含風(fēng)光柴儲的孤島微電網(wǎng)運行性能綜合評價方法研究*

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）、儲能裝置以及當(dāng)?shù)刎摵山M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)運行，也可以獨立孤島運行。在一些偏遠地區(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、線損大、建設(shè)變電站費用昂貴等問題，而采用多種能源互補的微電網(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)濟發(fā)展、環(huán)境保護等要求，微電網(wǎng)建設(shè)的項目逐年增多。為了客觀地反映各個微電網(wǎng)項目的運行水平，同時也為微電網(wǎng)的經(jīng)濟和高效運行提供依據(jù)和指導(dǎo)，微電網(wǎng)運行性能評價工作意義重大。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞獨立型微電網(wǎng)開展了一系列的研究，但在微電網(wǎng)評價方面的研究并不多。文獻［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指標體系，有助于分布式電源規(guī)劃方案的決策。文獻［3］將微電網(wǎng)評價指標分為可靠性、經(jīng)濟性、市場運營和環(huán)保性4個方面，利用微分進化算法對構(gòu)建的目標函數(shù)進行優(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)進行綜合評價決策。文獻［4］將評價指標體系分為微電網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略收益評價指標與微電網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)評價指標兩部分，采用層次分析法與模糊綜合評價法對微電網(wǎng)規(guī)劃方案進行綜合評價。

但以上評價方法主要是規(guī)劃評價，即微電網(wǎng)還處在規(guī)劃未實際運行階段的方案評價，評價目的是在不同方案之間選出一個最合適的規(guī)劃方案出來。實際上，全面準確地掌握微電網(wǎng)運行的狀況，微網(wǎng)運行性能的綜合評價對于微網(wǎng)穩(wěn)定高效地運行具有重要意義。但目前，針對微電網(wǎng)運行性能評價的文獻十分少見。本文以孤島運行微電網(wǎng)為對象，提出了一種微電網(wǎng)系統(tǒng)運行性能評價方法。該方法從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟性以及環(huán)保性四個方面，對某段時間微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行性能進行評價，根據(jù)評價結(jié)果對微電網(wǎng)的各項性能指標進行分析，并作為指導(dǎo)優(yōu)化下一階段微電網(wǎng)各元件運行的依據(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)電機組、光伏陣列、柴油發(fā)電機等分布式電源，還有蓄電池組用于儲能，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 評價指標的構(gòu)建

2.1 評價指標構(gòu)建必要性和原則

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

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

2.2 評價指標

基于以上原則，同時考慮到微電網(wǎng)自身特點，比如作為一個可定制的電源，可增強局部供電的可靠性，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)運行性能評價工作從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟性、環(huán)保性四個方面列出二級指標，各級評價指標如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)運行評價指標Fig.2 Micro-grid operation evaluation index

3 指標屬性分析

3.1 可靠性指標

本文供電可靠性指標從負荷滿足率PMTLR、電力不足功率PLOLE、容量備用率FTRCR三個方面來考慮。

（1）負荷滿足率

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

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

（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)負荷需求功率與系統(tǒng)總發(fā)電功率之間的差值，其表達式為：

（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)最大負荷需求，表達式如下：

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

3.2 優(yōu)質(zhì)性指標

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)量中最重要的六個指標：電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波、三相不平衡度、頻率偏差來作為評價指標，根據(jù)GB／T 19939-2005《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》標準對微電網(wǎng)電能質(zhì)量各分項指標做出的詳細規(guī)定，得到微電網(wǎng)電能質(zhì)量指標國家標準限值，運用最優(yōu)隸屬度法來進行微電網(wǎng)電能質(zhì)量評價［8］。

3.3 經(jīng)濟性指標

經(jīng)濟性評價有助于科學(xué)化決策微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的組合運行方式，提高微電網(wǎng)運行經(jīng)濟效益。本文經(jīng)濟性指標包括運行維護費用CiOM、燃料費用Cfu和環(huán)境費用Cenvi，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行成本Cinput表達如下：

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

（1）運行維護費用

式中Ki表示第i類設(shè)備的維護成本系數(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）燃料費用

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

（3）環(huán)境費用

環(huán)境費用由兩個部分構(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)電成本表達如下：

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

3.4 環(huán)保性指標

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，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。

（1）可再生能源出力比例

式中 PWT（t）、PPV（t）為風(fēng)力發(fā)電機和光伏陣列的發(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)境效益的評價指標［12］。即：

式中EDE為微電網(wǎng)中柴油機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)運行性能綜合評價方法

本文采用模糊評價方法對微電網(wǎng)運行性能進行評價，基于模糊評價方法對微電網(wǎng)運行性能進行綜合評價的關(guān)鍵在于：（1）確定隸屬函數(shù)，對每個指標進行模糊識別；（2）確定各單項指標的權(quán)重，采用合適的加權(quán)方法進行綜合評判。本文針對微電網(wǎng)特點，改進了傳統(tǒng)的模糊評價方法，提出基于最優(yōu)隸屬度的微電網(wǎng)運行性能綜合評價方法。

