微電網規(guī)劃評價指標體系研究

盧志剛，周雷，楊麗君，鐘嘉慶

(燕山大學電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北秦皇島066004)

微電網規(guī)劃評價指標體系研究

盧志剛，周雷，楊麗君，鐘嘉慶

(燕山大學電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北秦皇島066004)

為了更客觀地評價不同結構微電網的優(yōu)劣，構建了新形勢下的微電網規(guī)劃評價指標體系。評價指標體系分為微電網規(guī)劃戰(zhàn)略收益評價指標與微電網規(guī)劃基礎結構評價指標兩部分，其中，戰(zhàn)略收益部分考慮了電網企業(yè)、獨立投資商、微網內用戶三種微網投資主體的利益需求指標;基礎結構部分考慮了微網內微電源與儲能裝置的性能指標，兩部分指標重點突出，互補性強。采用層次分析法與模糊綜合評價法對三種方案進行綜合評價，對結果進行了科學合理的分析，驗證了所提指標體系的有效性。

微電網規(guī)劃;綜合評價;戰(zhàn)略收益指標;基礎結構指標

1 引言

微電網在節(jié)能降耗、減少污染、延緩輸配電網建設投資、提高用戶供電可靠性等方面都帶來了良好的經濟效益和社會效益［1，2］。近年來我國為適應經濟發(fā)展、環(huán)境保護等要求，微電網規(guī)劃建設的項目逐年增多。為了客觀地反映各個項目的建設水平，同時也為今后的工程建設提供依據和參考，微電網規(guī)劃評價工作意義重大。評價指標體系是評價工作的基礎，目前迫切需要提出一套科學合理完整的微電網規(guī)劃綜合評價指標體系，來量化評估出不同規(guī)劃方案的優(yōu)劣，為投資建設者提供參考。

文獻［3］提出一種微電網規(guī)劃評價指標體系的構建方法，指標分為可靠性、經濟性、市場運營、環(huán)保性四個方面，并將傳統(tǒng)數學優(yōu)化算法與多元決策理論相結合，對微電網項目進行分類和評估。該文獻基于傳統(tǒng)的配電網規(guī)劃評價指標體系分類方法進行指標分類，即從能夠體現(xiàn)規(guī)劃方案性能的若干方面來評估微電網。但是在實際工程中，微電網投資建設者將會是多元化的參與主體，不同的參與主體有著不同的動機和自身的利益訴求，所以，指標體系除了要能夠反映不同微電網結構的性能，還應反映出不同的參與主體所獲得的利益。

為此，本文提出了一種新的微電網規(guī)劃評價指標體系構建方法。該體系把不同參與主體的利益進行區(qū)分，并包含評價微電網性能的指標，所建立的指標體系層次清晰、結構完整。最后應用層次分析法與模糊綜合評價法驗證指標體系的準確性與實用性。

2 微電網規(guī)劃評價指標體系

本著全面、客觀、典型等評價指標構建原則［4］，提出把微電網規(guī)劃評價指標體系分為兩部分:微電網規(guī)劃戰(zhàn)略收益指標和微電網規(guī)劃基礎結構指標。其中，微電網是否值得投資與實施通過戰(zhàn)略收益指標進行評估;微電網中微電源與儲能裝置的類型與容量選擇是否合理，通過基礎結構指標進行評估。微電網規(guī)劃評價指標體系如圖1所示。

2.1 微電網規(guī)劃戰(zhàn)略收益指標

《分布式發(fā)電管理辦法》指出，具有建設微網資質的主體都可以投資建設微電網，可以是電網企業(yè)、獨立投資公司或用戶。因此，將戰(zhàn)略收益指標分為三個子部分，分別評估不同的投資主體建設微網的收益。

2.1.1 電網企業(yè)收益指標

在電網發(fā)生故障或自然災害時，電網可以利用微網中的富余電量繼續(xù)供給重要負荷，彌補電力不足，提高可靠性［5］。另外，在負荷密集地區(qū)、供電偏遠地區(qū)規(guī)劃的微網可以有效緩解電力需求，降低線損率，進而延緩電網企業(yè)對于電網的建設投資，提升經濟性［6］。因此，電網企業(yè)收益指標包括:

