陳慶前，余暢，章激揚，劉瑋，王婧

（1．南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東 510080；2．南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 519080；3．天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

層次分析法在孤島微網(wǎng)綜合評價中的應(yīng)用

陳慶前1，余暢2，章激揚1，劉瑋3，王婧3

（1．南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東 510080；2．南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 519080；3．天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

孤島微網(wǎng)系統(tǒng)中的控制策略，能夠?qū)ο到y(tǒng)的整體運行產(chǎn)生很大影響。在對孤島微網(wǎng)進行綜合評價時，對不同的控制策略進行研究是非常有必要的。采用層次分析法和德爾菲法對孤島微網(wǎng)的綜合評價指標進行分析，確定各指標的權(quán)重，構(gòu)建孤島微網(wǎng)綜合評價體系，對不同控制策略下的孤島微網(wǎng)進行綜合評價。以某孤島微網(wǎng)系統(tǒng)為例，對循環(huán)充電、風(fēng)光柴、風(fēng)光儲3種控制策略下的微網(wǎng)系統(tǒng)進行綜合評價。結(jié)果表明，在循環(huán)充電控制策略下，孤島微網(wǎng)的運行最優(yōu)。

孤網(wǎng)；分布式電源；控制策略；層次分析法；評估

電力行業(yè)中，隨著常規(guī)能源的枯竭以及環(huán)境保護要求的提高，人們逐漸將焦點放在了智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的研究與建設(shè)上?！笆晃濉币?guī)劃中明確指出將積極推動和鼓勵可再生能源的發(fā)展作為中國的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一，2020年可再生能源裝機容量將達到100 GW。目前，作為分布式發(fā)電的有效形式，微網(wǎng)建設(shè)發(fā)展迅速，國內(nèi)外學(xué)者也從不同角度對其進行了研究。

本世紀初，學(xué)者們提出了微網(wǎng)的概念。就目前來說，美國和日本以及歐盟國家對微網(wǎng)的研究起步較早，研究也較為成熟。在微網(wǎng)評價方面，有學(xué)者對評價方法進行改進，用于對微網(wǎng)項目進行決策[1]。日本學(xué)者或以一定的微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究前提，選擇評價指標，對微網(wǎng)進行研究[2]；或以經(jīng)濟性為目標，對選擇的孤島微網(wǎng)進行優(yōu)化配置[3]。還有學(xué)者對多個微網(wǎng)之間的連接穩(wěn)定性進行了深入探討[4]。

我國對微網(wǎng)的研究起步較晚，還沒有形成較為完善的體系。在對微網(wǎng)評估方面，國內(nèi)的研究主要集中在對微網(wǎng)可靠性的評價以及對評價方法的改進[5-7]。而隨著微網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，在決策微網(wǎng)方案時，一套完善的微網(wǎng)評價體系是非常重要的。

本文以孤島運行的微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，在包括風(fēng)、光、柴、儲在內(nèi)的分布式電源總?cè)萘坎蛔兊那疤嵯?，從多個角度選取微網(wǎng)評價指標，并進行了詳細地界定，然后利用層次分析法，構(gòu)建了孤島微網(wǎng)綜合評價體系。以某孤島微網(wǎng)系統(tǒng)為例，采用構(gòu)建的孤島微網(wǎng)綜合評價體系，以微網(wǎng)方案為目標，對3種控制策略分別進行評分，確定最優(yōu)的控制策略方案。

1 評價指標的確定

1.1 評價對象

選取孤島微網(wǎng)系統(tǒng)作為綜合評價的對象。孤島微網(wǎng)系統(tǒng)主要由分布式電源、柴油機、儲能以及用電負荷構(gòu)成[8]。其中，分布式電源主要是風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能光伏組件。

1.2 評價指標

在指標設(shè)立和選取上，選擇能夠全面、簡潔、準確反映微網(wǎng)運行的指標，以避免指標間的交叉重疊。針對孤島微網(wǎng)的特點，選取了以下6項指標進行評價。

