含風(fēng)光柴儲(chǔ)的孤島微電網(wǎng)運(yùn)行性能綜合評價(jià)方法研究*

洪林，楊俊華，曾君，徐冬冬

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州510006；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

微電網(wǎng)是指將一定區(qū)域內(nèi)分散的小型發(fā)電單元（分布式電源）、儲(chǔ)能裝置以及當(dāng)?shù)刎?fù)荷組織起來形成的配用電系統(tǒng)［1］重要作用。微電網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立孤島運(yùn)行。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)如邊防哨所、島嶼、高海拔山區(qū)等采用常規(guī)電網(wǎng)供電存在輸電距離遠(yuǎn)、線損大、建設(shè)變電站費(fèi)用昂貴等問題，而采用多種能源互補(bǔ)的微電網(wǎng)供電模式可以有效解決這些問題。微電網(wǎng)系統(tǒng)作為可再生分布式電源的有效組織形式，受到了廣泛關(guān)注并得到了越來越多的應(yīng)用。

近年來我國為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等要求，微電網(wǎng)建設(shè)的項(xiàng)目逐年增多。為了客觀地反映各個(gè)微電網(wǎng)項(xiàng)目的運(yùn)行水平，同時(shí)也為微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和高效運(yùn)行提供依據(jù)和指導(dǎo)，微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)工作意義重大。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞獨(dú)立型微電網(wǎng)開展了一系列的研究，但在微電網(wǎng)評價(jià)方面的研究并不多。文獻(xiàn)［2］提出了一種基于多屬性決策理論的分布式電源規(guī)劃方案綜合評判方法，建立了分布式電源評價(jià)指標(biāo)體系，有助于分布式電源規(guī)劃方案的決策。文獻(xiàn)［3］將微電網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)分為可靠性、經(jīng)濟(jì)性、市場運(yùn)營和環(huán)保性4個(gè)方面，利用微分進(jìn)化算法對構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到多種微電網(wǎng)組合，再利用層次分析法對得到的微電網(wǎng)進(jìn)行綜合評價(jià)決策。文獻(xiàn)［4］將評價(jià)指標(biāo)體系分為微電網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略收益評價(jià)指標(biāo)與微電網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)評價(jià)指標(biāo)兩部分，采用層次分析法與模糊綜合評價(jià)法對微電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評價(jià)。

但以上評價(jià)方法主要是規(guī)劃評價(jià)，即微電網(wǎng)還處在規(guī)劃未實(shí)際運(yùn)行階段的方案評價(jià)，評價(jià)目的是在不同方案之間選出一個(gè)最合適的規(guī)劃方案出來。實(shí)際上，全面準(zhǔn)確地掌握微電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，微網(wǎng)運(yùn)行性能的綜合評價(jià)對于微網(wǎng)穩(wěn)定高效地運(yùn)行具有重要意義。但目前，針對微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)的文獻(xiàn)十分少見。本文以孤島運(yùn)行微電網(wǎng)為對象，提出了一種微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行性能評價(jià)方法。該方法從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性四個(gè)方面，對某段時(shí)間微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果對微電網(wǎng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，并作為指導(dǎo)優(yōu)化下一階段微電網(wǎng)各元件運(yùn)行的依據(jù)。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文研究的孤島微電網(wǎng)包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)等分布式電源，還有蓄電池組用于儲(chǔ)能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

圖1 孤島微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of standalone micro-grid structure

2 評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

2.1 評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建必要性和原則

為了全面準(zhǔn)確地掌握微電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，有必要建立一套行之有效的評價(jià)指標(biāo)，對微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況做出合理評價(jià)［6］。微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建，將有效評估微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行水平，通過評價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行中的優(yōu)勢環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié)，為微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、降損節(jié)能、規(guī)劃建設(shè)等提供有價(jià)值的建議，有針對性地制定微電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃，促進(jìn)微電網(wǎng)運(yùn)行水平不斷提高。

評價(jià)指標(biāo)的選取，一方面要盡可能全面地反映微電網(wǎng)實(shí)際情況，不能遺漏任一重要的指標(biāo)；另一方面也要考慮到數(shù)據(jù)采集難度、計(jì)算量等實(shí)際情況，真正做到既不重復(fù)也不遺漏［7］。因此，評價(jià)指標(biāo)的選取需要滿足如下原則：與評價(jià)目的的一致性、直接的可測性、可比性、相互獨(dú)立性與整體的完備性等。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

基于以上原則，同時(shí)考慮到微電網(wǎng)自身特點(diǎn)，比如作為一個(gè)可定制的電源，可增強(qiáng)局部供電的可靠性，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量，降低大電網(wǎng)的投資成本，同時(shí)利用可再生能源，減少環(huán)境污染等特性，因此，本文微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)工作從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性四個(gè)方面列出二級(jí)指標(biāo)，各級(jí)評價(jià)指標(biāo)如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)Fig.2 Micro-grid operation evaluation index

