微电网规划方案的评价指标计算和空间距离评价方法

2021-05-21张红斌宋子洋贾清泉汪湘晋

燕山大学学报 2021年3期

金强，张红斌，宋子洋，贾清泉,*，汪湘晋

(1. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；2. 燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004； 3. 国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

微电网是由分布式电源、储能、负荷以及监控保护装置等组成的小型发供电系统。微电网在可再生能源利用、节能减排、提高供电可靠性等很多方面具有良好的性能优势[1-2]。近年来微电网技术已经从实验室转向工程应用[3]，技术理论成果丰富[4-7]。微电网规划方案的合理性对微电网建设运营的成效至关重要，是决定微电网能否发挥经济、社会和环境效益的关键环节[8]。微电网规划方案在制定过程中通常难以同时兼顾多种性能，需要在方案形成后进行技术经济综合评价[9]，保证各项性能指标的合理性，并权衡不同方案的性能优劣。因此开展微电网技术经济综合评价研究具有重要意义。

微电网技术经济评价主要涉及评价指标的确定和综合评价方法的构建。目前微电网评价方法主要采取各指标加权的方式，权重可采取主观法、客观法或主客观结合的方法。文献[10]考虑供电可靠性、适应性及其他技术经济指标，建立了交、直流微电网综合评估指标并采用改进层次分析法进行加权综合评价。文献[11]从可靠性、优质性、经济性及环保性4个方面采用模糊综合评价方法对孤岛微电网进行评价。文献[12]针对园区微电网组成及特点，考虑经济性、可靠性和能耗、环保等方面，基于主客观结合的层次分析法-改进熵权法确定指标权重，建立VIKOR多准则方法对方案进行排序。文献[13]提出交直流混合微电网的网络坚强度评价指标。文献[14]应用VIKOR法对备选方案综合排序和选优。文献[15]采用环比法确定指标权重，利用秩和比评价方法进行综合评价。上述文献中，主观权重方法依靠人的主观经验确定评价权重，主观性强；客观评价法则通过对比待选方案的方式进行评价，评价体系受评价对象影响，不能独立存在。另一类文献在优化配置中考虑多指标需求[9,16-17]。文献[9]通过多目标优化配置得到Pareto解集，再采用模糊隶属函数表示满意度并找到最优解，其本质上仍是对备选方案进行评价。文献[16-17]等则在优化配置模型中除考虑物理约束外，加入了一定的指标性约束，但受指标可表示性和优化模型的限制，方法只能从某个侧面反映部分评价指标，难以将全部性能指标列入优化模型。为规范微电网工程项目评价工作，中国电力企业联合会制定了《微电网规划设计评价导则》(T/CEC 106—2016)[18]，对微电网规划设计的评价范围、评价指标从宏观上做了规定，但对于指标含义及计算方法仍缺乏可操作性。

通过上述分析可以看出，相关文献主要研究微电网规划的评价方法，少有关注评价指标的获取问题。微电网规划方案与性能指标之间的关系是复杂间接的，如何有效获取性能指标是开展评价的前提。而且，评价过程受待评方案集的影响，是对方案集中各方案进行相互比选、相对排序，导致评价尺度不统一，较优方案集与较劣方案集的评价结果无法区分。工程实际中更需要关注每个规划方案的绝对水平。

本文分析探讨了微电网评价指标的特征属性并给出可操作的指标计算式；依据天气数据生成风、光发电的时序模型，建立了应用时序生产模拟手段计算间接指标的策略。构建了评价指标的多维空间表示，提出一种基于指标空间距离的微电网性能评价方法并论述了其作用和优势。算例分析验证了本文方法的有效性。

1 微电网规划方案的评价指标

1.1 评价指标的类型分析

根据文献[18]，微电网规划设计方案优选性评价指标包括组成架构评价、技术性评价和效益评价等三类，每类指标又包含多个具体指标。根据微电网评价指标的含义，某些指标越大越有利，如能源综合利用率；某些指标则越小越有利，如交换功率峰谷差率。因而评价指标依据属性的不同可分为收益性指标和成本性指标两类。另外，文献[18]给出的微电网评价指标，部分指标可根据微电网规划设计参数按指标定义直接求出，本文称为直接指标；有些指标则需根据微电网运行统计特性间接获得，这类指标称为间接指标。直接指标计算比较简单，本文不再赘述。对于间接指标，本文结合文献[18]和微电网特点做了进一步明确和改进，并建立基于功率的指标计算式，使之更具可操作性。本文列出的微电网间接指标见表1，这些指标分别适用于并网型或独立型微电网，在评价中应合理选择。

