含风光柴储的孤岛微电网运行性能综合评价方法研究*

洪林，杨俊华，曾君，徐冬冬

（1.广东工业大学 自动化学院，广州510006；2.华南理工大学 电力学院，广州510640）

0 引 言

微电网是指将一定区域内分散的小型发电单元（分布式电源）、储能装置以及当地负荷组织起来形成的配用电系统［1］重要作用。微电网既可以与大电网联网运行，也可以独立孤岛运行。在一些偏远地区如边防哨所、岛屿、高海拔山区等采用常规电网供电存在输电距离远、线损大、建设变电站费用昂贵等问题，而采用多种能源互补的微电网供电模式可以有效解决这些问题。微电网系统作为可再生分布式电源的有效组织形式，受到了广泛关注并得到了越来越多的应用。

近年来我国为适应经济发展、环境保护等要求，微电网建设的项目逐年增多。为了客观地反映各个微电网项目的运行水平，同时也为微电网的经济和高效运行提供依据和指导，微电网运行性能评价工作意义重大。目前，国内外学者围绕独立型微电网开展了一系列的研究，但在微电网评价方面的研究并不多。文献［2］提出了一种基于多属性决策理论的分布式电源规划方案综合评判方法，建立了分布式电源评价指标体系，有助于分布式电源规划方案的决策。文献［3］将微电网评价指标分为可靠性、经济性、市场运营和环保性4个方面，利用微分进化算法对构建的目标函数进行优化求解，得到多种微电网组合，再利用层次分析法对得到的微电网进行综合评价决策。文献［4］将评价指标体系分为微电网规划战略收益评价指标与微电网规划基础结构评价指标两部分，采用层次分析法与模糊综合评价法对微电网规划方案进行综合评价。

但以上评价方法主要是规划评价，即微电网还处在规划未实际运行阶段的方案评价，评价目的是在不同方案之间选出一个最合适的规划方案出来。实际上，全面准确地掌握微电网运行的状况，微网运行性能的综合评价对于微网稳定高效地运行具有重要意义。但目前，针对微电网运行性能评价的文献十分少见。本文以孤岛运行微电网为对象，提出了一种微电网系统运行性能评价方法。该方法从可靠性、优质性、经济性以及环保性四个方面，对某段时间微电网系统的运行性能进行评价，根据评价结果对微电网的各项性能指标进行分析，并作为指导优化下一阶段微电网各元件运行的依据。

1 微电网结构

本文研究的孤岛微电网包含风力发电机组、光伏阵列、柴油发电机等分布式电源，还有蓄电池组用于储能，其结构如图1所示［5］。

图1 孤岛微电网结构示意图Fig.1 Schematic diagram of standalone micro-grid structure

2 评价指标的构建

2.1 评价指标构建必要性和原则

为了全面准确地掌握微电网运行的状况，有必要建立一套行之有效的评价指标，对微电网的运行状况做出合理评价［6］。微电网运行性能评价指标的构建，将有效评估微电网各个环节的运行水平，通过评价结果，发现微电网运行中的优势环节和薄弱环节，为微电网的经济运行、降损节能、规划建设等提供有价值的建议，有针对性地制定微电网运行规划，促进微电网运行水平不断提高。

评价指标的选取，一方面要尽可能全面地反映微电网实际情况，不能遗漏任一重要的指标；另一方面也要考虑到数据采集难度、计算量等实际情况，真正做到既不重复也不遗漏［7］。因此，评价指标的选取需要满足如下原则：与评价目的的一致性、直接的可测性、可比性、相互独立性与整体的完备性等。

2.2 评价指标

基于以上原则，同时考虑到微电网自身特点，比如作为一个可定制的电源，可增强局部供电的可靠性，为用户提供更优质的电能质量，降低大电网的投资成本，同时利用可再生能源，减少环境污染等特性，因此，本文微电网运行性能评价工作从可靠性、优质性、经济性、环保性四个方面列出二级指标，各级评价指标如图2所示。

图2 微电网运行评价指标Fig.2 Micro-grid operation evaluation index

3 指标属性分析

3.1 可靠性指标

本文供电可靠性指标从负荷满足率PMTLR、电力不足功率PLOLE、容量备用率FTRCR三个方面来考虑。

（1）负荷满足率

负荷满足率表示微电网系统供电对负荷需求的满足程度，其表达式如下：

式中 PTotal（t）表示系统总的发电功率；PLoad（t）表示负荷的需求功率。

（2）电力不足功率

微电网系统的电力不足功率为系统负荷需求功率与系统总发电功率之间的差值，其表达式为：

（3）容量备用率

微电网容量备用率为系统备用容量除以系统最大负荷需求，表达式如下：

PDE（t）、PBat（t）分别为第 t小时柴油发电机和蓄电池的出力功率；PMax-Load为负荷的最大需求功率；PT-con表示系统总的可调度装机容量，是柴油发电机与储能蓄电池总的装机容量之和。