3 指標(biāo)屬性分析

3.1 可靠性指標(biāo)

本文供電可靠性指標(biāo)從負(fù)荷滿足率PMTLR、電力不足功率PLOLE、容量備用率FTRCR三個(gè)方面來考慮。

（1）負(fù)荷滿足率

負(fù)荷滿足率表示微電網(wǎng)系統(tǒng)供電對負(fù)荷需求的滿足程度，其表達(dá)式如下：

式中 PTotal（t）表示系統(tǒng)總的發(fā)電功率；PLoad（t）表示負(fù)荷的需求功率。

（2）電力不足功率

微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力不足功率為系統(tǒng)負(fù)荷需求功率與系統(tǒng)總發(fā)電功率之間的差值，其表達(dá)式為：

（3）容量備用率

微電網(wǎng)容量備用率為系統(tǒng)備用容量除以系統(tǒng)最大負(fù)荷需求，表達(dá)式如下：

PDE（t）、PBat（t）分別為第 t小時(shí)柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池的出力功率；PMax-Load為負(fù)荷的最大需求功率；PT-con表示系統(tǒng)總的可調(diào)度裝機(jī)容量，是柴油發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能蓄電池總的裝機(jī)容量之和。

3.2 優(yōu)質(zhì)性指標(biāo)

微電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)性主要指的是微電網(wǎng)的電能質(zhì)量符合相關(guān)要求。本文采用影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量中最重要的六個(gè)指標(biāo)：電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、三相不平衡度、頻率偏差來作為評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)GB／T 19939-2005《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量各分項(xiàng)指標(biāo)做出的詳細(xì)規(guī)定，得到微電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)限值，運(yùn)用最優(yōu)隸屬度法來進(jìn)行微電網(wǎng)電能質(zhì)量評價(jià)［8］。

3.3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性評價(jià)有助于科學(xué)化決策微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的組合運(yùn)行方式，提高微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。本文經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用CiOM、燃料費(fèi)用Cfu和環(huán)境費(fèi)用Cenvi，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本Cinput表達(dá)如下：

式中i表示不同的電源類型，這里是風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池，因此N＝4。

（1）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

式中Ki表示第i類設(shè)備的維護(hù)成本系數(shù)；Pi表示第i類設(shè)備的輸出功率，對蓄電池只考慮放電功率，不考慮充電功率；

（2）燃料費(fèi)用

式中PDE表示柴油發(fā)電機(jī)輸出功率；PDE-rated表示柴油發(fā)電機(jī)額定輸出功率；C1和C2表示相關(guān)系數(shù)。

（3）環(huán)境費(fèi)用

環(huán)境費(fèi)用由兩個(gè)部分構(gòu)成：（1）消耗環(huán)境資源所帶來的環(huán)境損失；（2）污染物排放的罰款［9-11］。公式如下：

式中Vi是第i種污染物的環(huán)境價(jià)值；Vpi是第i種污染物的排污罰款；Qi是第i種污染物的排放量；n是污染物的種類，文中取4種主要污染物。

微電網(wǎng)電能的單位發(fā)電成本表達(dá)如下：

式中Cinput為系統(tǒng)總的發(fā)電運(yùn)行成本；PTotal為系統(tǒng)總的發(fā)電量。

3.4 環(huán)保性指標(biāo)

環(huán)保效益是微電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的重要特點(diǎn)，本文將可再生能源出力比例和相對環(huán)境成本作為環(huán)保性指標(biāo)。

（1）可再生能源出力比例

式中 PWT（t）、PPV（t）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列的發(fā)電功率；PTotal（t）為系統(tǒng)總的發(fā)電功率。該比例α值越高，則表明微電網(wǎng)對于節(jié)約不可再生能源、推廣可再生能源的貢獻(xiàn)越大。

（2）相對環(huán)境成本

為衡量微電網(wǎng)相比傳統(tǒng)大電網(wǎng)發(fā)電方式TPG的環(huán)境改善程度，將微網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源與相同發(fā)電功率的TPG兩者消耗環(huán)境成本之比即相對環(huán)境成本作為環(huán)境效益的評價(jià)指標(biāo)［12］。即：

式中EDE為微電網(wǎng)中柴油機(jī)DE發(fā)電的單位環(huán)境成本；ETPG為大電網(wǎng)發(fā)電的單位環(huán)境成本；PDE為柴油機(jī)的發(fā)電功率；PTPG為TPG的發(fā)電功率。相對環(huán)境成本EB越小，則環(huán)境改善程度越大，微網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境效益也越大。