表1 微电网间接评价指标及其属性Tab.1 The list of indirect index for microgrid evaluation

1.2 间接评价指标及其含义

1) 分布式电源自用率

适用于并网型微电网，表示为年消纳分布式电源的电量与分布式电源发电量的比值，

(1)

式中，Po(t)为t时刻微电网通过并网点向外网反送功率；Pg(t)为t时刻微电网中分布式电源总发电功率；Δt为时段时长，对于小时级时长Δt=1。

2) 微电网持续供电能力

适用于并网型微电网。衡量微电网在任何时刻一旦进入孤岛状态，能够为重要负荷供电的平均持续时间。设t时刻发生孤岛，则孤岛后微电网能够为重要负荷持续供电的时间T(t)应满足

(2)

式中，Wes(t)为储能系统在t时刻的储电量；PL(t)为微电网负荷用电功率；ηc为重要负荷的占比。

求出每个时段发生孤岛的持续供电时间T(t)，对一年内各段T(t)取平均，得到平均持续供电时间(h)

(3)

3) 用户供电可靠性

用来表征独立型微电网因电源供电能力不足引起的供电可靠性。并网型微电网由于有主网作供电保障，不需考虑供电不足问题。

(4)

式中，PL,r(t)为微电网停电负荷功率。

4) 可再生能源弃电率

独立型微电网弃风弃光的发电量与理论发电量之比。并网型微电网多余风光电量可由主网消纳，一般不存在弃风弃光，不需考虑该指标。

(5)

式中，Pwt(t)和Ppv(t)分别为风机和光伏理论发电功率；Pwt,r(t)和Ppv,r(t)为弃风、弃光功率。

5) 储能年等效全放电次数

用来评价微电网储能容量的利用水平，

(6)

式中，Pes,d为t时刻储能放电功率，充电状态该值为0；Wes,n为储能系统的额定储存容量。该指标对并网型和独立型微电网均适用。

6) 交换功率峰谷差率

指并网型微电网与主网交换功率的年最大峰谷差与微电网最大用电负荷之比，

(7)

式中，Po,m为微电网向外网倒送最大功率；Pi,m为微电网从外网吸收的最大功率，PL,m为微电网最大负荷量。

7) 电量自平衡度

微电网内分布式电源的年发电量与微电网内部负荷的年用电量之比，如(8)式。该指标用来考核并网型微电网内部源荷配置的平衡性。独立微电网负荷用电量全部由分布式电源提供，不需考核该指标。

(8)

8) 年化石能源替代比

微电网可再生能源年发电量折合燃煤量与微电网建设投资规模之比，单位为吨/万元。

(9)

式中，PSC为每度电的标准煤耗，CI为微电网项目建设投资成本，Wa为风、光实发电量，

该指标对独立型和并网型微电网均适用。

2 微电网间接评价指标的时序生产模拟计算方法

上述间接指标需要统计微电网全年运行数据才能得出具体数值，但在规划设计阶段无法获得真实运行数据。随机生产模拟是通过模拟电网实际运行行为来间接获得运行数据的一种有效手段[19-20]，因而微电网规划的指标数据可采用随机生产模拟方式获得，本节建立基于时序生产模拟的微电网间接指标计算方法。

2.1 天气数据驱动的风光时序模型

本文研究微电网规划方案评价，是工程建设前的评价。微电网不同规划方案对间接指标的影响存在复杂关系，不能建立表达式直接表示。本文提出采用时序生产模拟手段确定微电网间接评级指标，首先需要建立合理的模拟运行场景。微电网运行场景涉及各时段风光发电功率水平，具有很强的随机不确定性，加上地域差异，出力难以预测。考虑风光发电仅受天气因素影响，历史天气数据可真实获得；而且虽然每天的天气随机性很强，但从年的尺度上反映天气因素是具有统计有效性的。故本文采取典型年天气数据生成风光出力数据的策略，避免了风光预测数据的不准确性，且可操作性强。