圖1 微電網規(guī)劃評價指標體系Fig.1Index system of microgrid planning evaluation

(1)電網可靠性的提升通過系統(tǒng)平均停電時間的變化ΔSAIDI來表示。

式中，ΔTi為微電網規(guī)劃前后用戶減少的年平均停運時間;Ni為負荷點i的用戶數。

(2)電網經濟性的提升通過延緩配電網建設的投資VTD與電網線損率ρSG表示。

式中，PMG為微網總裝機容量;CEXPD為配網擴建單位容量需要的投資;u為配網容量對于微網的備用率。

2.1.2 獨立投資商收益指標

獨立投資商是以獲取商業(yè)經濟利益為目的規(guī)劃建設微網，著重通過在項目壽命期內并網發(fā)電完成初始投資的回收并獲得盈利。該指標包括:工程靜

式中，Cequ為微網建筑工程費;Cfix為安裝工程費;Ccon為設備購置費;Sgrid為微網向大電網輸出的電量; Sload為微網內用戶用電量。

2.1.3 微網用戶收益指標

用戶是微電網規(guī)劃的直接受益者，一些特殊用戶對供電可靠性和電能質量有更高的要求，如政府機構、軍事設施、醫(yī)院等。用戶自建微電網主要是為滿足可靠性與電能質量需求。該指標包括:可靠性提升量ΔSAIDI與電能質量提升量ΔKy。態(tài)總投資Ctol、年運行維護費用Comc、年上網電量Sy、單位發(fā)電量投資Cavg。

式中，ΔKy為規(guī)劃水平年電能質量監(jiān)測點合格率的提高量;m1為現(xiàn)狀電網統(tǒng)計時間內電能質量不合格節(jié)點數;m2為規(guī)劃水平年的相應不合格節(jié)點數;m0為總的節(jié)點數。

2.2 微電網規(guī)劃基礎結構指標

微電源與儲能裝置的選型、定容是微電網規(guī)劃階段面臨的首要問題，目前規(guī)劃方法多是利用智能優(yōu)化算法來計算尋找最優(yōu)配置［7］。雖然在計算過程中盡可能多地考慮了相關影響因素，但是很難把眾多既相互關聯(lián)又相互矛盾的因素完全考慮進目標函數和約束條件中，可能得出片面的最優(yōu)結果。為此，需要構建包含相關影響因素的指標體系，以便全面直觀地反映微網規(guī)劃的基礎結構性能。

2.2.1 微電源性能指標

微電源的設計應盡量提高發(fā)電機的使用效率，并盡可能地在負荷高峰時提高發(fā)電功率，負荷低谷時降低發(fā)電功率，提高能源使用率。同時，微電源應盡量選擇可再生能源發(fā)電機，發(fā)揮微網環(huán)保優(yōu)勢。該指標包括:

(1)發(fā)電量與負荷均衡度δ指系統(tǒng)發(fā)電機實時輸出功率與負荷之間的不平衡程度。

式中，PGi為i時刻發(fā)電機發(fā)電量;PLi為i時刻負荷;n為發(fā)電小時。

(2)發(fā)電機年有效利用小時數α用來評估發(fā)電機的使用效率。

式中，αj為第j個發(fā)電機的年利用小時數;m為微網中總發(fā)電機數。

(3)熱負荷滿足度θ指具備熱電聯(lián)產發(fā)電機的微網對于用戶熱能需求的滿足程度。

式中，Lmheat為微網年供熱量;Lcheat為用戶年熱能需求量。

(4)可再生能源裝機比例H用來評估微網的環(huán)保性能。

式中，Hre為微網可再生能源裝機容量;Hmg為微網總裝機容量。

(5)溫室氣體減排量L指系統(tǒng)每年減少的CO2排放量。

式中，J為可再生能源發(fā)電量折算成標準煤的轉換系數;Z為標準煤碳排放系數。

2.2.2 儲能裝置性能指標

微網儲能裝置有提供短時供電、改善電能質量、優(yōu)化微電源運行等作用［8］。目前蓄電池是應用較廣泛的儲能裝置，設計規(guī)劃需要綜合考慮其效率、壽命、安全等多方面因素。因此，為達到最優(yōu)效果，有必要建立多個指標進行綜合評估。該指標包括:

(1)相對使用年限與價格比β為儲能使用年限與初始投資的比值，用來評估儲能系統(tǒng)的經濟性能。

式中，Y為儲能使用年限;Csb為儲能投資費用。

(2)儲能放電深度Q與儲能充電壽命有很深的關系，放電深度越深，壽命越短;放電深度越淺，壽命越長。電動汽車接入量Sev指利用電動汽車載蓄電池來代替儲能的容量。

(3)可靠性指標包括儲能安全性與一致性兩個定性指標，采用專家打分的方法求取指標值。

3 評價流程

基于所提出的微電網規(guī)劃評價指標體系具有多層次性且其中定量指標與定性指標相結合，本文采用層次分析法與模糊綜合評價方法進行評價。具體步驟參見文獻［9］。該方法不僅能保證模型的系統(tǒng)性和合理性，而且能讓決策人員充分運用具有價值的經驗和判斷能力，為多規(guī)則決策問題提供強有力的決策支持。

4 算例分析

本文采用HOMER軟件優(yōu)化出多種微電網規(guī)劃方案，用來驗證所提出的指標體系的準確性?？稍偕茉椿パa發(fā)電優(yōu)化建模(Hybrid Optimization Model for Electric Renewable，HOMER)為美國新能源實驗室開發(fā)的用于設計和優(yōu)化小型分布式發(fā)電系統(tǒng)的軟件，它可以用來優(yōu)化微電網中微電源和儲能裝置的配置［10］。

以某地區(qū)的并網型微電網工程為背景，該地區(qū)氣象條件為年日照小時數3000h以上，年輻照總量5040MJ/m2，屬于太陽能資源豐富區(qū)。年10m高度平均風速4.5m/s，年有效風能(3～25m/s)小時數5000h以上。本文選取的微電源類型為微型燃氣輪機(MT)、光伏發(fā)電(PV)、風力發(fā)電(WT)，選用的儲能裝置類型為磷酸鐵鋰蓄電池(SB)。為了驗證指標的有效性與實用性，本文選取三個不同類型的微電網規(guī)劃方案，如表1所示。

表1 微電網規(guī)劃方案Tab.1Planning scheme of microgrid

取光伏電池板13元/Wp，10kW風力發(fā)電機7.2萬元/臺，30kW微型燃氣輪機50萬元/臺，磷酸鐵鋰蓄電池3000元/(kW·h)，電網備用率取30%，電網擴建成本2600元/kW，系統(tǒng)平均停電時間5.063h/年，用戶平均停電時間指標6.564h/年，基準收益率6%，計算得到的綜合評價結果如表2所示。

三個規(guī)劃方案的總得分排序為方案一＞方案二＞方案三，對各級指標分數分析后得出以下結論:

(1)方案二的微電網規(guī)劃戰(zhàn)略收益指標評分最高，但是由于方案一的基礎結構指標得分優(yōu)勢明顯，使方案一的綜合評分超過方案二。在戰(zhàn)略收益指標得分相近的情況下，決策者可以參考基礎結構指標來選取規(guī)劃方案。

(2)與方案一、三相比，方案二在電網企業(yè)與獨立投資商兩項收益指標中評分最高，使其微電網戰(zhàn)略收益指標評分最高。

表2 微電網規(guī)劃方案綜合評價結果Tab.2Comprehensive evaluation result of microgrid planning scheme

(3)方案一基礎結構指標得分最高，加入MT后，方案一可以滿足一定的熱負荷需求，能源利用率高。在配置有足夠儲能容量的微網中，MT作為可控發(fā)電機，通過微網能量管理系統(tǒng)調度光伏發(fā)電、MT、儲能的發(fā)電量，可以做到微網與大電網的零功率交換。MT排放的溫室氣體很少，也能達到很好的減排效果。

