毕业设计外文资料翻译学 院： 电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 庞成浩 学 号： 100801217 外文出处： Energy 64 (2014) 375-388 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 附件1：外文资料翻译译文直接基于小区热水系统综合能源的建模及优化运行 本文提出了一种直接基于小区热水系统综合能源的模型,并且此系统能联合使用风能，太阳能，天然气和电能。该模型包括一个单独的风力涡轮发电机，热生产者，一个供水网络和加热负载。这项研究还调查了系统在日常运作中化石燃料消耗进行优化的最佳操作策略。基于该模型，通常获得控制策略的目标函数被复杂的操作限制所构造。GSO（搜索优化组）用来追踪锅炉的最佳设定点温度和泵的最佳水流量，以尽量减少燃料的消耗，与此同时满足变量约束。为了验证该模型和优化经营策略，模拟研究已经开展。最佳的操作策略是在与未优化的控制策略的比较中获得评估。仿真结果证明了该模型的有效性，并表明，最佳的操作策略是能够使系统运行更加节能。这个被提议的系统也在与常规天然气加热系统的比较中获得评价。这些比较的结果论证了投资的可行性，有意义的能源节约和日常运作实现成本降低。1 介绍 近日，化石燃料的有限储备和全球环境问题已经激发了人们专注于可再生能源的利用。化石燃料的燃烧对温室气体不断增长的排放负主要责任，并且排放的数量已经达到这样的水平，所以我们需要采取措施来防止气候变化所造成的不良影响。因此，有效的利用能源和/或增加可再生能源的比例对能源供应体系是有必要的，以此来减少化石燃料消耗和排放。作为能源供应体系的一个重要类型，加热系统要么是基于个人供暖要么是基于区域供暖。对于加热系统来说，节约一次能源，减少对环境的污染，提高居民生活质量是非常重要的。区域供暖已经证明比个体供暖更好，因为它可以减少更多的一次能源消耗和排放。相当数量的关于区域供热系统模型的研究已经在进行了。此外，研究表明，一个恰好的区域供热系统的优化供热面积在50,000.00 m2和250,000.00m2范围之间。如果加热面积大于该范围时，那么备用加热系统,被叫做间接区域供热系统，就会被建议使用。随着加热系统的发展，如何减少其化石燃料的消耗，同时满足当地的热量需求已经成为一个需要解决的问题。为了减少加热系统的化石消耗, 各种方法都已经被应用。斯珀林和默勒已经在当地的可再生能源系统中研究了终端能源节约和区域供暖扩建。马勃和哈维已经分析了在区域供热系统中天然气结合热电厂的生物燃料气化炉因素。Roonprasang等已经进行了利用太阳能水泵的一个新太阳能热水器系统的实验研究。stergaard和隆德已经为区域供暖开发出一种利用低温地热的可再生能源系统。stergaard等已经为奥尔堡市研究出了基于低温地热，风能和生物质能的可再生能源的方案。由此可以看出，可再生能源的综合利用和能源的有效利用是实现更节能的供热，减少环境污染的两种主要方法。与化石燃料的使用相比，可再生能源的利用可以使供热可持续发展，但仅仅使用可再生能源不能保证供热的质量。事实上，包括不可再生能源和可再生能源的能源资源的综合利用，可以同时使供热保持持续和可靠。对于区域供热，多元化能源包括化石燃料，热电联产热，废热和从地源热泵的有效热，太阳能热能和生物质能等的可再生能源。事实上，随着风力发电机和光伏技术的飞速发展，风能和太阳能资源更广泛地用于发电和产热。此外，这些技术在经济方面是有希望证明自己用于居住或工业等众多社会各界小规模的独立应用。除了能源资源综合利用，供热系统的运行优化也被认为是减少化石燃料消耗的措施。为了研究特定系统的最佳操作策略，通常采用一种优化算法。EAs（进化算法），从适应自然的研究和人工系统，在过去的几十年已经进行了全面研究。GA（遗传算法），PSO（粒子群优化）和其他人群为基础的优化技术已被广泛应用于优化问题求解。近日，GSO（组搜索优化）被他等人提出，这是从群居，动物界现象的一种的启发。GSO尤其是涉及动物搜索行为和利用PS（监制-Scrounger）生物模型，它假定组成员搜索无论是对发现（制片人）或加入（scrounger）的机会。GSO的广泛讨论和深入的分析，可以参见参考文献。其中就一系列单目标测试函数GSO和其他中介之间的综合比较已经被报道。GSO的表现对于代表参数不如使得真实世界的应用中特别有吸引力的最大追求角度敏感。实际上，GSO已被应用到解决一些真实的实际问题。他和李已经研究了一个调查组基于机器状态监测的神经网络优化的应用。 吴等人与多个生产者已经研制出了的FACTS装置。刘等人已申请了对桁架结构的设计GSO。席尔瓦等人开发了基于群搜索优化进化的极端学习机。在本文中，综合能源利用率和运行优化被认为是减少小区热水系统化石燃料的消耗，同时满足变化的热量需求的联合措施。本文的其余部分安排如下。第2节介绍了联合使用风能，太阳能，天然气和电能的直接的区域供热系统的典范。第3节的重点在于操作最佳化 系统日常运作的化石燃料的消耗因使用GSO而得到优化。