层次分析法在孤岛微网综合评价中的应用

陈庆前，余畅，章激扬，刘玮，王婧

（1．南方电网综合能源有限公司，广东 510080；2．南方海上风电联合开发有限公司，广东 519080；3．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

层次分析法在孤岛微网综合评价中的应用

陈庆前1，余畅2，章激扬1，刘玮3，王婧3

（1．南方电网综合能源有限公司，广东 510080；2．南方海上风电联合开发有限公司，广东 519080；3．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

孤岛微网系统中的控制策略，能够对系统的整体运行产生很大影响。在对孤岛微网进行综合评价时，对不同的控制策略进行研究是非常有必要的。采用层次分析法和德尔菲法对孤岛微网的综合评价指标进行分析，确定各指标的权重，构建孤岛微网综合评价体系，对不同控制策略下的孤岛微网进行综合评价。以某孤岛微网系统为例，对循环充电、风光柴、风光储3种控制策略下的微网系统进行综合评价。结果表明，在循环充电控制策略下，孤岛微网的运行最优。

孤网；分布式电源；控制策略；层次分析法；评估

电力行业中，随着常规能源的枯竭以及环境保护要求的提高，人们逐渐将焦点放在了智能电网和微电网的研究与建设上。“十一五”规划中明确指出将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一，2020年可再生能源装机容量将达到100 GW。目前，作为分布式发电的有效形式，微网建设发展迅速，国内外学者也从不同角度对其进行了研究。

本世纪初，学者们提出了微网的概念。就目前来说，美国和日本以及欧盟国家对微网的研究起步较早，研究也较为成熟。在微网评价方面，有学者对评价方法进行改进，用于对微网项目进行决策[1]。日本学者或以一定的微网网架结构为研究前提，选择评价指标，对微网进行研究[2]；或以经济性为目标，对选择的孤岛微网进行优化配置[3]。还有学者对多个微网之间的连接稳定性进行了深入探讨[4]。

我国对微网的研究起步较晚，还没有形成较为完善的体系。在对微网评估方面，国内的研究主要集中在对微网可靠性的评价以及对评价方法的改进[5-7]。而随着微网建设的不断推进，在决策微网方案时，一套完善的微网评价体系是非常重要的。

本文以孤岛运行的微网系统为研究对象，在包括风、光、柴、储在内的分布式电源总容量不变的前提下，从多个角度选取微网评价指标，并进行了详细地界定，然后利用层次分析法，构建了孤岛微网综合评价体系。以某孤岛微网系统为例，采用构建的孤岛微网综合评价体系，以微网方案为目标，对3种控制策略分别进行评分，确定最优的控制策略方案。

1 评价指标的确定

1.1 评价对象

选取孤岛微网系统作为综合评价的对象。孤岛微网系统主要由分布式电源、柴油机、储能以及用电负荷构成[8]。其中，分布式电源主要是风力发电机组和太阳能光伏组件。

1.2 评价指标

在指标设立和选取上，选择能够全面、简洁、准确反映微网运行的指标，以避免指标间的交叉重叠。针对孤岛微网的特点，选取了以下6项指标进行评价。

1）单位发电成本

在微网系统运行中，主要涉及初始投资、运行维护成本、替换成本、燃料费（柴油机）、残值费用。其中，初始投资、替换成本和残值为一次性成本，在计算单位发电成本时，按照一定的折现率i换算成年值。因此，单位发电成本的计算公式为

式中：Cunit为单位发电成本；CI、CM、CRj、CF、CS分别为微网项目的初始投资、年维护费用、第j年的替换成本、年燃料费用以及残值；Pave为年均发电量；i为利率；n为项目周期。

单位发电成本指标反映了微网系统在运行期间的年均单位发电的费用。

2）污染物排放成本

由于微网系统中包含柴油发电机，因此需要考虑污染物排放问题。污染物排放的惩罚主要包括二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物、可吸入颗粒物、二氧化硫以及氮氧化合物排放的惩罚。其排放惩罚具体计算公式为

