型包括：

a、经济型优化模型

本发明建立的经济型优化目标函数主要考虑了购电费用、消耗天然气的能源费用、消耗生物质的能源费用。经济型优化模型使得综合能源系统以最经济的方式运行。

式中：λgrid(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购电的分时电价；λgas(t)为综合能源系统在时刻t从配气站或气井或天然气系统购天然气的气价；λbio(t)为综合能源系统在时刻t购买生物质燃料的价格；cyc为综合能源系统的优化运行周期；cost为综合能源系统优化运行周期内的能源成本。

b、综合效率优化模型

效率分析，主要考虑综合能源系统的流的总输出和总输入差异，以体现不同能源做有用功的能力。

总输出

式中：为综合能源系统在优化运行周期内输出的总负荷需求

总输入

式中：为优化运行周期内输入到综合能源系统的总

综合效率：

在综合能源系统中，各类能源需求通常为已知量，因此，在各类负荷需求已知的情况下，上式等价转化为：

式中：ψex为综合能源系统在优化运行周期内综合效率。

c、环保型优化模型

本发明中的综合能源系统碳排放来源主要包括消耗电能带来的碳排放、消耗天然气带来的碳排放、消耗生物质带来的碳排放。

式中：envir为综合能源系统在优化运行周期内总的碳排放量；βgrid为大电网的碳强度因子；βgas为天然气的碳强度因子；βbio为生物质的碳强度因子。

进一步，步骤(6)建立多目标模糊优化模型包括：

a、目标函数的模糊化

本发明选择反sigmoid函数为单目标函数的隶属度函数，相应的数学表达式为：

式中：n＝1，2，3表示目标函数的个数；fn为n个单目标函数；ω1和ω2为反sigmoid函数的特征参数；μ(·)为隶属度函数。

b、多目标模糊优化求解模型

根据最大最小满意度原则，满意度θ为所有目标函数的隶属度函数中的最小值，即：

θ＝min{μ(fn)}

依据模糊理论的最大最小原理，多目标优化问题可以转化为满足所有约束条件的满意度θ最大化的问题，也就是maxθ问题，其数学描述如下：

maxθ

进一步，步骤(7)求解考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化模型包括：

本发明中建立的考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化模型从数学概念上理解是求解0-1混合整数非线性规划问题，可采用常用商业优化软件如lingo、cplex、gams等对其求解，本发明基于lingo18.0软件平台编写模型程序并调用全局求解器对其求解。

有益效果：与现有技术相比，本发明显著的效果如下：

(1)本发明在获取综合能源系统的结构、各类型能源组件单元、电负荷、室内供冷冷负荷、室内采暖热负荷、生活热水热负荷、各类型储能系统、太阳能光照强度预测、分时电价、天然气价格、生物质价格等信息的基础上，建立各种能源组件单元模型，能够根据地理资源禀赋特征建立更加精细化模型、更加符合实际工程应用场景特征。

(2)通过建立流分析模型，包括输出和输入流分析模型，本发明充分考虑到了不同能源品级特征，通过促进低温能源的利用，满足低质量的热能需求，可以减少优质能源的浪费，从而提高整体的效率。

(3)本发明同时设置运行约束条件，包括容量约束、爬坡约束、能量平衡约束，使得综合能源系统更加安全、高效运行；其次，建立单目标优化模型，包括经济型优化模型、综合效率优化模型、环保型优化模型，并在此基础上，建立多目标模糊优化模型，其好处在于可以大大降低能源成本，显著提高整体效率，减少系统碳排放量，满足不同利益主体需求；最后，基于lingo18.0软件平台编写模型程序并调用全局求解器对所建的多目标模糊优化模型求解，其好处在于求解速度快、误差小，减少计算分析工作量。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2为综合能源系统的算例结构图；

图3为综合能源系统购电的分时电价图；

图4为多目标模糊优化下的综合能源系统电功率平衡图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明所提供的是一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法，建立了综合能源系统多场景优化运行模型。通过建立各种能源组件单元模型、流分析模型，以期为综合能源系统建模提供更加精细化借鉴。考虑到工程应该中不同场景的实际需求，建立包括经济型优化模型、综合效率优化模型、环保型优化模型在内的多目标优化模型，以期满足综合能源系统不同工程应用要求。提出多目标模糊优化方法，综合考虑了综合能源系统经济、能效、清洁需求，以期为综合能源系统最佳优化运行提供理论指导。

