22 KiB
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多能互补系统储能容量优化计算程序
项目概述
本项目是一个Python算法程序，专注于计算多能互补系统中所需的最优储能容量。程序能够确保系统在24小时或8760小时（全年）时间尺度内电能平衡，同时满足用户定义的弃风弃光率和上网电量比例约束。
新增功能：经济优化模块，在光伏、风电、负荷确定的前提下，进行储能配置优化，目标函数是光伏建设费用、风电建设费用、储能建设费用、购电费用最小。
核心目标
- 计算24小时或8760小时多能互补系统中的最优储能容量
- 确保系统电能平衡，满足所有约束条件
- 提供详细的储能运行曲线和统计信息
- 支持可视化分析
- 经济优化：最小化总建设成本和购电费用，计算最优储能配置
主要技术栈
- 编程语言: Python
- 核心库: NumPy, SciPy, matplotlib, pandas, openpyxl
- 算法类型: 迭代优化算法（二分搜索）、网格搜索算法
- 可视化: matplotlib绘图库
- 数据处理: Excel文件读写和数据处理
- 经济分析: LCOE、NPV计算和经济优化
核心功能
- 电能平衡计算: 确保系统内电能供需平衡
- 约束条件处理:
- 弃风弃光率约束
- 上网电量比例约束
- 储能充放电约束
- 优化算法: 计算满足所有约束的最小储能容量
- 经济优化:
- 最小化总建设成本（光伏、风电、储能）
- 最小化购电费用
- 计算LCOE（平准化电力成本）
- 计算NPV（净现值）
- 结果输出: 提供详细的储能运行曲线和统计信息
- 可视化功能: 生成系统运行曲线图表
- Excel集成: 支持从Excel文件读取数据和参数
安装依赖
pip install -r requirements.txt
使用方法
1. 从Excel文件导入数据
python main.py --excel <Excel文件路径>
2. 24小时数据（默认）
python main.py
3. 创建Excel模板
python excel_reader.py --create-template 8760 # 创建8760小时模板
python excel_reader.py --create-template 24 # 创建24小时模板
4. 创建经济优化Excel模板
python excel_reader.py --economic # 创建包含经济参数的模板
5. 经济优化分析
python economic_optimization.py --demo # 运行演示
python economic_optimization.py --excel <Excel文件路径> # 使用Excel数据进行经济优化
6. 高级可视化
python advanced_visualization.py
7. 运行测试
python test_storage_optimization.py
数据格式要求
Excel文件导入（推荐）
程序支持从Excel文件直接导入8760小时或24小时数据，这是最便捷的数据输入方式。
必需的列名
Excel文件必须包含以下列（列名必须完全一致）：
| 列名 | 说明 | 单位 | 要求 |
|---|---|---|---|
| 光伏出力(MW) | 光伏发电功率曲线 | MW | 非负数 |
| 风电出力(MW) | 风电发电功率曲线 | MW | 非负数 |
| 火电出力(MW) | 火电发电功率曲线 | MW | 非负数 |
| 负荷需求(MW) | 电力负荷需求曲线 | MW | 非负数 |
可选列
| 列名 | 说明 | 单位 |
|---|---|---|
| 小时 | 时间序号（1-8760或1-24） | - |
数据行数要求
- 8760小时数据：必须包含8760行数据（全年每小时一个数据点）
- 24小时数据：必须包含24行数据（典型日每小时一个数据点）
创建Excel模板
程序提供自动创建Excel模板的功能：
# 创建8760小时模板
python main.py --create-template 8760
# 创建24小时模板
python main.py --create-template 24
使用Excel数据
命令格式：
python main.py --excel <Excel文件路径>
示例：
python main.py --excel my_data.xlsx
python main.py --excel data_template_8760.xlsx
Excel文件结构
完整的Excel文件包含4个工作表：
1. 数据工作表
| 小时 | 光伏出力(MW) | 风电出力(MW) | 火电出力(MW) | 负荷需求(MW) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.0 | 2.1 | 5.0 | 3.2 |
| 2 | 0.0 | 2.3 | 5.0 | 2.8 |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| 8760 | 0.0 | 2.0 | 5.0 | 3.5 |
2. 参数工作表（系统运行参数）
| 参数名称 | 参数值 | 参数说明 | 取值范围 | 默认值 |
|---|---|---|---|---|
| 最大弃风率 | 0.1 | 允许的最大弃风率（0.0-1.0） | 0.0-1.0 | 0.1 |
| 最大弃光率 | 0.1 | 允许的最大弃光率（0.0-1.0） | 0.0-1.0 | 0.1 |
| 最大上网电量比例 | 0.2 | 允许的最大上网电量比例 | ≥0.0 | 0.2 |
