基于改進層次分析法(AHP)的微網成本－效益評估

周二雄，李鳳婷，朱賀

(新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊市830047)

0 引言

微網是由分布式能源(distributedenergy resource，DER)、控制裝置以及負荷等組成的可控單元，既可以與大電網聯網運行，也可以孤網運行。同時，微網在節能減排、提高可再生能源利用率、延緩電網建設投資、提高用戶供電可靠性等方面具有良好的經濟效益和社會效益［1］。微網中的分布式能源具有較高的一次性投資、逐年運行與維護費用、廢棄后拆卸與治污費用等，深入研究微網成本－效益構成，無論對微網建設還是微網運行都具有重要意義和工程應用價值。

在微網的成本－效益評估方面，已有一些研究成果，如:文獻［1］對微網中分布式能源進行了研究;文獻［2-3］對微網中風機、光伏可再生能源或熱電聯產運行狀況進行了經濟、環境效益分析;文獻［4］從電力公司、用戶和投資者三方角度分析了微網經濟效益。然而，對于如何根據微電源特征及微網運行特點，量化微網建設成本、綜合效益的研究甚少。

層次分析法(analytic hierarchy process，APH)是一種定性與定量相結合的決策分析法，目前已經應用到電力系統的發電、輸配電等環節的方案優選、綜合評估、可行性判斷等方面［5］。文獻［6-7］利用相近的改進層次分析法對輸電線路雷電風險、電網自然災害風險方面進行評估;文獻［8］通過層次分析法對電廠檢修維護項目的評價準則體系進行評價;文獻［9］采用層次分析法評估不同分布式電源的接入方案。

本文基于改進AHP法的思路，采用收斂速度較快、能滿足一致性效果的三標度法形成判斷矩陣來求解權重，綜合考慮各方面因素量化微網的成本、效益，從主、客觀角度對微網的成本－效益進行評估。

1 改進AHP法

清晰的層次結構使AHP方法具有簡化復雜問題的優點，但不能很好處理不確定因素，不同專家對構造的判斷矩陣有不同的認可，判斷矩陣經常出現不一致性的情況［5］。針對以上不足，采用有別于傳統AHP方法1～9標度的三標度法構造判斷矩陣，來提高收斂速度和一致性;歸一化各專家判斷矩陣，形成權重向量的期望，作為各指標的權重;結合求解微網成本、效益的各指標值，從主、客觀角度綜合評估微網成本、效益。改進AHP包含以下步驟:

(1)構建層次結構。將分析評估問題層次化，形成由目標層、準則層、指標層以及方案層構成的遞階層次結構，其中指標層各指標隸屬于準則層。

(2)求解準則層某子準則權重。①建立比較矩陣。專家采用三標度法兩兩比較指標的相對重要性得出比較矩陣

式中:a1～an為各個指標;aij為指標ai與指標aj之間的比較結果，其表達式為

②構造判斷矩陣

式中

③求解權重向量及檢驗一致性。采用特征向量法求判斷矩陣C的最大特征值λmax及對應特征向量W，作為權重向量。然后將λmax引入相容性指標CI=(λmax－n)/(n－1)，判斷矩陣的一致性。若CI＜ 0.1，認為判斷矩陣一致性符合要求;否則，判斷矩陣一致性不符合要求，修改比較矩陣，重新計算并進行一致性檢驗，至到滿足要求［10］。

④確定各指標權重。重復① ～③得到m個專家判斷矩陣形成的權重向量

式中:m為參與專家人數;W(k)為第k個判斷矩陣形成的權重向量;為權重向量的期望。歸一化權重向量得各指標權重。

(3)評估目標為

式中:m1為準則層含子準則數目;vj為第j個子準則權重;n1為第j個子準則包含指標數目;wi為第i個指標權重;u(wi)為第i個指標值。具體的評估流程如圖1所示。

2 構建微網的成本－效益層次結構

綜合考慮DER的運行經濟狀況以及對環境的影響等因素，確定了成本、效益指標層各個指標，根據微網中DER的種類和容量確定方案層，構建了如圖2所示微網成本－效益評估遞階層次結構。