1）單位發(fā)電成本

在微網(wǎng)系統(tǒng)運行中，主要涉及初始投資、運行維護成本、替換成本、燃料費（柴油機）、殘值費用。其中，初始投資、替換成本和殘值為一次性成本，在計算單位發(fā)電成本時，按照一定的折現(xiàn)率i換算成年值。因此，單位發(fā)電成本的計算公式為

式中：Cunit為單位發(fā)電成本；CI、CM、CRj、CF、CS分別為微網(wǎng)項目的初始投資、年維護費用、第j年的替換成本、年燃料費用以及殘值；Pave為年均發(fā)電量；i為利率；n為項目周期。

單位發(fā)電成本指標反映了微網(wǎng)系統(tǒng)在運行期間的年均單位發(fā)電的費用。

2）污染物排放成本

由于微網(wǎng)系統(tǒng)中包含柴油發(fā)電機，因此需要考慮污染物排放問題。污染物排放的懲罰主要包括二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物、可吸入顆粒物、二氧化硫以及氮氧化合物排放的懲罰。其排放懲罰具體計算公式為

式中：ECO2為二氧化碳年排放量，t；PCO2為二氧化碳排放懲罰價格，元/t；ECO為一氧化碳年排放量，t；PCO為一氧化碳排放懲罰價格，元/t；EuHc為未燃燒碳氫化合物年排放量，t；PuHc為未燃燒碳氫化合物排放懲罰價格，元/t；Epm為顆粒物年排放量，t；Ppm為顆粒物排放懲罰價格，元/t；ESO2為二氧化硫年排放量，t；PSO2為二氧化硫排放懲罰價格，元/t；ENO為一氧化氮年排放量，t；PNO為一氧化氮排放懲罰價格，元/t；

3）缺電率

缺電率即為約束LOC，當供電負荷小于總負荷需求時的負荷稱為未滿足負荷，其與總負荷需求的比即為缺電率。圖1中陰影部分表示的是缺電負荷。

圖1 缺電負荷示意Fig.1Sketch map of lack of electricity load

式中：Pload為總負荷；Pload_supply為供電負荷，當供電負荷小于總負荷時，有

式中：Pder為分布式電源總出力；Pds1為柴油發(fā)電機出力；Pbat_dis為電池放電量。

缺電率指標屬于成本型指標，當缺電率為0時狀態(tài)最佳。

4）棄能量

當供電負荷大于總負荷需求時，多余的負荷作廢棄處理。在理想狀態(tài)下的微網(wǎng)系統(tǒng)中，棄能量為0。而在實際無法實現(xiàn)，在微網(wǎng)配置和控制中，需要盡可能降低棄掉的負荷。圖2中陰影部分表示的是棄能量。

式中，Pada為棄能量。當供電負荷大于總負荷時，有

圖2 棄能量示意Fig.2Sketch map of abandoned energy

式中，Pbat_charge為電池充電量。

5）風(fēng)機利用率

在微網(wǎng)運行中會出現(xiàn)棄能量的可能，而風(fēng)機作為發(fā)電的主要部分，經(jīng)濟性較好，且使用范圍較廣。因此，本文選取風(fēng)機利用率指標來表示風(fēng)機發(fā)電的效率。

式中：RepWT為風(fēng)機的利用率；Pder_WT為風(fēng)機出力；Paba_WT為風(fēng)機的棄能。

6）光伏利用率

光伏利用率是指被利用的光伏出力占分布式電源供電負荷的比率。

式中：RepPV為光伏的利用率；Pder_PV為光伏出力；Paba_PV為光伏的棄能。

2 評價體系構(gòu)建

2.1 評價體系

從上述選取的指標中可以看出，這些指標因素間具有一定的層級關(guān)系和相關(guān)性。本文選取層次分析法（AHP），把6個指標作為指標因素層，將經(jīng)濟性等3個指標作為準則層。評價指標體系如表1所示。

表1 孤島微網(wǎng)指標評價體系Tab.1Evaluation index system of island microgird

2.2 指標權(quán)重

這里指標權(quán)重的確定采用AHP法。

1）權(quán)重計算

采用特征向量法，首先計算特征矩陣的最大特征值λmax，求得對應(yīng)的特征向量w，然后對特征向量進行歸一化處理，即得到權(quán)重向量（w1，w2，…，wn）。