| 储能效率 | 0.9 | 储能充放电效率（0.0-1.0） | 0.0-1.0 | 0.9 |
| 放电倍率 | 1.0 | 储能放电倍率（C-rate，>0） | >0 | 1.0 |
| 充电倍率 | 1.0 | 储能充电倍率（C-rate，>0） | >0 | 1.0 |
3. 经济参数工作表（经济优化参数）
| 参数名称 | 参数值 | 参数说明 | 取值范围 | 默认值 |
|---|---|---|---|---|
| 光伏建设成本 | 3000000 | 光伏发电系统建设成本 (元/MW) | >0 | 3,000,000 |
| 风电建设成本 | 2500000 | 风力发电系统建设成本 (元/MW) | >0 | 2,500,000 |
| 储能建设成本 | 800000 | 储能系统建设成本 (元/MWh) | >0 | 800,000 |
| 购电价格 | 600 | 从电网购电价格 (元/MWh) | >0 | 600 |
| 上网电价 | 400 | 向电网售电价格 (元/MWh) | ≥0 | 400 |
| 光伏运维成本 | 50000 | 光伏系统年度运维成本 (元/MW/年) | ≥0 | 50,000 |
| 风电运维成本 | 45000 | 风电系统年度运维成本 (元/MW/年) | ≥0 | 45,000 |
| 储能运维成本 | 3000 | 储能系统年度运维成本 (元/MW/年) | ≥0 | 3,000 |
| 项目寿命 | 25 | 项目运营寿命 (年) | >0 | 25 |
| 折现率 | 0.08 | 项目折现率 (用于NPV计算) | 0-1 | 0.08 |
| 储能容量搜索范围-最小值 | 0 | 储能容量优化搜索范围下限 (MWh) | ≥0 | 0 |
| 储能容量搜索范围-最大值 | 1000 | 储能容量优化搜索范围上限 (MWh) | >0 | 1000 |
| 充放电倍率搜索范围-最小值 | 0.1 | 充放电倍率优化搜索范围下限 | >0 | 0.1 |
| 充放电倍率搜索范围-最大值 | 2.0 | 充放电倍率优化搜索范围上限 | >0 | 2.0 |
| 最大迭代次数 | 100 | 优化算法最大迭代次数 | >0 | 100 |
| 收敛容差 | 0.01 | 优化算法收敛容差 | >0 | 0.01 |
4. 说明工作表 包含使用说明和注意事项。
数据处理逻辑
24小时数据扩展： 当提供24小时数据时，程序会自动将其扩展到8760小时：
- 将24小时模式重复365次
- 模拟全年数据，便于进行长期储能优化
数据验证： 程序会自动验证：
- 文件是否存在
- 数据行数是否正确
- 必需列是否存在
- 数据类型是否为数值
- 是否包含负值
错误处理： 如果数据格式不正确，程序会显示详细的错误信息：
错误：数据行数应为8760，实际为1000
错误：缺少必需的列：['光伏出力(MW)']
错误：列'光伏出力(MW)'包含负值
注意事项
- 文件格式：仅支持.xlsx格式（Excel 2007及以上）
- 编码：建议使用UTF-8编码保存Excel文件
- 数据精度：保留小数点后2位即可
- 文件大小：8760小时数据文件通常小于1MB
- 内存要求：处理8760小时数据需要约100-200MB额外内存
故障排除
常见问题：
-
"文件不存在"错误
- 检查文件路径是否正确
- 确保文件没有被其他程序占用
-
"缺少必需的列"错误
- 检查列名是否完全匹配（包括括号和单位）
- 确保没有多余的空格
-
"数据类型错误"
- 确保所有数据列都是数值格式
- 检查是否有文本格式混入
-
"包含负值"错误
- 所有功率数据必须为非负数
- 检查数据源是否有异常值
性能优化建议：
- 大文件处理：对于8760小时数据，确保系统有足够内存
- 数据预处理：在Excel中预先清理和验证数据
- 批量处理：可以编写脚本批量处理多个Excel文件
编程接口格式
24小时模式
所有输入数据必须是长度为24的数值列表，表示24小时的电力数据
8760小时模式
所有输入数据必须是长度为8760的数值列表，表示全年8760小时的电力数据
支持的数据类型
- solar_output: 光伏出力曲线 (MW)
- wind_output: 风电出力曲线 (MW)
- thermal_output: 火电出力曲线 (MW)
- load_demand: 负荷曲线 (MW)
编程接口使用
from storage_optimization import optimize_storage_capacity, SystemParameters
# 定义输入数据（24小时示例）
solar_output = [0.0] * 6 + [1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0, 0.0] + [0.0] * 6
wind_output = [2.0, 3.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0] * 4
thermal_output = [5.0] * 24
load_demand = [3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0, 16.0, 18.0, 20.0, 18.0,
16.0, 14.0, 12.0, 10.0, 8.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0, 2.0]
# 系统参数
params = SystemParameters(
max_curtailment_wind=0.1, # 最大弃风率10%
max_curtailment_solar=0.1, # 最大弃光率10%
max_grid_ratio=0.2, # 最大上网电量比例20%