4 微電網(wǎng)運(yùn)行性能綜合評價(jià)方法

本文采用模糊評價(jià)方法對微電網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行評價(jià)，基于模糊評價(jià)方法對微電網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行綜合評價(jià)的關(guān)鍵在于：（1）確定隸屬函數(shù)，對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模糊識(shí)別；（2）確定各單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，采用合適的加權(quán)方法進(jìn)行綜合評判。本文針對微電網(wǎng)特點(diǎn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的模糊評價(jià)方法，提出基于最優(yōu)隸屬度的微電網(wǎng)運(yùn)行性能綜合評價(jià)方法。

4.1 隸屬函數(shù)的確定

本文摒棄了傳統(tǒng)的對指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，確定指標(biāo)屬于不同等級(jí)隸屬度的方法，提出最優(yōu)隸屬度法，計(jì)算分項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)隸屬度，按照來定量給出評價(jià)結(jié)果，其中1為最優(yōu)，0為最差，0.5為合格的閾值［13］。典型的F分布（模糊分布）有拋物型分布、正態(tài)分布、柯西分布和嶺形分布等。本文采用柯西分布建立各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，柯西分布如下式所示。

式中λi為第i項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)隸屬度；Xi為第i項(xiàng)指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)偏差量的絕對值；αi和βi為第i項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的柯西分布的常數(shù)。取一個(gè)指標(biāo)值為基準(zhǔn)值，相應(yīng)的最優(yōu)隸屬度等于0.5，最優(yōu)指標(biāo)值對應(yīng)的最優(yōu)隸屬度等于1，從而確定αi和βi常數(shù)，其余指標(biāo)值的最優(yōu)隸屬度依據(jù)上述柯西分布公式得到。

4.2 指標(biāo)權(quán)重設(shè)定

前文分析了影響微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)各個(gè)方面的因素，建立了較為完善的評價(jià)指標(biāo)。但評價(jià)指標(biāo)僅僅從結(jié)構(gòu)上反映了各項(xiàng)評價(jià)內(nèi)容之間的隸屬關(guān)系、層次關(guān)系，未能體現(xiàn)出指標(biāo)之間重要性程度的差異。因此，需要對評價(jià)指標(biāo)中的各項(xiàng)指標(biāo)重要性進(jìn)行分析，合理設(shè)置指標(biāo)權(quán)重。

層次分析法（AHP）是將同一個(gè)層次元素進(jìn)行兩兩比較重要性程度，計(jì)算出相對權(quán)重的方法。G1法是對AHP法進(jìn)行改進(jìn)的一種方法，與AHP法相比具有以下特點(diǎn)：（1）計(jì)算量比AHP法大幅減小，提高了計(jì)算速度；（2）無需構(gòu)造判斷矩陣，不需一致性檢驗(yàn)［14］。

G1法步驟：（1）選出同層次中最重要的一個(gè)指標(biāo)；（2）從余下指標(biāo)中再選出最重要的一個(gè)指標(biāo)；（3）依次類推。（4）確定相鄰指標(biāo)之間的相對重要程度rk。rk的取值參考表1如下：

按照前文分析，對微電網(wǎng)運(yùn)行性能的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)重要性進(jìn)行排序：可靠性＞優(yōu)質(zhì)性＞經(jīng)濟(jì)性＞環(huán)保性，取相對性重要程度依次為 1.2，1.4，1.4；可靠性指標(biāo)中：負(fù)荷滿足率＝容量備用率＞電力不足功率，取相對性重要程度依次為1，1.2；優(yōu)質(zhì)性評價(jià)中，頻率偏差＞諧波＞電壓波動(dòng)＞電壓閃變＞電壓偏差＞三相不平衡，取相對性重要程度依次為1.2，1.2，1，1.2，1.8；環(huán)保性指標(biāo)中：可再生能源出力比例 ＞相對環(huán)境成本，取相對性重要程度為1.4。由于經(jīng)濟(jì)性三項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)同量綱同單位，故將單位發(fā)電成本作為經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性中無需計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。對以上指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行歸一化，得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重如表2所示。

表1 指標(biāo)權(quán)重比例形成原則Tab.1 Index weight proportion forming principle

表2 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 All levels of indexes weights

4.3 微電網(wǎng)運(yùn)行性能綜合評價(jià)步驟

本文采用基于最優(yōu)隸屬度的模糊綜合評價(jià)方法對微電網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行綜合評價(jià)，其步驟如下：

（1）構(gòu)建微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)指標(biāo)，對運(yùn)行初始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；

（2）分析確定各指標(biāo)的基準(zhǔn)值和最優(yōu)值，利用隸屬度函數(shù)確定各指標(biāo)最優(yōu)隸屬度；

（3）對各級(jí)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性分析并排序，確定相鄰指標(biāo)之間的相對重要程度，歸一化后得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重；