2）一致性檢驗

構(gòu)造完特征矩陣，進行歸一化處理后，需進行一致性檢驗，其標準CI的計算公式為

3）各層次權(quán)重及計算組合權(quán)重

設(shè)準則層對目標層的相對權(quán)重列向量為b，則

指標層對準則層各準則的權(quán)重分別為m個n維列向量w1，w2，…，wm，構(gòu)成相對權(quán)重矩陣W，則組合權(quán)重計算公式為

2.3 單項指標評分

將各單項指標劃分為效益型、成本型兩種類型。其中風(fēng)機利用率和光伏利用率指標屬于效益型指標，其他指標屬于成本型指標。圖3中，（a）為效益型指標函數(shù)類型，（b）為成本型指標函數(shù)類型。

圖3 指標函數(shù)類型Fig.3Type of index function

按照圖3所示，若效益型指標值在[d3，d4]區(qū)間內(nèi)，那么該指標的評分在[S3，100]區(qū)間；而當成本型指標值在[d3，d4]區(qū)間時，該指標的評分則在[0，S1]區(qū)間內(nèi)。

利用上述指標體系構(gòu)建孤島微網(wǎng)綜合評價調(diào)查表，對10家電力咨詢公司的60位電力專家進行調(diào)研。通過專家打分法，得到各指標評分結(jié)果。

表2中給出了“經(jīng)濟性-單位發(fā)電成本”和“可再生能源利用率-風(fēng)機利用率”的評分標準。

表2 指標評價評分標準Tab.2Evaluation standard of index evaluation

3 算例分析

3.1 項目背景

以珠海某孤島的微網(wǎng)建設(shè)方案為例，選取循環(huán)充電、風(fēng)光柴以及風(fēng)光儲3種控制策略方案作為AHP法中的方案層。

經(jīng)過調(diào)研和對歷史數(shù)據(jù)的整理，從當?shù)氐臍庀蟛块T得到了光照情況和風(fēng)資源的歷史數(shù)據(jù)。分析表明，島嶼風(fēng)資源條件比較突出，而太陽能資源水平一般。

在該微網(wǎng)系統(tǒng)中，配置500 kW的柴油機2臺；30 kW風(fēng)力發(fā)電機組6臺；光伏設(shè)備為無追蹤類型170 kW一組；480個容量為3.448 8 MC的單體鉛酸電池，將其分成2組并聯(lián)；容量為70 kW的雙向變流器一臺。

3.2 指標權(quán)重

利用AHP法獲得指標因素層的權(quán)重，特征矩陣和權(quán)重值的計算如表3所示。

表3 指標因素權(quán)重計算Tab.3Weight calculation of index factors

利用專家打分法，確定準則層的權(quán)重。計算結(jié)果如表4所示。

表4 準則層權(quán)重計算Tab.4Weight calculation of rule hierarchy

3.3 指標評分

通過仿真分析，得到經(jīng)濟性、供電可靠性以及可再生能源利用率的多項指標因素的具體數(shù)據(jù)，依據(jù)上述的指標權(quán)重及評分標準對3種控制策略進行綜合得分。

3種控制策略的運行區(qū)別在于：在循環(huán)充電控制策略下，在凈負荷〉0時，首先考慮蓄電池放電，當達到電池放電限制極限時，剩余負荷由分布式能源補充；在風(fēng)光柴控制策略下，必須開啟一臺柴油發(fā)電機，一旦不能滿足供電負荷時，則繼續(xù)開啟；在風(fēng)光儲控制策略下，在凈負荷〉0時，電池用于補償所有或者部分凈負荷，即電池放電。

1）循環(huán)充電

表5中為循環(huán)充電控制策略下，各項指標因素的評分及綜合評分情況。

表5 循環(huán)充電策略下微網(wǎng)綜合評價Tab.5Comprehensive evaluation of microgrid under the circulation charging strategy