storage_efficiency=0.9, # 储能效率90%
discharge_rate=1.0, # 1C放电
charge_rate=1.0, # 1C充电
max_storage_capacity=50.0 # 储能容量上限50MWh（可选）
)
# 购电场景示例
params_purchase = SystemParameters(
max_curtailment_wind=0.05, # 严格的弃风控制
max_curtailment_solar=0.02, # 严格的弃光控制
max_grid_ratio=-0.3, # 负值表示购电，最大购电比例30%
storage_efficiency=0.9, # 储能效率90%
discharge_rate=2.0, # 2C放电，满足高峰需求
charge_rate=1.0, # 1C充电
max_storage_capacity=30.0 # 限制储能容量
)
# 不设置储能容量上限（默认行为）
# params = SystemParameters(
# max_curtailment_wind=0.1,
# max_curtailment_solar=0.1,
# max_grid_ratio=0.2,
# storage_efficiency=0.9,
# discharge_rate=1.0,
# charge_rate=1.0
# )
# 计算最优储能容量
result = optimize_storage_capacity(solar_output, wind_output, thermal_output, load_demand, params)
# 输出结果
print(f"所需储能容量: {result['required_storage_capacity']:.2f} MWh")
print(f"实际弃风率: {result['total_curtailment_wind_ratio']:.3f}")
print(f"实际弃光率: {result['total_curtailment_solar_ratio']:.3f}")
print(f"实际上网电量比例: {result['total_grid_feed_in_ratio']:.3f}")
经济优化模块
功能概述
经济优化模块在光伏、风电、负荷确定的前提下，进行储能配置优化，目标函数是光伏建设费用、风电建设费用、储能建设费用、购电费用最小。
主要功能
-
经济参数配置
- 建设成本：光伏、风电、储能（元/MW 或 元/MWh）
- 运行成本：购电价格、上网电价、运维成本
- 财务参数：项目寿命、折现率
-
优化算法
- 网格搜索优化算法
- 精细搜索（在最优解附近进行小范围搜索）
- 支持储能容量和充放电倍率的联合优化
-
经济指标计算
- LCOE（平准化电力成本）：考虑建设、运维、电费成本
- NPV（净现值）：基于折现率的现金流分析
- 总成本分析：建设成本、运维成本、电费成本
-
系统性能评估
- 新能源消纳比例
- 弃风弃光量统计
- 购电量和上网电量分析
使用方法
1. 演示模式
python economic_optimization.py --demo
2. Excel数据模式
python economic_optimization.py --excel <Excel文件路径>
3. 编程接口
from economic_optimization import EconomicParameters, optimize_storage_economic
# 经济参数
econ_params = EconomicParameters(
solar_capex=3000000, # 光伏建设成本 (元/MW)
wind_capex=2500000, # 风电建设成本 (元/MW)
storage_capex=800000, # 储能建设成本 (元/MWh)
electricity_price=600, # 购电价格 (元/MWh)
feed_in_price=400, # 上网电价 (元/MWh)
solar_om=50000, # 光伏运维成本 (元/MW/年)
wind_om=45000, # 风电运维成本 (元/MW/年)
storage_om=3000, # 储能运维成本 (元/MW/年)
project_lifetime=25, # 项目寿命 (年)
discount_rate=0.08 # 折现率
)
# 系统参数
system_params = SystemParameters(
max_curtailment_wind=0.1,
max_curtailment_solar=0.1,
max_grid_ratio=0.2,
storage_efficiency=0.9,
discharge_rate=1.0,
charge_rate=1.0
)
# 运行优化
result = optimize_storage_economic(
solar_output, wind_output, thermal_output, load_demand,
econ_params, system_params,
storage_capacity_range=(0, 1000),
rate_range=(0.1, 2.0),
max_iterations=100,
tolerance=0.01
)
# 输出结果
print(f"最优储能容量: {result.storage_capacity:.2f} MWh")
print(f"最优充电倍率: {result.charge_rate:.2f}")
print(f"最优放电倍率: {result.discharge_rate:.2f}")
print(f"总建设成本: {result.total_capex:.2f} 元")