变速恒频风机功率与风速的关系可表示为

式中，Pwt,n为单台风机额定功率；ν(t)为风速；νc为切入风速；νf为切出风速；νr为额定风速。

光伏输出功率与太阳辐射照度、环境温度有关，

(11)

式中，Ppv,r为单块光伏安装容量；Mpv为光伏块数，Gst=1 000 W/m2，为标准条件太阳辐射照度；Kst=25 ℃为标准条件光伏电池板温度；k为功率温度系数；Gs(t)为t时刻太阳实际辐射照度；Kc(t)为t时刻光伏板温度。光伏板温度可通过环境温度估算，即

，

(12)

式中，Ko(t)为t时刻环境温度。

选取历史典型年进行分析，以小时为单位建立变量的年时序模型，从气象数据库中获取典型年小时级气温Ko(t)、风速ν(t)和光照Gs(t)，代入式 (10)、(11)并根据规划配置容量可得到风机的年出力时序Pwt(t)和光伏年出力序列Ppv(t)。

负荷的时序模型PL(t)可根据微电网负荷特性参数按典型负荷曲线生成，工程中容易实现。

2.2 微电网的运行行为建模

2.2.1 独立型微电网的运行模型

独立型微电网不与大电网连接，处于完全独立状态，因而不存在与主网的能量交互，发、储、用电完全在微电网内部实时平衡[21]。

独立型微电网的基本运行过程体现为，当微电网分布式电源发电功率大于负荷用电功率且储能荷电状态(State of Charge, SOC)未达上限时，则储能充电；当发电功率大于用电功率且储能SOC已达上限，考虑到风电运行成本大于光伏，则优先弃风再弃光；当发电功率小于用电功率且储能SOC未达下限时，则储能放电；当发电功率小于用电功率且储能SOC已达下限时，则实施削减负荷。运行过程中需要考虑储能充放电的功率约束，超出储能充放电功率约束的差额功率仍需通过弃风弃光或削减负荷来平衡。同时，若微电网中含有燃气轮机等可控分布式电源，为降低燃料消耗和保障供电，功率平衡优先利用储能调节，其次启用可控分布式电源调节，最后通过削减负荷调节。另需说明，由于本文微电网模拟运行是为了规划评价，因而可不考虑电网约束及网损。

设ΔP(t)为独立型微电网功率差额，SOCmax、SOCmin分别为储能最大和最小荷电状态，Pc,n为可控分布式电源的额定功率，Pc(t)为可控分布式电源的实时发电功率，Pes,n为储能系统的额定功率，Pes,d(t)为储能系统的放电功率，Pes,c(t)为储能系统的充电功率，PL,r(t)为负荷削减功率，Pwt,r(t)为弃风功率，Ppv,r(t)为弃光功率，则独立型微电网的运行模型如图1所示。

2.2.2 并网型微电网的运行模型

并网型微电网与大电网相连，除自我运行、自我管控外，还与主网有能量交互。因而并网型微电网的运行过程涉及内部发用电环节的供、需、储状态以及微电网与主网的能量交易，具体运行模型与微电网运营模式有关。相关工作已有专门研究[6,21-22]，限于篇幅，本文不做深入讨论。

2.3 间接指标分析的时序生产模拟流程

在建立微电网风、光、荷时序模型的基础上，根据微电网运行行为模型就可以进行时序生产模拟并计算微电网性能指标，具体步骤为：

1) 读取微电网规划方案基础数据，包括源、储、荷参数及微网类型、属性等；

2) 选取典型年，获取天气数据并构建风、光的年时序模型；根据微网用户特征构建负荷的年时序模型；

3) 设时段初值t=1，储能初值SOC=50%；电价等交易参数合理给定初值；间接指标各变量初值设为0；

4) 读取t时段风光荷时序数据，代入微电网运行模型；

5) 根据微电网运行模型得到的相应时段的功率值，按1.2节计算相关指标的增量，并累加到指标变量中；计算储能SOC；

6) 若并网型微电网在该时段进入孤岛状态，则按式(2)计算微电网持续供电时间并累加；

7) 令t=t+1，返回步骤4)，直到t=8 760；

8) 最终得出典型年各指标的统计计算值。

3 微电网规划的指标空间评价方法

3.1 指标的状态空间表示

微电网每一种规划方案可对应得出一组评价指标值，该组指标值等价于刻画微电网内在属性的一种宏观状态。一系列规划方案可对应于微电网在内、外部结构或参数变化下产生的一族状态。因此可以构建规划方案的指标空间表征，每一种评价指标构成指标空间的一个维度，每个规划方案可表征为指标空间的一个点。