一种考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)向综合能源系统输入系统信息

向综合能源系统输入系统信息，包括综合能源系统的架构信息、能源组件单元信息、电负荷信息、室内供冷冷负荷信息、室内采暖热负荷信息、生活热水热负荷信息、储能系统信息、太阳能光照强度预测信息、分时电价、天然气价格、生物质价格等信息。

(2)建立综合能源系统的能源组件单元模型

a、生物质锅炉模型

生物质锅炉的燃料来源较为广泛，如农业废弃物、林业木材废弃物、城市木材废弃物以及食品残渣等。充分利用生物质材料，可以加快地方经济发展，减少废弃物的数量。通过消耗一定量的生物质，可以为大型商业区、工业园区、产业园等提供生活热水，生物质锅炉模型如下：

bboil(t)·ηboil,bio·lhvbio＝hbio(t)

式中：bboil(t)为生物质锅炉在时刻t消耗的生物质速率；ηboil,bio为生物质锅炉的工作效率；lhvbio为生物质的低位热值；hbio(t)为生物质锅炉在时刻t产生的热功率。

b、太阳能集热器模型

太阳能集热器通过收集的太阳能能量来制取生活热水。太阳能集热器的安装和使用都较为灵活，目前已经得到广泛应用，其模型如下：

ηcoll·acoll·gt(t)＝hsolar(t)

式中：ηcoll为太阳能集热器的工作效率；acoll为太阳能集热器的工作有效面积；gt(t)为时刻t太阳辐射强度；hsolar(t)为时刻t太阳能集热器产生的热功率。

c、冷热电联供系统模型

燃气轮机是分布式综合能源系统中较为常见的能源转换单元，作为冷热电联供系统的核心组件，它通过消耗天然气来发电，同时产生大量的高温烟气余热，高温烟气可以通过余热回收装置来梯级利用。燃气轮机模型如下：

式中：ggt(t)为燃气轮机在时刻t消耗的天然气速率；ηe为燃气轮机的发电效率；lhvgas为天然气的低位热值；egt(t)为燃气轮机在时刻t的发电功率；qgt,ex(t)为燃气轮机在时刻t的烟气余热功率；ηloss为燃气轮机热能损失系数。

吸收式制冷机可以回收燃气轮机产生的高温烟气中的热量，用来提供室内供冷所需的冷功率，同时，吸收式制冷机也可以通过直接燃烧天然气来提供室内供冷所需冷量。吸收式制冷机模型如下：

式中：ξsc(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于室内供冷吸收式制冷机的分配比例系数；ηrec,abs为吸收式制冷机的烟气余热回收效率；copabs为吸收式制冷机的工作性能系数；为吸收式制冷机在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的室内供冷冷功率；gabs(t)为吸收式制冷机在时刻t消耗的天然气速率；ηabs为吸收式制冷机的燃烧室的工作效率；为吸收式制冷机在时刻t通过直接消耗天然气产生的室内供冷冷功率。

余热回收锅炉根据使用的目的不同，可以分为生活热水余热回收锅炉和室内采暖余热回收锅炉，其工作原理与吸收式制冷机类似。

室内采暖余热回收锅炉模型如下：

式中：ξsh(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于室内采暖余热回收锅炉的分配比例系数；ηrec为余热回收锅炉的热回收效率；为余热回收锅炉在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的室内采暖热功率；为用于室内采暖余热回收锅炉在时刻t消耗的天然气速率；coprec为余热回收锅炉直接燃烧天然气时的工作性能系数；为用于室内采暖余热回收锅炉在时刻t通过直接消耗天然气产生的室内采暖热功率。