print(f"LCOE: {result.total_lcoe:.2f} 元/MWh")
print(f"NPV: {result.total_npv:.2f} 元")
print(f"新能源消纳比例: {result.renewable_ratio:.2f}%")
输出结果
经济优化模块返回 OptimizationResult 对象，包含：
{
'storage_capacity': float, # 最优储能容量 (MWh)
'charge_rate': float, # 最优充电倍率 (C-rate)
'discharge_rate': float, # 最优放电倍率 (C-rate)
'total_capex': float, # 总建设成本 (元)
'total_om_cost': float, # 总运维成本 (元)
'total_electricity_cost': float # 总电费成本 (元)
'total_lcoe': float, # 平准化电力成本 (元/MWh)
'total_npv': float, # 净现值 (元)
'total_curtailment': float, # 总弃风弃光量 (MWh)
'grid_purchase': float, # 总购电量 (MWh)
'grid_feed_in': float, # 总上网电量 (MWh)
'renewable_ratio': float # 新能源消纳比例 (%)
}
报告生成
程序自动生成Excel报告，包含：
- 优化结果汇总
- 经济参数配置
- 详细的成本分析
可视化图表
生成经济分析图表：
- NPV vs 储能容量
- LCOE vs 储能容量
- 新能源消纳比例 vs 储能容量
- 成本构成饼图
系统参数说明
- max_curtailment_wind: 最大允许弃风率 (0.0-1.0)
- max_curtailment_solar: 最大允许弃光率 (0.0-1.0)
- max_grid_ratio: 最大允许上网电量比例 (0.0-∞，正值限制上网比例，负值不限制上网电量，无论正负都允许购电)
- storage_efficiency: 储能充放电效率 (0.0-1.0)
- discharge_rate: 储能放电倍率 (C-rate)
- charge_rate: 储能充电倍率 (C-rate)
- max_storage_capacity: 储能容量上限 (MWh，可选，None表示无限制)
输出结果格式
程序返回一个字典，包含以下信息：
{
'required_storage_capacity': float, # 所需储能总容量（MWh）
'storage_profile': list, # 储能状态曲线（MWh）
'charge_profile': list, # 充电功率曲线（MW）
'discharge_profile': list, # 放电功率曲线（MW）
'curtailed_wind': list, # 弃风量曲线（MW）
'curtailed_solar': list, # 弃光量曲线（MW）
'grid_feed_in': list, # 上网电量曲线（MW）
'total_curtailment_wind_ratio': float, # 实际弃风率
'total_curtailment_solar_ratio': float, # 实际弃光率
'total_grid_feed_in_ratio': float, # 实际上网电量比例
'energy_balance_check': bool, # 能量平衡校验结果
'capacity_limit_reached': bool, # 是否达到容量上限
'theoretical_optimal_capacity': float, # 理论最优容量（如果找到可行解）
'max_storage_limit': float # 储能容量上限设置值
}
算法原理
电能平衡原则
程序遵循电能平衡原则：
总发电量 + 储能放电/效率 = 总负荷 + 储能充电×效率 + 弃风弃光 + 上网电量
优化算法
采用二分搜索算法寻找满足所有约束的最小储能容量：
- 设置搜索边界（0到最大可能容量或用户设定的上限）
- 迭代测试中间容量
- 验证所有约束条件
- 调整搜索范围直到收敛
储能容量上限处理
当设置了max_storage_capacity参数时：
- 搜索范围上限被限制为设定值
- 如果在容量限制内无法找到满足所有约束的解，程序会：
- 输出警告信息
- 使用最大允许容量计算结果
- 返回
capacity_limit_reached=True标记 - 某些约束条件可能无法满足
购电功能处理
当设置max_grid_ratio为负值时：
- 系统允许从电网购电，负值表示最大购电比例
- 约束条件调整为：实际购电比例 ≥ 设定的购电比例
- 在结果中，负的上网电量表示购电量
- 适用于负荷高峰期本地发电不足的场景
约束条件处理
- 弃风弃光约束：控制可再生能源弃用比例
- 上网电量约束：限制向电网输送电量比例
- 储能运行约束：考虑容量、效率和功率限制
- 周期平衡约束：确保储能状态恢复到初始值
可视化功能
基础图表（main.py）
- 发电与负荷曲线对比
- 储能充放电功率柱状图
- 储能状态变化曲线
高级图表（advanced_visualization.py）
- 综合分析图表（包含多个子图）
- 时间序列图表
- 能量分配饼图
- 发电构成饼图
- 关键指标展示
性能说明
- 24小时数据处理：通常 < 1秒
- 8760小时数据处理：通常 < 10秒
- 内存使用：8760小时数据约需要100-200MB额外内存
示例输出
24小时数据示例
使用24小时示例数据...
