計及“源-荷”特性的交直流混合配電網能效評估

梁繼深，康 麗

(東莞理工學院 電子工程與智能化學院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

能源問題是當今社會的熱點問題，社會發展對于能源的需求日益提升，世界能源在不斷減少，能源短缺問題逐漸成為需要面對和解決的難題。應對能源緊缺的現狀，需要減少能源浪費，提高能源利用率。電網作為電能的傳輸載體，每年電網輸配電過程中會損耗大量的電能，根據相關資料顯示，電能損耗約占總發電量的28%～33%[1]。提高能源利用效率，減少電網的能量浪費是緩解能源緊缺問題的關鍵。在電網的電能損耗中，配電網的損耗嚴重，提高配電網的能效可以有效降低電網損耗。光伏發電等分布式電源的出現和直流配電技術的應用為減少能源浪費和電網損耗帶來了機遇。光伏發電經過升壓等處理后形成的直流電源可以直接通過靠近負荷的直流配電網進行配電和使用，另外由于分布式光伏發電多采用就地消納的方式進行送電，靠近負荷中心，減少了配電網換流過程中的電能損耗，提高了配電網的能效水平。此外，直流配電網能夠提升電能質量和用戶體驗，因此交直流混合配電網逐漸開始廣泛應用。但是分布式光伏發電接入交直流配電網時，其與交流電源相比的特性差異,會使配電網呈現不同的潮流特性，在對交直流混合配電網進行能效評估時，有必要將分布式電源的“源”相關特性能效指標與直流負荷相關的“荷”特性能效指標考慮在內，充分考慮分布式電源和直流負載對于交直流混合配電網能效的影響。因此，基于交直流混合配電網的發展現狀，有必要開展計及與分布式電源及直流負荷相關的“源-荷”特性能效指標的交直流混合配電網的能效評估。

目前配電網能效評估研究對象基本是交流配電網，針對交直流混合配電網的能效評估研究還相對較少。文獻[2]建立了交直流混合配電系統評價指標體系，包含經濟性、社會性和技術性指標，但未考慮配電系統結構和配電設備對能效的影響。文獻[3]提出了包含配電網規劃、設備參數和設備運行狀態的評估體系，但是針對直流配電相關指標不夠詳細。文獻[4-5]提出的能效指標體系包含了直流配電網相關指標，但是沒有綜合考慮有關微電網和分布式電源接入配電網給配電網帶來的影響，指標選取不夠全面。文獻[6]對分布式電源接入配電網進行能效評估，考慮了分布式電源對于傳統交流配電網的影響。文獻[7]對中低壓配電網進行了能效評估，但是指標不夠全面，且沒有涉及直流配電網。文獻[8-9]對傳統交流輸配電網進行了相關的能效評估，但仍然缺少對直流配電網能效水平的研究。

結合現有針對配電網能效評估的研究，本文提出計及“源-荷”特性能效指標的交直流混合配電網能效評估指標體系。傳統層次分析法需要校驗判斷矩陣的一致性，計算量較大，并且步驟較多，考慮到這些缺點，同時能效評估中指標較多[10]，因此文中采用G-1法求能效指標權重，并計算能效水平得分。

1 指標分析

1.1 指標體系的建立

建立配電網能效指標體系：O={配電網能效水平}，A={中壓配電網，配電變壓器，低壓直流配電網，低壓交流配電網}，B={靜態指標，動態指標，能耗指標}，以及P層中的基礎指標。參考國家相關的能耗標準[11-16]和相關文獻[3,17]建立計及“源-荷”特性的交直流混合配電網能效指標體系如圖1所示。

圖1 計及“源-荷”特性的交直流混合配電網能效指標體系

1.2 指標體系說明

中壓配電網、配電變壓器、低壓直流配電網和低壓交流配電網的能效水平直接反映交直流混合配電網的能效水平，因此選擇這4個指標作為A層的能效指標。為了能夠更詳細表征每個部分與能效相關的指標，B層指標中還根據指標特性分為靜態指標、動態指標和能耗指標。由于分布式電源多采用就地消納的方式，一般在靠近負荷中心的配電網中連接并實現配電，因此將與分布式電源、直流負載相關的能效指標歸到低壓配電網部分建立能效指標體系，進行能效評估。

此文的創新點在于提出了分布式電源接入距離規范性和直流負載占比這2個與“源-荷”相關的能效指標。由于分布式電源接入配電網位置距離負荷越遠，輸電距離越長，輸電過程中產生的消耗越多，因此提出分布式電源接入距離規范性來表征分布式電源與負荷之間的距離給配電網能效水平帶來的影響。另外，直流負載占比不同，需要經過變流達到配電目的的電能容量不同，變流過程中產生的能源損耗也不同，所以有必要用直流負載占比來表征直流負載容量對于配電網能效水平的影響。此外，還綜合考慮分布式電源容量占比、分布式電源功率因數、儲能裝置位置規范性、儲能容量占比和儲能裝置充放電效率等與分布式電源相關的能效指標對交直流混合配電網能效的影響，結合其他與配電網能效相關的指標，此文提出了更加完整的交直流混合配電網能效評估指標體系。

