武 霄

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司, 上海 200063)

能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的動力,但是傳統(tǒng)化石能源的大量消耗使得人類社會的發(fā)展陷入環(huán)境污染和資源緊缺的雙重困境[1]。目前,我國能源結(jié)構(gòu)仍大量的依賴煤炭等傳統(tǒng)化石燃料,給我國能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略實施帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在此背景下,以電力系統(tǒng)為核心,耦合電、氣、冷、熱等多種能源的綜合性虛擬能源站概念應(yīng)運而生。多能耦合的虛擬能源站涉及多種異質(zhì)能流的輸入、輸出及轉(zhuǎn)化過程,通過各類耦合設(shè)備將各種能源耦合起來[2],實現(xiàn)能源統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度,能夠提高能源的綜合利用效率,具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠、靈活等特點。

目前,虛擬能源站主要以電能為樞紐進(jìn)行多能協(xié)調(diào)互補,為了支撐虛擬能源站穩(wěn)定可靠運營并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,要求虛擬能源站在規(guī)劃設(shè)計、投資建設(shè)、能效水平等方面取得較好的指標(biāo)水平。根據(jù)指標(biāo)性能分析得出最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)劃運營服務(wù)方案,在此基礎(chǔ)上利用技術(shù)性工具進(jìn)一步提升虛擬能源站的可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性,通過科學(xué)客觀地評價虛擬能源站中各類能源的效率效益情況,指導(dǎo)虛擬能源站的合理高效運營。文獻(xiàn)[3]針對園區(qū)級綜合能源系統(tǒng),采用主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)方法,以電能替代為核心對園區(qū)能源系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)展開了評估工作;文獻(xiàn)[4]從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性等方面出發(fā),重點考慮綜合能源系統(tǒng)中分布式供能設(shè)備,基于電、熱網(wǎng)絡(luò)動態(tài)能流特性構(gòu)建綜合評價體系,為綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃評估提供了科學(xué)有效的理論支撐;文獻(xiàn)[5]以分布式能源設(shè)備為核心,考慮能源效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,構(gòu)建了分布式能源系統(tǒng)的綜合評價體系;文獻(xiàn)[6]對政府、電網(wǎng)、投資運營商多利益主體展開系統(tǒng)分析,基于物元可拓模型,從能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全等多方面開展了評估決策工作。

在現(xiàn)有研究中,各類評價方法已經(jīng)發(fā)展得較為成熟,其中層次分析法以其在處理復(fù)雜評價問題中所具有的實用性和高效性特點,在各類評價問題中得到了更廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了多能耦合系統(tǒng)的綜合能源評估指標(biāo)體系,利用層次分析法完成各層指標(biāo)賦權(quán),實現(xiàn)了對綜合能效的量化分析;文獻(xiàn)[8]分析了能源互聯(lián)網(wǎng)中各利益相關(guān)者,利用解釋結(jié)構(gòu)模型,通過層次分析法,從經(jīng)濟(jì)、能源、社會、工程和環(huán)境5個角度構(gòu)建了綜合評估方法;文獻(xiàn)[9]重點考慮了綜合能源設(shè)備的動靜態(tài)特性,結(jié)合多能流網(wǎng)絡(luò)的差異化特性,采用層次分析法實現(xiàn)了對能源系統(tǒng)綜合能效的量化評估。

但是,層次分析法的使用往往存在著較大的主觀局限性,特別是容易受到專家水平、主觀經(jīng)驗的影響,使得所得到的指標(biāo)體系帶有較強(qiáng)的主觀性,最終的評估結(jié)果很難對系統(tǒng)情況作出客觀研判[10]。因此,本文利用層次分析法初步構(gòu)建綜合評估模型,同時在模型中引入客觀熵權(quán)法對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正,實現(xiàn)主觀方法與客觀方法的有機(jī)統(tǒng)一,降低層次分析法主觀片面性對評價體系構(gòu)建過程中的不利影響。