（4）將各指標(biāo)最優(yōu)隸屬度與相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重相乘得到運(yùn)行性能評價(jià)結(jié)果，并對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。

5 算例分析

以某海島獨(dú)立微電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，該微網(wǎng)一天內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示，表格中統(tǒng)計(jì)了各小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池的出力及剩余電量、和總負(fù)荷需求功率情況。各小時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)相關(guān)信息如電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、三相不平衡、頻率偏差等指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4所示，本文選取的電能質(zhì)量各指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)限值如表5所示。

表3 微電網(wǎng)一天各小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.3 Operating data ofmicro-grid each hour in the day

表4 微電網(wǎng)一天各小時(shí)電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.4 Power quality index data of micro-grid each hour in the day

表5 電能質(zhì)量指標(biāo)國標(biāo)限值Tab.5 National standard limit of power quality index

因此可確定各指標(biāo)的基準(zhǔn)閾值矩陣［7%，2%，0.4%，5%，2%，1%］，通過試湊法得出隸屬度函數(shù)對應(yīng)的 α矩陣為［0.059 5，0.036 60，3.775 8，0.096 9，0.360 0，1.000］和 β矩陣為［1.45，1.45，1.451.45，1.45，1.45］。按照柯西分布公式（11）可算出表4中電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度。

根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行性能各指標(biāo)屬性分析和電能質(zhì)量各指標(biāo)的權(quán)重，算出微電網(wǎng)運(yùn)行性能各二級(jí)指標(biāo)的數(shù)值，如表6所示。

同理，求得可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性各二級(jí)指標(biāo)中α和β的數(shù)值后得到完整的柯西分布公式，進(jìn)而獲得各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度，隸屬度再與各指標(biāo)權(quán)重相乘即可得到一天內(nèi)各小時(shí)的微電網(wǎng)運(yùn)行性能評價(jià)結(jié)果，評價(jià)結(jié)果如表7所示。

表6 微電網(wǎng)一天各小時(shí)各指標(biāo)數(shù)值Tab.6 All index data ofmicro-grid each hour in the day

從表7可以看出，

評價(jià)得分是一個(gè)［0，1］之間量化的值，評價(jià)結(jié)果簡單直觀，不僅有綜合評價(jià)得分，還有各一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)得分，有利于對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行全面客觀分析。微電網(wǎng)一天內(nèi)除最后一小時(shí)外，其余時(shí)間運(yùn)行性能綜合評價(jià)結(jié)果值都大于0.5，由于0.5是合格的基準(zhǔn)值，說明微電網(wǎng)大部分時(shí)間運(yùn)行情況良好。

（1）綜合評價(jià)結(jié)果得分較高的第 13、14、15、17、19小時(shí)等時(shí)段，運(yùn)行性能較好。這些時(shí)段可再生能源出力比例較高，都達(dá)到了0.4以上，同時(shí)負(fù)荷滿足率也高，說明風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為負(fù)荷提供了很大一部分能量，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電比較經(jīng)濟(jì)環(huán)保，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性可靠性環(huán)保性等指標(biāo)得分均較高，從而導(dǎo)致最終綜合評價(jià)得分較高；

（2）從第4小時(shí)到第12小時(shí)，綜合得分比較中等。由于這段時(shí)間內(nèi)受無太陽光的影響，可再生能源出力比例不高，而負(fù)荷滿足率較高，說明柴油發(fā)電機(jī)供給了負(fù)荷大部分能量，從而消耗燃油產(chǎn)生污染，使得發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性相對較差，導(dǎo)致綜合得分較中等；

（3）第24小時(shí)綜合得分為0.45，評價(jià)不合格，此時(shí)可再生能源出力比例為0，系統(tǒng)全部能量由柴油機(jī)和蓄電池提供，經(jīng)濟(jì)性可靠性環(huán)保性等都很差，從而導(dǎo)致評價(jià)不合格。

表7 微電網(wǎng)一天內(nèi)各小時(shí)運(yùn)行性能綜合評價(jià)得分Tab.7 Operating performance comprehensive evaluation score ofmicro-grid each hour in the day

6 結(jié)束語

本文針對微電網(wǎng)運(yùn)行性能的評價(jià)問題，從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性四個(gè)方面建立運(yùn)行性能評價(jià)指標(biāo)體系，采用基于最優(yōu)隸屬度的模糊評價(jià)方法對微電網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果可作為指導(dǎo)微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的依據(jù)。并以一個(gè)實(shí)際微電網(wǎng)工程為例，驗(yàn)證了該評價(jià)方法的科學(xué)性和有效性。該方法理論清晰，易于操作，是一種非常有效的評價(jià)方式。