2 能效評估模型

目前，在眾多的能效評估模型中，無論是對交流配電網的能效評估還是對其他對象的能效評估當中，較多使用層次分析法計算能效指標的權重和目標能效水平。層次分析法雖然原理較為簡單，但是由于需要校驗指標判斷矩陣的一致性，在能效指標數目較多時，如果判斷矩陣的一致性不滿足要求，需要調整判斷矩陣，那么指標權重計算的計算量將大幅增加，計算復雜度增高[5]。配電網能效評估指標較多，考慮到計算難度，同時為了能夠充分利用專家在能效評估方面的經驗優勢，提高能效評估的性能，文中選用G-1法計算配電網能效指標權重。

2.1 求取指標狀態值

指標原始值和基準值的比值稱為指標狀態值[18]。根據指標的屬性差異，可將指標分為正向指標和逆向指標，和能效水平是正相關的指標為正向指標，反之為逆向指標。根據不同的指標屬性選取不同方法求取指標狀態值。

若指標為正向指標，指標的狀態值為

若指標為逆向指標，指標的狀態值為

式中：Ss為指標狀態值，S0為指標原始值，Sb為指標基準值。

2.2 G-1法確定能效指標權重

2.2.1 能效指標重要性排序

根據專家經驗，對文中提出的能效指標體系中P層中的能效指標依據其對目標的重要性進行排序。假設以某個A層指標為目標對對應的P層中m個指標進行重要性排序，排序集合可記為X={x1,x2,…,xm}，在重要性排序集合中，x1表示重要程度第1的指標，xm表示重要程度第m的指標。

2.2.2 指標相對重要程度

基于確定的能效指標重要性排序，根據G-1法比較尺度表來確定相鄰指標之間的相對重要性。G-1法比較尺度表如表1所示，rk表示指標重要性排序X中相鄰指標xk-1相對于xk的重要程度，且rk可表示為

式中：pk-1、pk分別表示能效指標xk-1、xk的權重。

表1 G-1法比較尺度表

2.2.3 指標權重

基于上述專家意見可以得到能效指標相對重要度rk，可以計算每個指標的權重，如下式：

式中：pn為能效指標重要性排序中第n位指標的權重，n為某A層指標為目標時對應P層指標的個數，即其對應的指標重要性排序中指標的個數。

計算對應重要性排序X中第k個指標的權重，算式為

pk-1=rkpk(k=n,n-1,…,3,2)

式中：pk為能效指標重要性排序中第k個能效指標的權重；pk-1為能效指標重要性排序中第k-1個能效指標的權重。

根據上述式子，可以計算得到每個指標的權重，完成對計及“源-荷”特性的交直流混合配電網能效評估中相關能效指標的權重計算。

2.3 評估分值

結合指標的狀態值矩陣S和權重矩陣W，得到最終配電網的綜合分值，表現為配電網的綜合能效水平，其計算式如下：

V=WS

式中：S為狀態值矩陣，W為權重矩陣，V為綜合能效水平矩陣。

除了得到表征整個交直流混合配電網能效水平的綜合分數外，還可以得到每個A層指標的分數，根據分數可以直觀發現配電網中能效水平相對薄弱的環節，進行對應的改進從而提高配電網的能效水平。

3 算例分析

為了驗證所提指標對交直流混合配電網能效水平的影響，驗證能效指標體系的合理性，基于文獻[3-5,19-20]中的算例分析并進行算例修改，形成2個改進后的算例：1)計及“源-荷”特性指標的交直流混合配電網N1；2)傳統指標體系的交直流混合配電網N2。

基于文中提出的能效指標體系，并采用G-1法對能效指標進行權重計算，得到P層指標的權重如表2所示，2個改進算例對應各指標的分值如表3和表4所示。

表2 P層各指標權重

通過對比表3和表4中的各部分能效評分，引入了計及“源-荷”特性的能效指標后，其交直流混合配電網的能效分值較原始的交直流混合配電網的能效分值更高，具有更高的能效水平，這個差別主要體現在低壓直流配電網的能效水平。由于引入了計及“源-荷”特性的能效指標，使得交直流混合配電網的能效指標更加完整，能夠更加詳細和準確地顯示配電網的能效水平。分布式電源接入位置靠近負荷中心，一方面減少了交流輸電過程中帶來的電能損耗，同時由于分布式電源就地消納的特點，其與交流輸配電相比，距離負荷中心更近，帶來的輸配電損耗也更低。此外，由于直流負載的加入，光伏發電等分布式電源所發的直流電可以直接給直流負載供電，直流負載占比不同，直接影響交直流配電網中變流器的使用情況，減少變流器在變流過程帶來的電能損耗，提高了交直流混合配電網的能效水平。

表3 N1配電網指標分值和綜合分值

表4 N2配電網指標分值和綜合分值

4 結 語

提出了計及“源-荷”特性的能效指標，建立更加全面的交直流混合配電網能效指標體系。通過對不同算例的分析可知，計及“源-荷”特性能效指標的交直流混合配電網能效評估可以獲得更全面的評價，充分考慮了分布式電源接入位置對配電網能效的影響，同時還考慮了直流負載率對于交直流混合配電網能效水平的影響。通過對2個不同能效指標體系算例采用G-1法進行能效評估計算，證明了所提能效指標體系的合理性和有效性。在實際工程應用中，可以結合文中提出的能效指標體系，從而實現更加全面的能效評估，獲得更加詳細的能效評估結果。