1 綜合評價指標(biāo)確定

1.1 評價對象

以虛擬能源站為綜合評價對象,根據(jù)虛擬能源站設(shè)置的不同應(yīng)用場景,虛擬能源站內(nèi)部的設(shè)備配置往往也有所不同,其中較為典型的多能耦合虛擬能源站整體物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型虛擬能源站整體物理架構(gòu)

1.2 評價指標(biāo)

考慮到虛擬能源站的特點,從經(jīng)濟(jì)性、能效性、環(huán)境效益、可靠性等方面構(gòu)建虛擬能源站的評價指標(biāo)體系。

1.2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

虛擬能源站的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)由能源站內(nèi)的設(shè)備采購費用及運行維護(hù)費用作為主要因素,具體包括設(shè)備購置成本A1、設(shè)備運行成本A2和能源外購成本A3。

設(shè)備購置成本為能源站內(nèi)所有設(shè)備的購置和安裝費用,可表示為

(1)

式中:n——系統(tǒng)中的機(jī)組個數(shù);

Ka,i——系統(tǒng)中第i個機(jī)組單位容量的購置成本;

Kb,i——系統(tǒng)中第i個機(jī)組單位容量的安裝費用;

Pi——系統(tǒng)中第i個機(jī)組的裝機(jī)容量。

考慮設(shè)備購置成本為一次性投資,需要將設(shè)備購置成本轉(zhuǎn)換為等年值方便進(jìn)行比較,即

(2)

式中:f——商業(yè)銀行貸款的年利率;

T——還款年限。

系統(tǒng)中配置的設(shè)備往往需要投入一定成本用于維持設(shè)備的正常運行,其中分為持續(xù)性成本和突發(fā)性成本。持續(xù)性成本為設(shè)備正常保養(yǎng)維護(hù)所投入的管理費用,突發(fā)成本性用于設(shè)備突發(fā)故障的維修費用,可表示為

(3)

式中:Ca,i——第i個機(jī)組單位容量的突發(fā)性成本系數(shù);

Cb,i——第i個機(jī)組單位容量的持續(xù)性成本系數(shù)。

系統(tǒng)運行中有購買天然氣或向上級電網(wǎng)購電的需求,其用能成本可表示為

(4)

式中:Cw,i——第i個機(jī)組單位出力所消耗的燃?xì)赓M用;

Cnet——外部大電網(wǎng)購電價格;

Pnet——系統(tǒng)向外部大電網(wǎng)的購電量。

1.2.2 能效性指標(biāo)

能源站用能的“量”利用水平,主要通過能源利用率指標(biāo)ηes進(jìn)行刻畫,即系統(tǒng)輸出總能量與系統(tǒng)輸入總能量的比值,表示為

(5)

式中:Po——系統(tǒng)凈輸出電量;

Qh(c)——系統(tǒng)輸出總熱(冷)量;

Pi——系統(tǒng)凈輸入總電量;

Vg——天然氣消耗量;

QL——天然氣低位熱值。

(6)

式中:Ah(c)——熱(冷)能的能質(zhì)系數(shù);

A——天然氣的能質(zhì)系數(shù)。

能質(zhì)系數(shù)用于反映不考慮實際損耗的情況下該種能源直接轉(zhuǎn)化為電能的極限能力。

1.2.3 環(huán)境效益指標(biāo)

在能源站中,可再生能源的有效利用能夠顯著降低化石能源的使用水平,從而發(fā)揮可再生能源在節(jié)能減排、降低污染等方面的環(huán)境效益,因此本文采用可再生能源消納量作為評估能源站環(huán)境效益的主要指標(biāo),同時為了最大化利用虛擬能源站內(nèi)的可再生能源,假設(shè)可再生能源發(fā)電設(shè)備所發(fā)的電能X被能源站完全消納,可表示為

X=UWT+UPV

(7)

式中:UWT——風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量;

UPV——光伏系統(tǒng)發(fā)電量。

1.2.4 可靠性指標(biāo)

可靠性指能源站能源供應(yīng)的安全性和連續(xù)性,主要考慮孤島運行時能源站滿足用戶用能的能力。用能源缺額率PLOSS作為描述能源站供能可靠性的主要指標(biāo),可表示為