4.1 隸屬函數(shù)的確定

本文摒棄了傳統(tǒng)的對指標進行分級，確定指標屬于不同等級隸屬度的方法，提出最優(yōu)隸屬度法，計算分項指標的最優(yōu)隸屬度，按照來定量給出評價結(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的隸屬度函數(shù)，柯西分布如下式所示。

式中λi為第i項指標的最優(yōu)隸屬度；Xi為第i項指標與最優(yōu)指標偏差量的絕對值；αi和βi為第i項指標對應(yīng)的柯西分布的常數(shù)。取一個指標值為基準值，相應(yīng)的最優(yōu)隸屬度等于0.5，最優(yōu)指標值對應(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 指標權(quán)重設(shè)定

前文分析了影響微電網(wǎng)運行性能評價各個方面的因素，建立了較為完善的評價指標。但評價指標僅僅從結(jié)構(gòu)上反映了各項評價內(nèi)容之間的隸屬關(guān)系、層次關(guān)系，未能體現(xiàn)出指標之間重要性程度的差異。因此，需要對評價指標中的各項指標重要性進行分析，合理設(shè)置指標權(quán)重。

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

G1法步驟：（1）選出同層次中最重要的一個指標；（2）從余下指標中再選出最重要的一個指標；（3）依次類推。（4）確定相鄰指標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)運行性能的4個一級指標重要性進行排序：可靠性＞優(yōu)質(zhì)性＞經(jīng)濟性＞環(huán)保性，取相對性重要程度依次為 1.2，1.4，1.4；可靠性指標中：負荷滿足率＝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)性評價中，頻率偏差＞諧波＞電壓波動＞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)濟性三項二級指標同量綱同單位，故將單位發(fā)電成本作為經(jīng)濟性評價指標，經(jīng)濟性中無需計算各二級指標權(quán)重。對以上指標權(quán)重進行歸一化，得到各級指標權(quán)重如表2所示。

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

表2 各級指標權(quán)重Tab.2 All levels of indexes weights

4.3 微電網(wǎng)運行性能綜合評價步驟

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

（1）構(gòu)建微電網(wǎng)運行性能評價指標，對運行初始數(shù)據(jù)進行分析和處理；

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

（3）對各級評價指標進行重要性分析并排序，確定相鄰指標之間的相對重要程度，歸一化后得到各級指標權(quán)重；

（4）將各指標最優(yōu)隸屬度與相應(yīng)指標權(quán)重相乘得到運行性能評價結(jié)果，并對評價結(jié)果進行分析。

5 算例分析

以某海島獨立微電網(wǎng)為例進行分析，該微網(wǎng)一天內(nèi)運行數(shù)據(jù)如表3所示，表格中統(tǒng)計了各小時風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、柴油發(fā)電機、蓄電池的出力及剩余電量、和總負荷需求功率情況。各小時電能質(zhì)量監(jiān)測點相關(guān)信息如電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波、三相不平衡、頻率偏差等指標數(shù)據(jù)如表4所示，本文選取的電能質(zhì)量各指標國家標準限值如表5所示。

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

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

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

因此可確定各指標的基準閾值矩陣［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)量各項指標的隸屬度。

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

同理，求得可靠性、經(jīng)濟性和環(huán)保性各二級指標中α和β的數(shù)值后得到完整的柯西分布公式，進而獲得各二級指標的隸屬度，隸屬度再與各指標權(quán)重相乘即可得到一天內(nèi)各小時的微電網(wǎng)運行性能評價結(jié)果，評價結(jié)果如表7所示。

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

從表7可以看出，

評價得分是一個［0，1］之間量化的值，評價結(jié)果簡單直觀，不僅有綜合評價得分，還有各一級指標和二級指標得分，有利于對評價結(jié)果進行全面客觀分析。微電網(wǎng)一天內(nèi)除最后一小時外，其余時間運行性能綜合評價結(jié)果值都大于0.5，由于0.5是合格的基準值，說明微電網(wǎng)大部分時間運行情況良好。

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

（2）從第4小時到第12小時，綜合得分比較中等。由于這段時間內(nèi)受無太陽光的影響，可再生能源出力比例不高，而負荷滿足率較高，說明柴油發(fā)電機供給了負荷大部分能量，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小時綜合得分為0.45，評價不合格，此時可再生能源出力比例為0，系統(tǒng)全部能量由柴油機和蓄電池提供，經(jīng)濟性可靠性環(huán)保性等都很差，從而導(dǎo)致評價不合格。

表7 微電網(wǎng)一天內(nèi)各小時運行性能綜合評價得分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)運行性能的評價問題，從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟性、環(huán)保性四個方面建立運行性能評價指標體系，采用基于最優(yōu)隸屬度的模糊評價方法對微電網(wǎng)運行性能進行綜合評價，評價結(jié)果可作為指導(dǎo)微電網(wǎng)優(yōu)化運行的依據(jù)。并以一個實際微電網(wǎng)工程為例，驗證了該評價方法的科學(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方式。