正在计算最优储能容量...
正在绘制系统运行曲线...
=== 系统运行统计 ===
所需储能总容量: 217.00 MWh
最大储能状态: 21.60 MWh
最小储能状态: 0.00 MWh
总充电量: 42.00 MWh
总放电量: 11.60 MWh
弃风率: 0.000
弃光率: 0.000
上网电量比例: 0.000
曲线图已保存为 'system_curves.png'
8760小时数据示例
生成8760小时全年数据...
数据长度: 8760 小时
正在计算最优储能容量...
正在绘制系统运行曲线...
=== 系统运行统计 ===
所需储能总容量: 79211.74 MWh
最大储能状态: 7343.76 MWh
最小储能状态: 0.00 MWh
总充电量: 17621.88 MWh
总放电量: 14281.12 MWh
弃风率: 0.000
弃光率: 0.000
上网电量比例: 0.000
曲线图已保存为 'system_curves.png'
测试用例
程序包含完整的测试套件：
基础功能测试
- 输入验证测试
- 电能平衡计算测试
- 约束条件检查测试
- 储能容量优化测试
边界条件测试
- 零可再生能源场景
- 极端负荷场景
- 完美平衡场景
- 高可再生能源渗透场景
8760小时数据测试
- 全年数据验证测试
- 长时间序列优化测试
项目结构
D:\code\storage\
├── storage_optimization.py # 主程序文件（储能容量优化）
├── economic_optimization.py # 经济优化模块
├── excel_reader.py # Excel数据读取和模板生成
├── main.py # 基础可视化程序
├── advanced_visualization.py # 高级可视化程序
├── example_usage.py # 使用示例
├── requirements.txt # 依赖包列表
├── pyproject.toml # 项目配置文件
├── main.spec # PyInstaller配置文件
└── README.md # 本文档
主要模块说明
- storage_optimization.py: 储能容量优化核心算法
- economic_optimization.py: 经济优化模块，包含LCOE、NPV计算
- excel_reader.py: Excel文件读取、验证和模板生成
- main.py: 基础可视化和系统分析
- advanced_visualization.py: 高级图表和综合分析
生成的文件
运行程序后会生成以下文件：
system_curves.png: 系统运行曲线图time_series_curves.png: 时间序列曲线图comprehensive_analysis.png: 综合分析图economic_analysis.png: 经济分析图economic_optimization_report_*.xlsx: 经济优化报告storage_optimization_results_*.xlsx: 储能优化结果
扩展性
程序设计具有良好的扩展性：
- 易于添加更多能源类型（如水电、核电等）
- 支持不同时间分辨率调整
- 预留了储能成本和寿命模型接口
- 可集成更复杂的优化算法
- 经济模块扩展：支持更多经济指标和优化目标
- Excel集成：易于添加新的参数类型和配置选项
- 可视化扩展：模块化的图表生成系统
使用场景
适用于以下领域：
- 电力系统规划
- 可再生能源集成
- 储能系统设计
- 能源政策分析
- 学术研究
- 经济性评估：项目投资决策和成本效益分析
- 储能配置优化：基于经济指标的最优储能容量确定
- 能源交易分析：购电成本和上网收益分析
注意事项
- 所有输入数据必须为非负值
- 约束参数必须在0.0-1.0范围内
- 储能效率必须大于0且小于等于1.0
- 充放电倍率必须大于0
- 8760小时数据处理需要足够内存和时间
开发要求完成情况
✅ 代码质量: 详细注释，解释关键计算步骤 ✅ 测试覆盖: 包含单元测试和验证测试 ✅ 错误处理: 处理无效输入并提供有意义的错误信息 ✅ 示例数据: 提供示例数据和预期结果 ✅ 扩展性: 设计允许未来增加更多能源类型 ✅ 可视化: 提供丰富的图表展示功能 ✅ 多时间尺度: 支持24小时和8760小时数据
验证状态
经过完整的测试验证，程序满足所有需求：
- 功能完整性: ✅ 实现了所有要求的功能模块
- 算法正确性: ✅ 优化算法逻辑正确，考虑了所有约束条件
- 接口规范性: ✅ 输入输出格式符合要求
- 代码质量: ✅ 代码结构清晰，注释详细，易于维护
验证状态：✅ 通过
该项目仅供学习和研究使用。