(8)

式中:ΔWE——系統(tǒng)中電能缺額量;

ΔWh(c)——系統(tǒng)中熱(冷)能缺額量;

WE——系統(tǒng)中電能總需求量;

Wh(c)——系統(tǒng)中熱(冷)能總需求量。

2 綜合評價模型構(gòu)建

2.1 綜合評價體系構(gòu)建

根據(jù)上述選取指標(biāo),確定虛擬能源站綜合評估模型分級評價指標(biāo),以經(jīng)濟(jì)性、能效性、環(huán)境效益、可靠性作為一級指標(biāo),設(shè)備的購置成本等作為二級指標(biāo),得到虛擬能源站評價指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 虛擬能源站綜合評估指標(biāo)體系

2.2 綜合評價指標(biāo)賦值

本文將主觀的層次分析法與客觀熵權(quán)法相結(jié)合,綜合確定虛擬能源站評估指標(biāo)的權(quán)重。

首先,通過層次分析法分析判斷各個因素,采用“和法”求得專家評分矩陣的特征根和特征向量,對所得到的專家評分矩陣進(jìn)行一致性判斷,之后對專家權(quán)重意見偏離程度展開計算,并將其中偏離程度較大的專家權(quán)重剔除,求得篩選后權(quán)重矩陣列向量的平均值。

(9)

(10)

式中:Hj——指標(biāo)j的熵值。

最后,在層次分析法所得權(quán)重的基礎(chǔ)上,利用熵權(quán)法所得的客觀權(quán)重值對層次分析法權(quán)重結(jié)果進(jìn)行偏差修正,將兩者的結(jié)果結(jié)合起來得到的最終綜合權(quán)重值為

j=1,2,3,…,n

(11)

式中:wj——指標(biāo)j的綜合權(quán)重系數(shù)。

2.3 綜合評價函數(shù)生成

能源站的綜合評價采用評價得分進(jìn)行量化。首先,將二級評估指標(biāo)分成效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)2類,效益型指標(biāo)的得分會隨著運行數(shù)據(jù)的增長而增長,成本型指標(biāo)則與效益型指標(biāo)正好相反,其得分會隨著實際數(shù)據(jù)的增加而降低。然后,根據(jù)二級指標(biāo)的不同類型,如效益型指標(biāo)包含能源利用率、效率和可再生能源消耗量等,成本型指標(biāo)包含設(shè)備購置成本、設(shè)備運營成本、能源外購成本等,利用專家意見制定評分標(biāo)準(zhǔn)。在各指標(biāo)的取值范圍內(nèi),按一定間隔對指標(biāo)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行取值,并根據(jù)專家意見得到相對應(yīng)的評價得分。以指標(biāo)運行數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo),評價得分為縱坐標(biāo),得到一系列離散化的指標(biāo)評價點。利用MATLAB軟件中的Curve Fitting Tool工具對離散的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行曲線擬合,最終得到各個指標(biāo)的評分函數(shù),如表1所示。

表1 各指標(biāo)評分函數(shù)

在虛擬能源站評價過程中,首先計算出各個指標(biāo)的實際數(shù)值,再利用評分函數(shù)將指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)化為指標(biāo)初始分?jǐn)?shù),由初始分?jǐn)?shù)乘以指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)并進(jìn)行累積,得到虛擬能源站總體得分情況,最后用于后續(xù)能源站的系統(tǒng)分析。

3 算例分析

以中國南方某園區(qū)的虛擬能源站作為研究對象開展評價工作。該園區(qū)內(nèi)有效建筑面積約為53.2 萬m2,平均風(fēng)速為5.3 m/s,太陽能平均年輻射量約為1 600 kWh/m2。

3.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)

2016—2018年該能源站的規(guī)劃建設(shè)各項指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 能源站規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)