2.1 微網成本指標體系

2.1.1 設備投資總費用的等年值

考慮逐年投資成本更能夠體現市場運行經濟狀況，微網中一次、二次設備投資總費用按等年值計算，即

式中:d1為設備投資總費用的等年值;CCpi為第i種DER設備投資費用的等年值，$;n2為微網中DER種類數;CTCPi為第i種DER裝機成本的等年值，$;CSCPi為第i種DER二次設備成本，$;Ypi為第i種DER壽命周期年限，a;r為折現率，%。

2.1.2 安裝、運行維護費用

將DER一次性安裝費用按等年值計算，而運行維護費用按年計算，則安裝、運行維護費為

式中:COMi為第i種DER年安裝、運行維護費用，$;Kii為第i種DER單位容量安裝費用，$/kW;Komi為第i種DER單位容量維護年費用，$/(kW·a);Pi為第i種DER裝機容量，kW;NSUCi為第i種DER年啟停次數;ζi為第 i種 DER 熱啟動費用，$;δi為第 i種DER冷啟動費用，$;τi為第i種DER冷啟動時間，h;Toff，i，j為第 i種 DER 第 j次啟動前停運時間，h。

2.1.3 廢棄后拆卸、治污費用

考慮廢棄后產生的費用，并將該費用以等年值計算，有

式中:CDi為第i種DER拆卸、治污費用的等年值，$;Kdi為第 i種 DER拆卸單位裝機容量所需費用，$/kW;Kpi為第i種DER治理單位裝機容量污染所需費用，$/kW。

2.1.4 燃料費用

式中:CFCi為第i種DER年燃料費用，$/a;MCi為第i種DER單位電能消耗燃料量，g/(kW·h);pCi為第i種DER單位燃料的價格，$/t;Ei為第i種DER年發電量，kW·h/a。

2.1.5 排污懲罰費用

式中:CEi為第i種DER年排污懲罰費用，$/a;m2為污染物種類;Vk為單位發電量排放第k種污染物罰款，$/(kW·h)。排污懲罰費用如表1［11］所示。

2.1.6 停電賠償費用

只考慮微網與大電網之間饋線上發生故障，導致微網部分負荷停電造成的賠償費用，則停電賠償費用為

表1 發電技術單位發電量污染物排放罰款情況Tab.1 Pollutants fine form of power generation technology per unit of electricity generation 10－3$/(kW·h)

式中:CS為停電賠償費用，$;m3為微網與大電網相連的饋線數;λj為單位饋線故障的概率，%;Lj為饋線的長度，km;Tj為維修時間，h;n3為負荷種類;KSk為第k種負荷停電損失費用，$/(kW·h);ΔPk為第k種負荷停電量，kW·h。

2.2 微網效益指標體系

2.2.1 碳貿易效益

根據碳排放權交易機制(emissions trading scheme，ETS)，企業在規定時間內碳排放量低于監管機構分配量，可將剩余量出售給排放水平高的企業來獲得利潤［12］;而《京都議定書》規定光伏發電、風機發電等屬于清潔發展機制(cleandevelopment mechanism，CDM)范疇。采用可再生能源電源相對于常規火電機組發相同電量少排放的CO2進行交易，構建了如下碳貿易效益

式中:m4表示微網包含可再生能源電源種類數;α為單位煤炭轉換為CO2系數(本文取44/12);MC為火電機組生產單位電能所消耗的煤炭量，g/(kW·h);ρ為單位碳交易費用，$/t。

2.2.2 可靠性效益

與大電網相連的饋線發生故障時，微網內分布式能源仍持續向部分負荷供電，提高了供電可靠性。可靠性效益為

式中:CRi為第i種負荷可靠性效益，$;m5為微網與大電網相連的饋線數;KSi為第i種負荷單位停電損失，$/(kW·h);Pi，j為第j條饋線連接下分布式能源供給第i種負荷的電量，kW·h。