(4)鋰離子蓄電池性價比突出，正在逐漸取代鉛酸蓄電池大規(guī)模地應用到儲能系統(tǒng)中。三種方案均采用鋰離子蓄電池的儲能系統(tǒng)，設計采用同樣的電池監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護與安全自動裝置，在儲能一致性與安全性評價指標上，三種方案得分相同。方案一設計的蓄電池容量小，運行中放電深度較大，使蓄電池壽命短，但是其初始投資較小，相對年限價格比指標得分高。

(5)與具有多元混合發(fā)電機的規(guī)劃方案一、二相比，方案三光儲微電網的戰(zhàn)略收益與基礎結構指標得分均為最低。光儲微電網中，光伏發(fā)電與儲能容量配置需求大，這樣才能彌補夜間負荷需求，目前太陽能電池板與蓄電池的經濟性比較低，工程總投資大，資金回收期長。如果規(guī)劃區(qū)域滿足風力發(fā)電和MT安裝要求，微電網配置多元混合發(fā)電機更具有經濟優(yōu)勢。

為了進一步驗證所提指標體系的有效性，本文重新設置不同投資商之間收益的權重比例，對三種投資商的戰(zhàn)略收益得分和綜合得分進行分析與比較，如表3所示。從表3中結果可知，當電網投資建設微網時，方案二的綜合得分和戰(zhàn)略收益得分均為最高，應優(yōu)先選擇方案二。當獨立投資商與用戶投資建設時，方案一的綜合得分最高，應優(yōu)先選擇方案一。

表3 不同投資商背景下方案綜合得分與戰(zhàn)略收益得分Tab.3Comprehensive and strategic benefit score of scheme under background of different investors

5 結論

本文所提出的指標體系和方法通過算例驗證后可得出以下結論:

(1)微電網規(guī)劃評價應全面考慮戰(zhàn)略收益與基礎結構兩部分指標，否則容易得出片面的結論。在進行方案決策時，決策者首先要優(yōu)先考慮戰(zhàn)略收益評價結果的可行性，如果微電網規(guī)劃戰(zhàn)略收益評價結果好，則在此基礎上評估微電網基礎結構指標。反之，則需要評估其他規(guī)劃方案。

(2)即便是同一方案，以不同投資者的視角來看，其戰(zhàn)略收益得分也不盡相同，所以微網規(guī)劃評價指標體系有必要區(qū)分不同投資者，使評價結果能更貼近工程實際。

(3)在規(guī)劃方案的戰(zhàn)略收益得分相同或相近的情況下，可以通過比較基礎結構指標得分，來選擇綜合性能最高的方案，這些充分證明所提指標體系的優(yōu)越性。

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Index system of microgrid planning evaluation

LU Zhi-gang，ZHOU Lei，YANG Li-jun，ZHONG Jia-qing
(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)

In order to evaluate the various combinations of microgrid more objectively，the microgrid planning evaluation index system have been proposed under new situation.The index system is divided into the microgrid planning strategic benefit index and the microgrid planning fundamental construction index.The strategic benefit index considered demand and profit of three kinds of microgrid investor including grid corporation，independent power producer and consumer of microgrid.The infrastructure indicators using a combination of qualitative and quantitative indicators to analyze the performance of the microgrid.The two parts of the index system are well focused and strongly complementary.Using the combination method of analytic hierarchy process(AHP)and fuzzy comprehensive evaluation，through three microgrid planning projects by HOMER planning and design，results show that the proposed index system and method are effective and feasible.

microgrid planning;comprehensive evaluation;strategic benefit index;fundamental construction index

TM7

A

1003-3076(2014)09-0025-05

2013-01-11

河北省自然科學基金資助項目(F2010001319)

盧志剛(1963-)，男，河北籍，教授，博士，研究方向為電力系統(tǒng)經濟運行分析與控制;周雷(1985-)，男，黑龍江籍，碩士研究生，研究方向為微電網規(guī)劃評價。