3.2 优质性指标

微电网优质性主要指的是微电网的电能质量符合相关要求。本文采用影响微电网电能质量中最重要的六个指标：电压偏差、电压波动、电压闪变、谐波、三相不平衡度、频率偏差来作为评价指标，根据GB／T 19939-2005《分布式电源接入电网技术规定》标准对微电网电能质量各分项指标做出的详细规定，得到微电网电能质量指标国家标准限值，运用最优隶属度法来进行微电网电能质量评价［8］。

3.3 经济性指标

经济性评价有助于科学化决策微电网内各分布式电源的组合运行方式，提高微电网运行经济效益。本文经济性指标包括运行维护费用CiOM、燃料费用Cfu和环境费用Cenvi，微电网系统的运行成本Cinput表达如下：

式中i表示不同的电源类型，这里是风力发电机、光伏阵列、柴油发电机和蓄电池，因此N＝4。

（1）运行维护费用

式中Ki表示第i类设备的维护成本系数；Pi表示第i类设备的输出功率，对蓄电池只考虑放电功率，不考虑充电功率；

（2）燃料费用

式中PDE表示柴油发电机输出功率；PDE-rated表示柴油发电机额定输出功率；C1和C2表示相关系数。

（3）环境费用

环境费用由两个部分构成：（1）消耗环境资源所带来的环境损失；（2）污染物排放的罚款［9-11］。公式如下：

式中Vi是第i种污染物的环境价值；Vpi是第i种污染物的排污罚款；Qi是第i种污染物的排放量；n是污染物的种类，文中取4种主要污染物。

微电网电能的单位发电成本表达如下：

式中Cinput为系统总的发电运行成本；PTotal为系统总的发电量。

3.4 环保性指标

环保效益是微电网区别于传统电网的重要特点，本文将可再生能源出力比例和相对环境成本作为环保性指标。

（1）可再生能源出力比例

式中 PWT（t）、PPV（t）为风力发电机和光伏阵列的发电功率；PTotal（t）为系统总的发电功率。该比例α值越高，则表明微电网对于节约不可再生能源、推广可再生能源的贡献越大。

（2）相对环境成本

为衡量微电网相比传统大电网发电方式TPG的环境改善程度，将微网系统中的分布式电源与相同发电功率的TPG两者消耗环境成本之比即相对环境成本作为环境效益的评价指标［12］。即：

式中EDE为微电网中柴油机DE发电的单位环境成本；ETPG为大电网发电的单位环境成本；PDE为柴油机的发电功率；PTPG为TPG的发电功率。相对环境成本EB越小，则环境改善程度越大，微网系统的环境效益也越大。

4 微电网运行性能综合评价方法

本文采用模糊评价方法对微电网运行性能进行评价，基于模糊评价方法对微电网运行性能进行综合评价的关键在于：（1）确定隶属函数，对每个指标进行模糊识别；（2）确定各单项指标的权重，采用合适的加权方法进行综合评判。本文针对微电网特点，改进了传统的模糊评价方法，提出基于最优隶属度的微电网运行性能综合评价方法。

4.1 隶属函数的确定

本文摒弃了传统的对指标进行分级，确定指标属于不同等级隶属度的方法，提出最优隶属度法，计算分项指标的最优隶属度，按照来定量给出评价结果，其中1为最优，0为最差，0.5为合格的阈值［13］。典型的F分布（模糊分布）有抛物型分布、正态分布、柯西分布和岭形分布等。本文采用柯西分布建立各指标的隶属度函数，柯西分布如下式所示。

式中λi为第i项指标的最优隶属度；Xi为第i项指标与最优指标偏差量的绝对值；αi和βi为第i项指标对应的柯西分布的常数。取一个指标值为基准值，相应的最优隶属度等于0.5，最优指标值对应的最优隶属度等于1，从而确定αi和βi常数，其余指标值的最优隶属度依据上述柯西分布公式得到。

4.2 指标权重设定

前文分析了影响微电网运行性能评价各个方面的因素，建立了较为完善的评价指标。但评价指标仅仅从结构上反映了各项评价内容之间的隶属关系、层次关系，未能体现出指标之间重要性程度的差异。因此，需要对评价指标中的各项指标重要性进行分析，合理设置指标权重。

层次分析法（AHP）是将同一个层次元素进行两两比较重要性程度，计算出相对权重的方法。G1法是对AHP法进行改进的一种方法，与AHP法相比具有以下特点：（1）计算量比AHP法大幅减小，提高了计算速度；（2）无需构造判断矩阵，不需一致性检验［14］。

G1法步骤：（1）选出同层次中最重要的一个指标；（2）从余下指标中再选出最重要的一个指标；（3）依次类推。（4）确定相邻指标之间的相对重要程度rk。rk的取值参考表1如下：