生活热水余热回收锅炉模型如下：

式中：ξdhw(t)为时刻t燃气轮机产生的烟气余热流向用于提供生活热水余热回收锅炉的分配比例系数；为余热回收锅炉在时刻t通过回收燃气轮机烟气余热产生的生活热水热功率；为用于提供生活热水余热回收锅炉在时刻t消耗的天然气速率；为用于提供生活热水余热回收锅炉在时刻t通过直接消耗天然气产生的生活热水热功率。

d、热泵模型

热泵技术是近年来在学术界和工业界均备受关注的新能源技术，依据地理资源禀赋，可以清洁高效的利用地热能。相比于传统供热方式如电锅炉等只能将部分的电能转化为热能，转换效率通常低于100％，然而，热泵装置通过充分利用地热能，它能够输出自身所耗电能若干倍的热能，从而可以大大降低一次能源消耗。热泵模型如下：

式中：为制热状态下热泵在时刻t消耗的电能量；为制冷状态下热泵在时刻t消耗的电能量；为热泵的制热工作性能系数；为热泵的制冷工作性能系数；hhp(t)为制热状态下热泵在时刻t产生的热功率；chp(t)为制冷状态下热泵在时刻t产生的冷功率。

e、储能系统模型

在综合能源系统中，储能系统的应用也较为广泛，是综合能源系统中的重要组件单元，它可以实现能量在时间尺度上的转移。储能系统将某时刻多余的能量或者廉价的能量进行存储，在其它能量需求时刻或者能量价格较高的时刻释放，以实现能量的高效利用和降低用能成本。根据储能系统应用的目的差异可以将它分为室内供冷、室内采暖、生活热水储能系统。综合能源系统中储能系统模型如下：

式中：分别为用于室内供冷、室内采暖、生活热水的储能系统在时刻t的储能量；σ^sc、σ^sh、σ^dhw分别为用于室内供冷、室内采暖、生活热水的储能系统在时刻t的能量损失系数；分别为用于室内供冷的储能系统在时刻t的充、放冷功率；分别为用于室内采暖的储能系统在时刻t的充、放热功率；分别为用于生活热水的储能系统在时刻t的充、放热功率；δt为时间间隔。

(3)建立综合能源系统流分析模型

在综合能源系统流分析中，主要从输入和输出角度来考虑流变化情况。流分析不同于传统的能量流分析，流分析模型充分考虑了能量的品位差异，更能反映不同能量、同种能源不同表现形式的品级差异。

a、输出流分析模型

a1、电负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的电负荷需求流。

a2、室内供冷冷负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的室内供冷冷负荷需求流；为室内供冷时的环境温度；为室内供冷冷流体温度。

a3、室内采暖热负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的室内采暖热负荷需求流；为室内采暖时环境温度；为室内采暖热流体温度。

a4、生活热水热负荷需求流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t的生活热水热负荷需求流；为提供生活热水时环境温度；为生活热水热流体温度。

b、输入流分析模型

b1、供电流分析模型

式中：为大电网在时刻t向综合能源系统输入的电流；δgen为电厂效率系数。

b2、供天然气流分析模型

式中：为配气站或气井或天然气系统在时刻t向综合能源系统输入的气流；为天然气因子。

b3、供生物质流分析模型

式中：为综合能源系统在时刻t获得的生物质流；为生物质因子。

b4、供太阳能流分析模型

式中：为太阳能集热器在时刻t获得的太阳能流；为太阳能集热器工作环境温度；为太阳能集热器输出的热流体温度。

(4)设置综合能源系统运行约束条件

为确保综合能源系统安全、可靠、稳定的运行，需要考虑多类型的约束限制。在综合能源系统中，通常需要首先考虑各个能源组件单元的容量约束及爬坡约束，以使各个能源组件单元符合实际物理限制。同时，综合能源系统中涉及多种能源形式，如生活热水热能、室内采暖热能、室内供冷冷能、天然气能量、电能、高温烟气热能等，需要保证它们满足能量平衡约束。

a、容量约束

式中：ed＝gt、rec、abs、bio、hp分别表示燃气轮机、余热回收锅炉、吸收式制冷机、生物质锅炉、热泵能量组件单元；red(t)为能量组件单元ed在时刻t的出力；xed(t)为能量组件单元ed在时刻t的启停状态，启动取值为1，停机取值为0；分别为能量组件单元ed的最小运行出力、最大运行出力。