由表2可知,該虛擬能源站自2016—2018年接入的可再生能源不斷增加,能源站不斷擴(kuò)建,其自有設(shè)備容量越來越大,減小了對外部的能源需求,使其能源外購成本和能源缺額率逐年下降。

3.2 指標(biāo)賦權(quán)

按照式(8)～式(10)即可計算出熵權(quán)法權(quán)重并完成熵權(quán)法對層次分析法權(quán)重的修正,結(jié)果如表3所示。

表3 3種方法確定的指標(biāo)權(quán)重值

3.3 評估得分

根據(jù)前文所述方法對該虛擬能源站按建立的評價指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行評估,根據(jù)其指標(biāo)實際值與評分函數(shù),得到指標(biāo)的得分情況,再將全部指標(biāo)的得分與其各自的綜合權(quán)重相乘并求和,得到虛擬能源站的建設(shè)水平評價得分,如表4所示。

表4 各指標(biāo)評分得分

由表4可知,2016—2018年各指標(biāo)總得分分別為70.329 6,73.536 0,75.977 3。虛擬能源站在2016—2018年這3年中得分逐漸增加,這是由于能源站加快了可再生能源的建設(shè),同時對系統(tǒng)中的熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power,CHP)機(jī)組、燃?xì)忮仩t等設(shè)備進(jìn)行了擴(kuò)容,使能源外購成本和能源缺額率都得到了大幅削減,在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境效益、可靠性等方面都有較大提升,能進(jìn)一步降低能耗。

從表4的得分結(jié)構(gòu)也能夠看出,該園區(qū)級虛擬能源站環(huán)境效益的發(fā)展水平有了顯著的提升,這與國內(nèi)目前大力推廣支持可再生能源發(fā)展應(yīng)用有著密切的聯(lián)系,而能效性指標(biāo)得分也同樣在逐年穩(wěn)步提升,這和園區(qū)級能源系統(tǒng)多能協(xié)同優(yōu)化發(fā)展的趨勢是密不可分的。該虛擬能源站的規(guī)劃發(fā)展趨勢,也體現(xiàn)著國內(nèi)同類型能源站的運行發(fā)展情況。

未來多能互補耦合理論還有很大的發(fā)展應(yīng)用空間,虛擬能源站項目也在不斷地開展和推進(jìn),通過合理有效的評估體系對虛擬能源站展開科學(xué)高效的評估工作,有利于發(fā)現(xiàn)并改善虛擬能源站項目中各個環(huán)節(jié)的問題和不足,并有效提高虛擬能源站項目的發(fā)展建設(shè)水平。

4 結(jié) 論

本文從經(jīng)濟(jì)性、能效性、環(huán)境效益及可靠性4個方面構(gòu)建了虛擬能源站綜合評價指標(biāo)體系,提出了主客觀相結(jié)合的層次分析法-熵權(quán)法作為虛擬能源站綜合評價方法。評價體系中的各指標(biāo)按實際情況進(jìn)行賦值,通過算例驗證了所提出的評估體系和方法的有效性,得到的結(jié)論如下。

(1) 可再生能源接入量的增長能夠有效提升能源站的運行效益,不僅降低了能源外購的成本,同時能夠很好地保證能源站中負(fù)荷的供應(yīng)情況,使得能源站的多個指標(biāo)得到較高的評價,可以在未來的能源站發(fā)展建設(shè)中作為重點對象進(jìn)行規(guī)劃安排。

(2) 層次分析法-熵權(quán)法能夠克服主客觀方法單獨使用時的缺陷,既降低了層次分析法評價過程中受專家水平、工程經(jīng)驗等主觀因素的影響,又提高了客觀法對層次關(guān)系復(fù)雜的評價問題的實用性,在虛擬能源站的綜合評價問題中能夠很好地發(fā)揮評估作用。

(3) 構(gòu)建科學(xué)有效的虛擬能源站綜合評價指標(biāo)體系,能夠為虛擬能源站項目的評估工作提供堅實而有力的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo),幫助改善實際應(yīng)用中工程項目建設(shè)的不足之處,提高虛擬能源站項目的發(fā)展建設(shè)水平。