微电网规划评价指标体系研究

卢志刚，周雷，杨丽君，钟嘉庆

(燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北秦皇岛066004)

微电网规划评价指标体系研究

卢志刚，周雷，杨丽君，钟嘉庆

(燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北秦皇岛066004)

为了更客观地评价不同结构微电网的优劣，构建了新形势下的微电网规划评价指标体系。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，其中，战略收益部分考虑了电网企业、独立投资商、微网内用户三种微网投资主体的利益需求指标;基础结构部分考虑了微网内微电源与储能装置的性能指标，两部分指标重点突出，互补性强。采用层次分析法与模糊综合评价法对三种方案进行综合评价，对结果进行了科学合理的分析，验证了所提指标体系的有效性。

微电网规划;综合评价;战略收益指标;基础结构指标

1 引言

微电网在节能降耗、减少污染、延缓输配电网建设投资、提高用户供电可靠性等方面都带来了良好的经济效益和社会效益［1，2］。近年来我国为适应经济发展、环境保护等要求，微电网规划建设的项目逐年增多。为了客观地反映各个项目的建设水平，同时也为今后的工程建设提供依据和参考，微电网规划评价工作意义重大。评价指标体系是评价工作的基础，目前迫切需要提出一套科学合理完整的微电网规划综合评价指标体系，来量化评估出不同规划方案的优劣，为投资建设者提供参考。

文献［3］提出一种微电网规划评价指标体系的构建方法，指标分为可靠性、经济性、市场运营、环保性四个方面，并将传统数学优化算法与多元决策理论相结合，对微电网项目进行分类和评估。该文献基于传统的配电网规划评价指标体系分类方法进行指标分类，即从能够体现规划方案性能的若干方面来评估微电网。但是在实际工程中，微电网投资建设者将会是多元化的参与主体，不同的参与主体有着不同的动机和自身的利益诉求，所以，指标体系除了要能够反映不同微电网结构的性能，还应反映出不同的参与主体所获得的利益。

为此，本文提出了一种新的微电网规划评价指标体系构建方法。该体系把不同参与主体的利益进行区分，并包含评价微电网性能的指标，所建立的指标体系层次清晰、结构完整。最后应用层次分析法与模糊综合评价法验证指标体系的准确性与实用性。

2 微电网规划评价指标体系

本着全面、客观、典型等评价指标构建原则［4］，提出把微电网规划评价指标体系分为两部分:微电网规划战略收益指标和微电网规划基础结构指标。其中，微电网是否值得投资与实施通过战略收益指标进行评估;微电网中微电源与储能装置的类型与容量选择是否合理，通过基础结构指标进行评估。微电网规划评价指标体系如图1所示。

2.1 微电网规划战略收益指标

《分布式发电管理办法》指出，具有建设微网资质的主体都可以投资建设微电网，可以是电网企业、独立投资公司或用户。因此，将战略收益指标分为三个子部分，分别评估不同的投资主体建设微网的收益。

2.1.1 电网企业收益指标

在电网发生故障或自然灾害时，电网可以利用微网中的富余电量继续供给重要负荷，弥补电力不足，提高可靠性［5］。另外，在负荷密集地区、供电偏远地区规划的微网可以有效缓解电力需求，降低线损率，进而延缓电网企业对于电网的建设投资，提升经济性［6］。因此，电网企业收益指标包括:

图1 微电网规划评价指标体系Fig.1Index system of microgrid planning evaluation

(1)电网可靠性的提升通过系统平均停电时间的变化ΔSAIDI来表示。

式中，ΔTi为微电网规划前后用户减少的年平均停运时间;Ni为负荷点i的用户数。

(2)电网经济性的提升通过延缓配电网建设的投资VTD与电网线损率ρSG表示。

式中，PMG为微网总装机容量;CEXPD为配网扩建单位容量需要的投资;u为配网容量对于微网的备用率。

2.1.2 独立投资商收益指标

独立投资商是以获取商业经济利益为目的规划建设微网，着重通过在项目寿命期内并网发电完成初始投资的回收并获得盈利。该指标包括:工程静

式中，Cequ为微网建筑工程费;Cfix为安装工程费;Ccon为设备购置费;Sgrid为微网向大电网输出的电量; Sload为微网内用户用电量。

2.1.3 微网用户收益指标

用户是微电网规划的直接受益者，一些特殊用户对供电可靠性和电能质量有更高的要求，如政府机构、军事设施、医院等。用户自建微电网主要是为满足可靠性与电能质量需求。该指标包括:可靠性提升量ΔSAIDI与电能质量提升量ΔKy。态总投资Ctol、年运行维护费用Comc、年上网电量Sy、单位发电量投资Cavg。