b、爬坡约束

-dred≤red(t)-red(t-δt)≤ured

式中：dred、ured分别为能量组件单元ed的下爬坡率、上爬坡率；δt为时间间隔。

c、能量平衡约束

c1、室内供冷冷功率平衡

式中：为室内供冷在时刻t的冷负荷需求。

c2、室内采暖热功率平衡

式中：为室内采暖在时刻t的热负荷需求。

c3、生活热水热功率平衡

式中：为生活热水在时刻t的热负荷需求。

c4、天然气功率平衡

式中：为综合能源系统在时刻t消耗天然气的总速率。

c5、电力功率平衡

式中：ebuy(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电功率；为综合能源系统在时刻t的电负荷需求。

c6、烟气余热功率平衡

qgt,ex(t)·(ξsc(t)+ξsh(t)+ξdhw(t))＝qgt,ex(t)

式中：ebuy(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电功率；为综合能源系统在时刻t的电负荷需求。

(5)建立单目标优化模型

本发明建立多个单目标函数，包括以综合能源系统能源成本最低的经济型优化目标、以综合能源系统综合利用最大的效率优化目标、以综合能源系统碳排放最小的环保型优化目标。

a、经济型优化模型

本发明建立的经济型优化目标函数主要考虑了购电费用、消耗天然气的能源费用、消耗生物质的能源费用。经济型优化模型使得综合能源系统以最经济的方式运行。

式中：λgrid(t)为综合能源系统在时刻t从大电网购电的分时电价；λgas(t)为综合能源系统在时刻t从配气站或气井或天然气系统购天然气的气价；λbio(t)为综合能源系统在时刻t购买生物质燃料的价格；cyc为综合能源系统的优化运行周期；cost为综合能源系统优化运行周期内的能源成本。

b、综合效率优化模型

效率分析，主要考虑综合能源系统的流的总输出和总输入差异，以体现不同能源做有用功的能力。

总输出

式中：为综合能源系统在优化运行周期内输出的总负荷需求

总输入

式中：为优化运行周期内输入到综合能源系统的总

综合效率：

在综合能源系统中，各类能源需求通常为已知量，因此，在各类负荷需求已知的情况下，上式等价转化为：

式中：ψex为综合能源系统在优化运行周期内综合效率。

c、环保型优化模型

本发明中的综合能源系统碳排放来源主要包括消耗电能带来的碳排放、消耗天然气带来的碳排放、消耗生物质带来的碳排放。

式中：envir为综合能源系统在优化运行周期内总的碳排放量；βgrid为大电网的碳强度因子；βgas为天然气的碳强度因子；βbio为生物质的碳强度因子。

(6)建立多目标模糊优化模型

a、目标函数的模糊化

为建立多目标模糊优化模型，需对每个目标函数定义其相应的隶属度函数。本发明中的多目标包括：最小化经济成本、最小化输入总最小化碳排放量。多目标均需要求最小值，因此可以选择反sigmoid函数为它们的隶属度函数，相应的数学表达式为：

式中：n＝1，2，3表示目标函数的个数；fn为n个单目标函数；ω1和ω2为反sigmoid函数的特征参数；μ(·)为隶属度函数。

b、多目标模糊优化求解模型

目标函数和约束条件均有模糊性或二者之一具有模糊性的优化问题称为模糊优化问题，当目标函数不只一个时为多目标模糊优化。根据最大最小满意度原则，满意度θ为所有目标函数的隶属度函数中的最小值，也即：

θ＝min{μ(fn)}

依据模糊理论的最大最小原理，多目标优化问题可以转化为满足所有约束条件的满意度θ最大化的问题，也就是maxθ问题，其数学描述如下：

maxθ

(7)求解考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化模型

本发明中建立的考虑效率的综合能源系统多目标模糊优化模型从数学概念上理解是求解0-1混合整数非线性规划问题，可采用常用商业优化软件如lingo、cplex、gams等对其求解，本发明基于lingo18.0软件平台编写模型程序并调用全局求解器对其求解。