按照前文分析，对微电网运行性能的4个一级指标重要性进行排序：可靠性＞优质性＞经济性＞环保性，取相对性重要程度依次为 1.2，1.4，1.4；可靠性指标中：负荷满足率＝容量备用率＞电力不足功率，取相对性重要程度依次为1，1.2；优质性评价中，频率偏差＞谐波＞电压波动＞电压闪变＞电压偏差＞三相不平衡，取相对性重要程度依次为1.2，1.2，1，1.2，1.8；环保性指标中：可再生能源出力比例 ＞相对环境成本，取相对性重要程度为1.4。由于经济性三项二级指标同量纲同单位，故将单位发电成本作为经济性评价指标，经济性中无需计算各二级指标权重。对以上指标权重进行归一化，得到各级指标权重如表2所示。

表1 指标权重比例形成原则Tab.1 Index weight proportion forming principle

表2 各级指标权重Tab.2 All levels of indexes weights

4.3 微电网运行性能综合评价步骤

本文采用基于最优隶属度的模糊综合评价方法对微电网运行性能进行综合评价，其步骤如下：

（1）构建微电网运行性能评价指标，对运行初始数据进行分析和处理；

（2）分析确定各指标的基准值和最优值，利用隶属度函数确定各指标最优隶属度；

（3）对各级评价指标进行重要性分析并排序，确定相邻指标之间的相对重要程度，归一化后得到各级指标权重；

（4）将各指标最优隶属度与相应指标权重相乘得到运行性能评价结果，并对评价结果进行分析。

5 算例分析

以某海岛独立微电网为例进行分析，该微网一天内运行数据如表3所示，表格中统计了各小时风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、蓄电池的出力及剩余电量、和总负荷需求功率情况。各小时电能质量监测点相关信息如电压偏差、电压波动、电压闪变、谐波、三相不平衡、频率偏差等指标数据如表4所示，本文选取的电能质量各指标国家标准限值如表5所示。

表3 微电网一天各小时运行数据Tab.3 Operating data ofmicro-grid each hour in the day

表4 微电网一天各小时电能质量指标数据Tab.4 Power quality index data of micro-grid each hour in the day

表5 电能质量指标国标限值Tab.5 National standard limit of power quality index

因此可确定各指标的基准阈值矩阵［7%，2%，0.4%，5%，2%，1%］，通过试凑法得出隶属度函数对应的 α矩阵为［0.059 5，0.036 60，3.775 8，0.096 9，0.360 0，1.000］和 β矩阵为［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中电能质量各项指标的隶属度。

根据微电网运行性能各指标属性分析和电能质量各指标的权重，算出微电网运行性能各二级指标的数值，如表6所示。

同理，求得可靠性、经济性和环保性各二级指标中α和β的数值后得到完整的柯西分布公式，进而获得各二级指标的隶属度，隶属度再与各指标权重相乘即可得到一天内各小时的微电网运行性能评价结果，评价结果如表7所示。

表6 微电网一天各小时各指标数值Tab.6 All index data ofmicro-grid each hour in the day

从表7可以看出，

评价得分是一个［0，1］之间量化的值，评价结果简单直观，不仅有综合评价得分，还有各一级指标和二级指标得分，有利于对评价结果进行全面客观分析。微电网一天内除最后一小时外，其余时间运行性能综合评价结果值都大于0.5，由于0.5是合格的基准值，说明微电网大部分时间运行情况良好。

（1）综合评价结果得分较高的第 13、14、15、17、19小时等时段，运行性能较好。这些时段可再生能源出力比例较高，都达到了0.4以上，同时负荷满足率也高，说明风力发电和光伏发电为负荷提供了很大一部分能量，导致系统发电比较经济环保，系统经济性可靠性环保性等指标得分均较高，从而导致最终综合评价得分较高；

（2）从第4小时到第12小时，综合得分比较中等。由于这段时间内受无太阳光的影响，可再生能源出力比例不高，而负荷满足率较高，说明柴油发电机供给了负荷大部分能量，从而消耗燃油产生污染，使得发电经济性和环保性相对较差，导致综合得分较中等；

（3）第24小时综合得分为0.45，评价不合格，此时可再生能源出力比例为0，系统全部能量由柴油机和蓄电池提供，经济性可靠性环保性等都很差，从而导致评价不合格。

表7 微电网一天内各小时运行性能综合评价得分Tab.7 Operating performance comprehensive evaluation score ofmicro-grid each hour in the day

6 结束语

本文针对微电网运行性能的评价问题，从可靠性、优质性、经济性、环保性四个方面建立运行性能评价指标体系，采用基于最优隶属度的模糊评价方法对微电网运行性能进行综合评价，评价结果可作为指导微电网优化运行的依据。并以一个实际微电网工程为例，验证了该评价方法的科学性和有效性。该方法理论清晰，易于操作，是一种非常有效的评价方式。