式中：ECO2为二氧化碳年排放量，t；PCO2为二氧化碳排放惩罚价格，元/t；ECO为一氧化碳年排放量，t；PCO为一氧化碳排放惩罚价格，元/t；EuHc为未燃烧碳氢化合物年排放量，t；PuHc为未燃烧碳氢化合物排放惩罚价格，元/t；Epm为颗粒物年排放量，t；Ppm为颗粒物排放惩罚价格，元/t；ESO2为二氧化硫年排放量，t；PSO2为二氧化硫排放惩罚价格，元/t；ENO为一氧化氮年排放量，t；PNO为一氧化氮排放惩罚价格，元/t；

3）缺电率

缺电率即为约束LOC，当供电负荷小于总负荷需求时的负荷称为未满足负荷，其与总负荷需求的比即为缺电率。图1中阴影部分表示的是缺电负荷。

图1 缺电负荷示意Fig.1Sketch map of lack of electricity load

式中：Pload为总负荷；Pload_supply为供电负荷，当供电负荷小于总负荷时，有

式中：Pder为分布式电源总出力；Pds1为柴油发电机出力；Pbat_dis为电池放电量。

缺电率指标属于成本型指标，当缺电率为0时状态最佳。

4）弃能量

当供电负荷大于总负荷需求时，多余的负荷作废弃处理。在理想状态下的微网系统中，弃能量为0。而在实际无法实现，在微网配置和控制中，需要尽可能降低弃掉的负荷。图2中阴影部分表示的是弃能量。

式中，Pada为弃能量。当供电负荷大于总负荷时，有

图2 弃能量示意Fig.2Sketch map of abandoned energy

式中，Pbat_charge为电池充电量。

5）风机利用率

在微网运行中会出现弃能量的可能，而风机作为发电的主要部分，经济性较好，且使用范围较广。因此，本文选取风机利用率指标来表示风机发电的效率。

式中：RepWT为风机的利用率；Pder_WT为风机出力；Paba_WT为风机的弃能。

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电源供电负荷的比率。

式中：RepPV为光伏的利用率；Pder_PV为光伏出力；Paba_PV为光伏的弃能。

2 评价体系构建

2.1 评价体系

从上述选取的指标中可以看出，这些指标因素间具有一定的层级关系和相关性。本文选取层次分析法（AHP），把6个指标作为指标因素层，将经济性等3个指标作为准则层。评价指标体系如表1所示。

表1 孤岛微网指标评价体系Tab.1Evaluation index system of island microgird

2.2 指标权重

这里指标权重的确定采用AHP法。

1）权重计算

采用特征向量法，首先计算特征矩阵的最大特征值λmax，求得对应的特征向量w，然后对特征向量进行归一化处理，即得到权重向量（w1，w2，…，wn）。

2）一致性检验

构造完特征矩阵，进行归一化处理后，需进行一致性检验，其标准CI的计算公式为

3）各层次权重及计算组合权重

设准则层对目标层的相对权重列向量为b，则

指标层对准则层各准则的权重分别为m个n维列向量w1，w2，…，wm，构成相对权重矩阵W，则组合权重计算公式为

2.3 单项指标评分

将各单项指标划分为效益型、成本型两种类型。其中风机利用率和光伏利用率指标属于效益型指标，其他指标属于成本型指标。图3中，（a）为效益型指标函数类型，（b）为成本型指标函数类型。

图3 指标函数类型Fig.3Type of index function

按照图3所示，若效益型指标值在[d3，d4]区间内，那么该指标的评分在[S3，100]区间；而当成本型指标值在[d3，d4]区间时，该指标的评分则在[0，S1]区间内。