为衡量微电网规划性能，首先需对规划方案设定一组指标容许值理想值。指标容许值表示一个规划指标只有优于该容许水平才有建设价值。指标理想值是规划指标可以达到的理想状态值。指标容许值和理想值可根据工程经验和专家论证结合机理分析来形成。设指标个数为n，X=(x1,x2,…,xn)为指标值，A=(a1,a2,…,an)为指标容许值，P=(p1,p2,…,pn)为指标理想值，将各指标以容许值和理想值为尺度进行一致化处理，将具有不同物理属性的指标量变换为指标状态量。收益性指标为

(13)

成本性指标为

(14)

从而可建立指标空间S=(s1,s2,…,sn)，指标容许值对应空间的坐标原点。显然，只有si>0的规划方案才是可行方案，该空间称为可行空间。

图1 独立型微电网时序生产模拟运行模型Fig.1 Time sequence simulated production operation modeling of stand-alone microgrid

3.2 基于指标空间的微电网性能评价

根据建立的指标空间，在可行空间中指标状态值越大，则距离原点越远，方案的综合性能越优。同时，在距离相等的条件下各项指标状态越均衡则方案越好。本文依据这种特性建立微电网性能评价方法。

由3个指标组成的指标空间如图2所示。在可行空间建立一条经原点且与各轴夹角相等(三维空间时夹角为54.73°)的射线l，则位于射线上的点其指标均衡性最好。对于n维指标空间，设可行空间任一点S，S点在射线l上的投影为S′，取S′到坐标原点的欧式距离作为评价微电网性能的判据，表达式如(15)式所示。若S的坐标为(s1,s2,…,sn)，S′的坐标为(s′,s′,…,s′)，则根据余弦定理可得出s′的计算如(16)式所示。

图2 指标状态空间Fig.2 Index state space

(15)

(16)

可见，基于指标空间的评价方法能够直接给出规划方案的绝对水平，不受其他方案的影响。当改变某一规划参数时，通过多次生产模拟可以得到指标随参数变化的轨迹，从而反映出规划参数与方案性能的关系。根据方案或参数变化过程的综合指标状态轨迹可以看出轨迹变化趋势和最佳综合指标的位置，从而找到最佳指标对应的规划参数。另外，对可行空间划分成不同的区域，可以表征规划方案的性能等级。本文沿l方向对可行空间等间隔划分为4个区域，见图2中I、II、III、IV，分别代表优、良、中、合格4个等级，则根据规划方案所在区域就可以确定其性能等级。

4 算例分析

以一个某海岛独立型微电网为案例进行规划方案评价。该微电网最高负荷为900 kW，最低负荷为400 kW。根据规划方案，该系统配置有1台750 kW风力发电机，1组300 kW光伏阵列，2台100 kW柴油发电机，1组2 000 kW·h电池储能。微电网工程投资相关数据如表2，生产模拟和指标计算相关参数如表3。

表2 算例微电网工程建设投资Tab.2 Project investment of studied microgrid

表3 算例微电网运行参数Tab.3 Operation parameters of the studied microgrid

开发了工具软件从气象网站读取某地区2018年全年每天24个时段的气温、风速、阴晴数据。由于光照数据未提供，故依据相关算法[23]推算出光照强度。选取某天部分时段的天气数据如表4。根据以上规划和运行参数对该独立微电网按2.3的步骤进行全年共8 760时段的时序生产模拟，微电网运行过程依据图1模型。用MATLAB对全年进行时序模拟，得出相应功率累计值并根据独立微电网有关的间接性能指标定义求出相关指标值如表5。设置的指标容许值和理想值也列于表5中。根据式(15)求得该方案下微电网综合性能指标为1.38。

储能是微电网配置的关键设备，为了对比不同规划方案的评价效果，在该方案的基础上改变储能配置容量，重新进行时序生产模拟，得到多个方案的综合评价结果列于表6。从表6可以看出，储能容量为1 600 kW·h时综合性能指标最优。这是由于若储能配置过大，虽然对微电网可靠性有利，但整体技术性能不高。