在第4节，提出了模型和最优控制策略的仿真研究，包括参数的设置，结果分析和战略的评估。在第5节，为了分析投资的可行性，节能潜力和系统的运行降低成本的潜力，该系统与常规天然气加热系统进行比较评估。最后，本文的结论在第6。2 加热系统的建模本研究研究的系统是一个双管内直接加热系统。该模型包括一个区域供热站，供水网络和加热负载，这展示于图中1。模型只适用在特定的假设。为简单起见，我们已在这个特殊的模型中使用以下假设：（1） 展现在本文中的简易型系统是一个小规模的以综合性为主的能源供热系统，因为小供热面积的原因而需要直接加热。（2） 建筑面积仅覆盖城镇住宅楼宇，以及楼宇集中。（3） 在该模型中，流过散热器的水的质量被忽略。流动于供应的水的总质量和返回管线被假设为是相同的。（4） 流过管道的水的总质量比存储在所述锅炉的罐或同时操作所述水的水室中大得多。（5） 造成热水损失水管的热损失可以忽略，在这里我们只考虑引起的热对流热量损失。（6） 热水管有足够的保温和供应的温度损失及回报管线都较小，并且很接近。（7） 每座建筑物从一个供热管网的点被视为一个整体。每个建筑物的室内有着平均的温度值。2.1 区域供热站 一个小区供热站是热和电的网络的一个关键，其中包括风力涡轮发电机，中央控制设备，和包括一个燃气热水锅炉，电热水锅炉和一个平板式太阳能热水器在内的热生产者。能量转换的过程示于图 1。这些过程之间的关系可以表示为：其中PH1，PH2和PH3分别是产热的电热水锅炉，燃气热水锅炉和太阳能热水器，H1，H2和H3分别是电开水器，燃气热水锅炉和太阳能热水器的运转效率，PWG是从风力涡轮发电机产生的可用功率，Pgrid是从公共输电网购买的电能电，QG和BG，分别是天然气的热值和消耗率，Ncol位是太阳能集热器在现场的数目，Ac是一个太阳能收集器的区域，HT是入射在有标题收集器的总太阳通量。 当设计加热系统时，应特别注意中央控制器，它包括能实现集中控制的一系列设备。它收集有关风速，太阳辐射，实际热需求等时薪的信息来协调系统操作。集中控制器的主要任务概括为：i）为每台锅炉的温度控制器提供每小时的温度设定点;ii）为每个泵每小时设定流量点;）满足加热需求的同时，尽量减少系统中的化石燃料的消耗。 图1 集中供热系统示意图 图2 风力发电机的示意图 图3 提取风电与发电机转子的转速曲线 图4 单相PMSG的等效电路 2.1.1 风力发电机组 风力涡轮机与PMSG（永磁同步发电机）通常是通过一个背到背满转换器或SVC高压直流输电（基于高压直流电压源转换器）连接到交流电网。在这项研究中，图2展示了一个独立的风力涡轮发电机应用于水加热上。与用于供电的发电机相比，这样的风力涡轮发电机的功率转换器就不再需要。 风力涡轮发电机的详细模型可以在参考文献中找到。作为一种类型的变速风力涡轮机，其输出功率可表示为如下：其中Pw为机械功率，Pr为额定输出功率，Cp的功率系数，v为风速，r为叶片长度，是室外空气的密度，并且VCI，VCO和VR分别是切入，切出和额定转速。叶尖速比可加确定，其中表示涡轮转子速度。一个通用的公式用来模拟是：其中表示叶片桨距角。 CP（Cpmax=0.48）的最大值是当= 0和=8.1来实现的。图3给出了当= 0时风力涡轮机的不同风速下的功率转速特性。对于每个风速，最大功率点对应于涡轮机速度的只有一个值。当风速变化时，转子速度可以使所述涡轮机被调整在相应的功率曲线的峰值操作。连接这些功率曲线的峰值的曲线对于给定的风速可以产生最佳的转子速度和最大功率。这样的风力涡轮发电机，包括速度控制和俯仰角控制的控制策略，给出如下。在高风速，该桨距角控制用于从风中提取电能这样涡轮机在额定输出功率工作。在低和中等风速，振幅ug和交流的频率fe在风速变化时输出电压。然而，控制ug和Fe在由电力变换器恒定值这是没有必要的，因为发电机未连接到电网或家用电器。事实上，它只是直接链接到电阻式水加热元件。如该图所示2，一个离散频率调节器对调节符合于风速的变化的电动机的转子转速负责，以便保持输出功率在最大值。在此反馈控制环路，一个三相PLL（锁相环）系统被用于测量电压的频率。随后，所测量的频率fe与基准频率feref比较，从而获得一个频率误差。然后，使用调节器的误差，产生代表负载所需的功率的输出信号。对于给定的风速，用于控制PMSG的转子速度的基准频率feref由下式确定：其中ng是变速比，np为极对数，是的最优值并且=8.1。 假设在d轴和q轴的发电机的电感之和是相等的，即。PMSG的单相等效电路图4。非负载电动势E0的虚拟值由（5）给出，其中k0为常数。其中fe代表发电机的电压频率。因此，对于给定V，最优单相电阻值，R工作，和参考频率，feref之间的关系，可以表示为： 其中 表示发电机的一个给定的风速V的最大输出。可以从给定的其值是VCI和VR之间的风速看出，电阻值可以调整到最佳值Ropt，根据参考频率，feref，使得发电机可以在最佳的速度运行。功率系数和所述风力发电机采用所提出的控制策略的输出功率曲线分别示于图5和图6中。 图5 风力发电机的功率系数附件2：外文原文38