利用上述指标体系构建孤岛微网综合评价调查表，对10家电力咨询公司的60位电力专家进行调研。通过专家打分法，得到各指标评分结果。

表2中给出了“经济性-单位发电成本”和“可再生能源利用率-风机利用率”的评分标准。

表2 指标评价评分标准Tab.2Evaluation standard of index evaluation

3 算例分析

3.1 项目背景

以珠海某孤岛的微网建设方案为例，选取循环充电、风光柴以及风光储3种控制策略方案作为AHP法中的方案层。

经过调研和对历史数据的整理，从当地的气象部门得到了光照情况和风资源的历史数据。分析表明，岛屿风资源条件比较突出，而太阳能资源水平一般。

在该微网系统中，配置500 kW的柴油机2台；30 kW风力发电机组6台；光伏设备为无追踪类型170 kW一组；480个容量为3.448 8 MC的单体铅酸电池，将其分成2组并联；容量为70 kW的双向变流器一台。

3.2 指标权重

利用AHP法获得指标因素层的权重，特征矩阵和权重值的计算如表3所示。

表3 指标因素权重计算Tab.3Weight calculation of index factors

利用专家打分法，确定准则层的权重。计算结果如表4所示。

表4 准则层权重计算Tab.4Weight calculation of rule hierarchy

3.3 指标评分

通过仿真分析，得到经济性、供电可靠性以及可再生能源利用率的多项指标因素的具体数据，依据上述的指标权重及评分标准对3种控制策略进行综合得分。

3种控制策略的运行区别在于：在循环充电控制策略下，在净负荷〉0时，首先考虑蓄电池放电，当达到电池放电限制极限时，剩余负荷由分布式能源补充；在风光柴控制策略下，必须开启一台柴油发电机，一旦不能满足供电负荷时，则继续开启；在风光储控制策略下，在净负荷〉0时，电池用于补偿所有或者部分净负荷，即电池放电。

1）循环充电

表5中为循环充电控制策略下，各项指标因素的评分及综合评分情况。

表5 循环充电策略下微网综合评价Tab.5Comprehensive evaluation of microgrid under the circulation charging strategy

由表5可以看出，在循环充电控制策略下的微网运行的综合评分较高，供电可靠性水平较高，经济性评价和可再生能源利用率相对较低。

2）风光柴

表6中为风光柴控制策略下，各项指标因素的评分及综合评分。

表6 风光柴策略下微网综合评价Tab.6Comprehensive evaluation of microgrid under the WT-PV-diesel strategy

由表6可以看出，在风光柴控制策略下的微网运行的综合评分较低。

3）风光储

表7为风光储策略下，各项指标因素的评分及综合评分情况。

由表7可以看出，在风光储策略下的微网运行的综合评分处于中等水平。

从上述3种不同控制策略下的孤网综合评价结果可以看出，由于在风光柴控制策略下没有储能，因此弃能量较高，同时主要利用柴发出力，因此污染物排放较高；风光储控制策略下，夜间光伏不能出力，因此，会存在一定量的缺电率，没有柴发出力，因此污染物排放很低；循环充电策略下，风光柴储均出力，因此单位发电成本偏高，但不存在缺电情况，风光的利用率也相对很高。

因此，在分布式电源的总容量一定的情况下，采用循环充电控制策略运行微网，效果较好，这与该岛的技术方案对比研究结果相符。

表7 风光储策略下微网综合评价Tab.7Comprehensive evaluation of microgrid under the WT-PV-bat strategy

4 结语

通过利用层次分析法，从经济性、供电可靠性和可再生能源利用率3个准则，综合考虑孤岛微网的运行，构建孤岛微网综合评价体系。结合实证分析，得到在某孤岛微网运行中，选取循环充电控制策略最优的结果，与技术方案研究分析结果相一致，这也验证了孤岛微网评价体系的正确性。

在后续研究中，需要通过大量的调研工作，对指标体系进一步探索，引入能够全面反映微网的技术性指标，以及从并网角度丰富指标因素，将评价范围扩展到整个微网系统，以建立完善、准确的微网综合评价体系。

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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

陈庆前（1964—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统分析，新能源发电技术。Email：chenqq@csg.cn

2012-12-20；

2013-01-31

余畅（1977—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定与控制，微电网运行与控制。Email：yuchang@csg.cn

章激扬（1974—），男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源发电技术，电动汽车。Email：zhangjy@csg.cn