由表5可以看出，在循環(huán)充電控制策略下的微網(wǎng)運行的綜合評分較高，供電可靠性水平較高，經(jīng)濟性評價和可再生能源利用率相對較低。

2）風(fēng)光柴

表6中為風(fēng)光柴控制策略下，各項指標因素的評分及綜合評分。

表6 風(fēng)光柴策略下微網(wǎng)綜合評價Tab.6Comprehensive evaluation of microgrid under the WT-PV-diesel strategy

由表6可以看出，在風(fēng)光柴控制策略下的微網(wǎng)運行的綜合評分較低。

3）風(fēng)光儲

表7為風(fēng)光儲策略下，各項指標因素的評分及綜合評分情況。

由表7可以看出，在風(fēng)光儲策略下的微網(wǎng)運行的綜合評分處于中等水平。

從上述3種不同控制策略下的孤網(wǎng)綜合評價結(jié)果可以看出，由于在風(fēng)光柴控制策略下沒有儲能，因此棄能量較高，同時主要利用柴發(fā)出力，因此污染物排放較高；風(fēng)光儲控制策略下，夜間光伏不能出力，因此，會存在一定量的缺電率，沒有柴發(fā)出力，因此污染物排放很低；循環(huán)充電策略下，風(fēng)光柴儲均出力，因此單位發(fā)電成本偏高，但不存在缺電情況，風(fēng)光的利用率也相對很高。

因此，在分布式電源的總?cè)萘恳欢ǖ那闆r下，采用循環(huán)充電控制策略運行微網(wǎng)，效果較好，這與該島的技術(shù)方案對比研究結(jié)果相符。

表7 風(fēng)光儲策略下微網(wǎng)綜合評價Tab.7Comprehensive evaluation of microgrid under the WT-PV-bat strategy

4 結(jié)語

通過利用層次分析法，從經(jīng)濟性、供電可靠性和可再生能源利用率3個準則，綜合考慮孤島微網(wǎng)的運行，構(gòu)建孤島微網(wǎng)綜合評價體系。結(jié)合實證分析，得到在某孤島微網(wǎng)運行中，選取循環(huán)充電控制策略最優(yōu)的結(jié)果，與技術(shù)方案研究分析結(jié)果相一致，這也驗證了孤島微網(wǎng)評價體系的正確性。

在后續(xù)研究中，需要通過大量的調(diào)研工作，對指標體系進一步探索，引入能夠全面反映微網(wǎng)的技術(shù)性指標，以及從并網(wǎng)角度豐富指標因素，將評價范圍擴展到整個微網(wǎng)系統(tǒng)，以建立完善、準確的微網(wǎng)綜合評價體系。

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Application of Analytic Hierarchy Process in Comprehensive Evaluation of Island Microgird

CHEN Qing-qian1，YU Chang2，ZHANG Ji-yang1，LIU Wei3，WANG Jing3
（1.China Southern Power Grid Synthesis Energy Co.，Ltd，Gungdong 510080，China；
2.Southern Offshore Wind Power Joint Development Co.，Ltd，Guangdong 519080，China；
3.Tianjin Tianda Qinshi Eleetric Power High Technology Co.，Ltd，Tianjin 300384，China）

In the microgird network，the option of control strategy would impact the whole system running.It is necessary to study the different control strategies in the comprehensive evaluation of microgird.In this paper，the comprehensive evaluation index of microgird is analyzed.The index weight of factors and the comprehensive evaluation system with the analytic hierarchy process（AHP）and Delphi method are established to evaluate the microgird under different control strategies.For example，in one island micro network，the operation is evaluated with three control strategies including load follow，charge cycle and scenery wood.The result shows that the operation of micro network performs best with the charge cycle strategy.

isolated microgird；distributed generation；control strategy；analytic hierarchy process；evaluation

TM715

A

1003-8930（2013）03-0133-05

陳慶前（1964—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析，新能源發(fā)電技術(shù)。Email：chenqq@csg.cn

2012-12-20；

2013-01-31

余暢（1977—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制，微電網(wǎng)運行與控制。Email：yuchang@csg.cn

章激揚（1974—），男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)，電動汽車。Email：zhangjy@csg.cn