具有缓解电网压力、交通拥堵及提升沿海地区抵御能力的多目标优化沿海能源共享网络研究

《Energy》：Multi-objective optimisation of coastal energy sharing network with mitigation of stresses on grid, traffic and coastal resilience

　　

摘要

海洋可再生能源资源为实现沿海社区的零排放目标提供了动力。将电动汽车（EV）集成到偏远的沿海建筑中，进一步促进了有效的能源共享和能源灵活性管理方案。现有的关于集成电动汽车的建筑的研究缺乏考虑电动汽车充电决策和建筑性能的深入最优解决方案。此外，目前还缺乏一个多目标优化框架，该框架能够同时考虑到对电网的影响、波浪衰减和道路交通的影响。本研究设计了一个通过电动汽车实现能源共享的网络，该网络包括了波浪能转换器（WEC）和浮动光伏（FPV），并配备了削峰控制技术和智能充电功能。通过结合TRNSYS和NSGA-II的方法，本研究对能源共享网络进行了多目标优化，以配置可再生能源和能源灵活性资源，以实现多种目标，包括改善波浪衰减、减轻交通影响以及降低峰值需求。通过最优设计和控制，当酒店建筑配备10%的WEC和90%的FPV，办公楼完全依赖FPV供电，并配备500千瓦时的办公楼电池和1000千瓦时的酒店电池时，净现值（NPV_rel）提高了13.74 ×10⁶港元，负面影响道路交通的程度从0.161降低到0.082。同时，系统的波浪衰减效果也得到了改善，从0提高到0.009。对帕累托前沿的详细分析为所提出的集成电动汽车的海洋能源交换系统提供了一系列针对具体情况的设计建议，有助于相关利益方在电网、交通和沿海地区实现多重目标。

章节摘录

引言和背景

全球变暖危机提高了碳中和的重要性，并加速了能源转型的进程。建筑和交通行业承担着实现清洁生产的主要责任，因为这两个行业在2022年共产生了超过100亿吨的二氧化碳排放[1]。绿色能源技术的广泛应用促进了零能耗/零排放建筑（ZEBs）和电动汽车（EVs）的发展。

当地天气条件

本研究中的海洋能源集成建筑系统位于香港。用于建模所提出的能源系统的天气数据提供了关于当地天气的重要信息，包括环境温度、干球温度和湿球温度、太阳辐射剖面等。香港记录的最高温度为34.7℃，最低温度全年在5.2℃左右。

波浪数据和海水温度是模拟FPV和WEC的两个关键输入参数。

系统配置和控制原则

在本研究中，所提出的远程能源交换网络包含两栋由同一利益方拥有的、依靠可再生能源供电的建筑以及十辆特斯拉Model S汽车。虽然这个能源共享系统乍看之下似乎有些假设性，但其所有权结构在香港是可行的。这十辆车在工作日为办公楼员工在这两栋建筑之间提供通勤服务。共有两条路线可供选择。

分析标准

本项目旨在使用TRNSYS和NSGA-II相结合的方法来模拟和优化一个集成了智能充电和能源灵活性控制的远程海洋能源交换系统。通过优化，本研究旨在确定可再生能源系统、电池容量和能源灵活性控制参数的最优设计方案，以实现多重目标。因此，从技术角度出发，采用了以下指标作为优化目标：

优化结果与讨论

本节展示了不同情景下的优化结果分析。表3中列出了所研究的情景及其目标。在进行优化之前，首先设计了一个参考案例作为基准案例。在该案例中，建筑内不使用可再生能源，建筑需求完全依靠电网电力满足。5.1节展示了情景1的结果。

敏感性分析

基于第5节中提出的最优案例，对选定的最优案例进行了几组敏感性分析：两栋建筑的排放水平均为100%零排放；酒店可再生能源系统中WEC的比例为10%，办公楼可再生能源系统中FPV的比例为100%；EMS遵循控制-2；办公楼电池容量为500千瓦时，酒店电池容量为1000千瓦时；电动汽车的削峰基准值为0.4；FSOCR的值为0.65。

潜在的实际意义和适用性

本研究提出了一种针对具体情况的多目标优化框架，考虑了电网、交通和沿海影响指标。所设计的最佳能源管理方法对于设计和运营具有多重目标的集成电动汽车的沿海可再生能源社区具有实际意义和适用性。

首先，所提出的集成道路交通的DMS为电动汽车和建筑所有者提供了最佳能源解决方案，使他们能够同时实现

本文的局限性

本研究的局限性在于对所提出系统的配置和运营假设的限制，包括交通网络规模有限、电动汽车数量和建筑类型有限，以及气候和地理条件有限。因此，最优的设计和控制方案是针对特定的集成电动汽车海洋能源交换系统而言的。首先，研究中调查的交通模型仅考虑了两条选定的道路供电动汽车驾驶员使用。

结论

本研究提出了一种针对具体情况的多目标优化框架，考虑了对电网、道路交通和沿海地区的影响。本研究逐步解决了以下研究问题：首先，设计了一个由WEC和FPV支持的海洋可再生能源共享系统，该系统涉及两栋建筑和十辆电动汽车，同时实现了零排放目标和波浪衰减潜力。

CRediT作者贡献声明

李亚轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查。戈库拉·马尼坎丹·森蒂尔·库马尔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查。罗浩杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查。曹松亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了智能能源研究所（RISE）的“P0050992”项目的支持。此外，本研究还得到了香港理工大学的“P0052423”项目以及旅游数字化转型研究中心（RCDTT）的“P0058763”项目的部分支持。

李亚轩|罗浩杰|戈库拉·马尼坎丹·森蒂尔·库马尔|曹松亮

香港理工大学建筑与环境学院建筑环境与能源工程系可再生能源研究组（RERG），香港特别行政区九龙