2.2.3 政府補貼效益

《分布式發電管理辦法》明確國家擬采用單位發量方式補貼分布式電源發電，政府補貼效益為

式中:n4為微網所含分布式電源種類;pbi為第i種分布式電源補貼電價，$/(kW·h)。

2.2.4 上網效益

不同分布式電源上網電價不同，微網上網效益為

式中:pSi為第 i種分布式電源上網電價，$/(kW·h)。

2.2.5 節能效益

節能效益為利用可再生能源發電減少化石能源消耗帶來的費用。本文以常規火電機組發電消耗煤炭費用作為參考，構建了如下節能效益

式中:m6為微網含有的可再生能源電源種類;pC為煤炭價格，$/t。

2.2.6 降低損耗效益

DER配置于負荷附近，減少了等容集中式遠距離供電在網絡傳輸上的損耗［1］。降低損耗效益為

式中:L為降損率，%;pS為大電網售電電價，$/(kW·h)。

3 實例分析

以含微型燃氣輪機、燃料電池的4種微網方案為例，進行微網的成本－效益分析。為了便于分析，將含風、光、儲微網簡稱為微網 I，含光/儲微網簡稱為微網II，含風/儲微網簡稱為微網III，含風/光微網簡稱為微網IV。假設DER通過先進電力電子設備接入微網，能快速跟蹤負荷以及風、光等資源變化，且只考慮微網與大電網相連饋線發生故障情況，不考慮網損以及發電效率以及轉換效率問題。微網結構如圖3所示。

圖3 微網結構Fig.3 Microgrid structure

3.1 微網的成本分析

3.1.1 確定成本各指標的權重

本項目共有3位專家參加評審，根據式(1)～(5)，計算得到成本權重 W1=［0.549，0.131，0.142，0.042，0.068，0.068］。

3.1.2 計算成本

假設微網內工業、商業、農業、居民負荷所占比重依次為79.1%、13.4%、2.4%、5.1%，相應的負荷單停電賠償費用依次為1.817、1.710 4、0.129 8、0.096 4$/(kW·h)，光伏、風機、燃料電池、微型燃氣輪機、蓄電池的運行時間依次為1 500、3 000、6 500、6 500、500 h，二次設備成本為裝機費用的8%。其他參數如表2所示，DER參數狀況如表3［11］所示，4種方案各項成本指標值如表4。

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3.2 微網的效益分析

3.2.1 確定效益各指標權重

效益指標權重向量W2=［0.096，0.275，0.079，0.224，0.180，0.145］。

3.2.2 計算效益

設光伏陣列、風機、燃料電池、微型燃氣輪機上網電價依次為 0.189 0、0.086 5、0.078 6、0.070 8$/(kW·h)，相應補貼電價為上網電價25%，其他相關參數如表5所示。

由式(7)～(12)可得4種方案的效益各項指標值，如表6所示。

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3.3 微網的成本－效益的評估

根據4種微網方案成本、效益各指標值以及相應權重，線性加權求和依次可得4種微網方案成本、效益評估值，如圖4所示。

由圖4可得:光伏成本大于風機，風機成本大于蓄電池;風機效益最大，蓄電池效益最小;該地區微網采用風機與蓄電池組合可以取得較好經濟效果。

當然風、光等自然條件不同以及隨著風電、光伏、儲能科學技術的發展，組成微網各DER成本、效益指標將發生變化，微網成本－效益評估結果以及與各指標間的關聯度也將隨之改變。

圖4 4種微網方案的成本－效益評估Fig.4 Cost-benefit evaluation of four microgrid schemes

4 結語

本文綜合考慮分布式電源特性以及微網運行狀況等因素，構建了微網成本－效益評估遞階層次結構，也為微網多重目標的考核提供參考。通過改進的層次分析法對4種微網方案進行成本－效益的評估，驗證了該方法的可行性。本文算例參考相近文獻確定目前尚無標準可循的廢棄拆卸、治污、停電賠償費用等指標;另外DER裝機容量、采用技術的成熟度不同，成本差別也很大。

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