(8)输出综合能源系统信息

输出综合能源系统信息，包括燃气轮机的电热出力、消耗天然气量、购电量、消耗生物质量、余热回收锅炉热出力量、储能系统状态变化量、太阳能集热器热出力量、热泵消耗电能量等信息。

(9)算例分析

a、算例介绍

本发明中算例以夏季典型日为研究对象，仿真步长为1小时，仿真周期为一天，也即是24小时。算例中综合能源系统结构如图2所示：主要能量组件单元包括燃气轮机、太阳能集热器、生物质锅炉、生活热水余热回收锅炉、室内采暖余热回收锅炉、室内供冷吸收式制冷机、热泵、生活热水储能系统、室内采暖储能系统、室内供冷储能系统。在输入侧，向综合能源系统中输入能源类型包括太阳能、生物质、天然气、电力。在输出侧，综合能源系统的输出包括生活热水热负荷、室内采暖热负荷、室内供冷冷负荷、电负荷。本发明的算例中，热泵工作在制冷模式下，为减小热泵工作对环境的影响，算例仿真中规定热泵在白天可以工作，也即是7:00-21:00时段，在夜晚必须停机。燃气轮机因发电产生的高温烟气分别被生活热水余热回收锅炉、室内采暖余热回收锅炉、室内供冷吸收式制冷机共同回收利用。同时设置夏季室内采暖热负荷无需求。生活热水余热回收锅炉、室内采暖余热回收锅炉、室内供冷吸收式制冷机及燃气轮机消耗的天然气均来源于天然气源。

本发明中算例的主要参数设置：生物质的低位热值为5.04kwh/kg，太阳能集热器的工作效率为0.4，燃气轮机的发电效率为0.24，燃气轮机热能损失系数为0.08，吸收式制冷机的烟气余热回收效率为0.7，收式制冷机的工作性能系数为1.2，天然气的低位热值为9.7kwh/m³，热泵的制冷工作性能系数为3.2，储能系统的能量损失系数为0.1，电厂效率系数为0.33，分时电价如图3所示。

b、结果分析

基于lingo18.0软件平台编写模型程序并调用全局求解器对上述所建立的单目标及多目标模糊优化模型求解。

表1：单目表优化与多目标模糊优化结果

算例中单目表优化与多目标模糊优化结果如表1所示，从表1中可以发现，各个单目标优化之间有明显的冲突，如使综合能源系统运行的能源成本最小优化时，经济最小费用为4510.470$，而此时总输入目标函数的值为132189.0kwh、总的碳排放量为23.51845t。当然，在优化碳排放最小时，综合能源系统的日运行最小碳排放量为21.42589t，而此时总输入目标函数的值为147688.1kwh、总能源成本为5959.737$。总的来看，不同优化运行策略下，各个单目标值差异较大。综合能源系统经济型目标函数值的范围为[4510.470，5959.737]$、总输入目标函数值的范围为[125732.1，147688.1]kwh、总的碳排放量的范围为[21.42589，23.51845]t。在多目标模糊优化下，经济型目标函数值为4950.025$，总输入目标函数值为135645.6kwh，总的碳排放量为22.65269t。可见，多目标优化结果值均在相应单目标函数值的范围内，多目标模糊优化综合考虑了综合能源系统的经济性、效率、环保性，满足工程实际应用需求。

多目标模糊优化下电功率平衡优化结果如图4所示，图4中，正值表示输入到电母线的电功率、负值表示流出电母线的电功率。图4显示，综合能源系统主要在分时电价的平谷期购电，来满足电负荷的基本需求。在电价峰谷阶段，主要靠燃气轮机来发电。总的来看，燃气轮机一直处于开机状态，主要原因在于在全天中电热负荷都有需求，而燃气轮机是主要的电、热、气耦合设备，在全天中承担电热负荷的基本载荷功能。从图4的结果中可以看到，热泵在白天一直处于工作状态，热泵的制冷效率较高，有效利用热泵装置可以明显减小经济成本与碳排放。在多目标模糊优化策略下运行，综合能源系统的各类型能源均达到最优平衡，满足实际综合能源系统优化运行需求。