式中，ΔKy为规划水平年电能质量监测点合格率的提高量;m1为现状电网统计时间内电能质量不合格节点数;m2为规划水平年的相应不合格节点数;m0为总的节点数。

2.2 微电网规划基础结构指标

微电源与储能装置的选型、定容是微电网规划阶段面临的首要问题，目前规划方法多是利用智能优化算法来计算寻找最优配置［7］。虽然在计算过程中尽可能多地考虑了相关影响因素，但是很难把众多既相互关联又相互矛盾的因素完全考虑进目标函数和约束条件中，可能得出片面的最优结果。为此，需要构建包含相关影响因素的指标体系，以便全面直观地反映微网规划的基础结构性能。

2.2.1 微电源性能指标

微电源的设计应尽量提高发电机的使用效率，并尽可能地在负荷高峰时提高发电功率，负荷低谷时降低发电功率，提高能源使用率。同时，微电源应尽量选择可再生能源发电机，发挥微网环保优势。该指标包括:

(1)发电量与负荷均衡度δ指系统发电机实时输出功率与负荷之间的不平衡程度。

式中，PGi为i时刻发电机发电量;PLi为i时刻负荷;n为发电小时。

(2)发电机年有效利用小时数α用来评估发电机的使用效率。

式中，αj为第j个发电机的年利用小时数;m为微网中总发电机数。

(3)热负荷满足度θ指具备热电联产发电机的微网对于用户热能需求的满足程度。

式中，Lmheat为微网年供热量;Lcheat为用户年热能需求量。

(4)可再生能源装机比例H用来评估微网的环保性能。

式中，Hre为微网可再生能源装机容量;Hmg为微网总装机容量。

(5)温室气体减排量L指系统每年减少的CO2排放量。

式中，J为可再生能源发电量折算成标准煤的转换系数;Z为标准煤碳排放系数。

2.2.2 储能装置性能指标

微网储能装置有提供短时供电、改善电能质量、优化微电源运行等作用［8］。目前蓄电池是应用较广泛的储能装置，设计规划需要综合考虑其效率、寿命、安全等多方面因素。因此，为达到最优效果，有必要建立多个指标进行综合评估。该指标包括:

(1)相对使用年限与价格比β为储能使用年限与初始投资的比值，用来评估储能系统的经济性能。

式中，Y为储能使用年限;Csb为储能投资费用。

(2)储能放电深度Q与储能充电寿命有很深的关系，放电深度越深，寿命越短;放电深度越浅，寿命越长。电动汽车接入量Sev指利用电动汽车载蓄电池来代替储能的容量。

(3)可靠性指标包括储能安全性与一致性两个定性指标，采用专家打分的方法求取指标值。

3 评价流程

基于所提出的微电网规划评价指标体系具有多层次性且其中定量指标与定性指标相结合，本文采用层次分析法与模糊综合评价方法进行评价。具体步骤参见文献［9］。该方法不仅能保证模型的系统性和合理性，而且能让决策人员充分运用具有价值的经验和判断能力，为多规则决策问题提供强有力的决策支持。

4 算例分析

本文采用HOMER软件优化出多种微电网规划方案，用来验证所提出的指标体系的准确性。可再生能源互补发电优化建模(Hybrid Optimization Model for Electric Renewable，HOMER)为美国新能源实验室开发的用于设计和优化小型分布式发电系统的软件，它可以用来优化微电网中微电源和储能装置的配置［10］。

以某地区的并网型微电网工程为背景，该地区气象条件为年日照小时数3000h以上，年辐照总量5040MJ/m2，属于太阳能资源丰富区。年10m高度平均风速4.5m/s，年有效风能(3～25m/s)小时数5000h以上。本文选取的微电源类型为微型燃气轮机(MT)、光伏发电(PV)、风力发电(WT)，选用的储能装置类型为磷酸铁锂蓄电池(SB)。为了验证指标的有效性与实用性，本文选取三个不同类型的微电网规划方案，如表1所示。

表1 微电网规划方案Tab.1Planning scheme of microgrid

取光伏电池板13元/Wp，10kW风力发电机7.2万元/台，30kW微型燃气轮机50万元/台，磷酸铁锂蓄电池3000元/(kW·h)，电网备用率取30%，电网扩建成本2600元/kW，系统平均停电时间5.063h/年，用户平均停电时间指标6.564h/年，基准收益率6%，计算得到的综合评价结果如表2所示。

三个规划方案的总得分排序为方案一＞方案二＞方案三，对各级指标分数分析后得出以下结论:

(1)方案二的微电网规划战略收益指标评分最高，但是由于方案一的基础结构指标得分优势明显，使方案一的综合评分超过方案二。在战略收益指标得分相近的情况下，决策者可以参考基础结构指标来选取规划方案。

(2)与方案一、三相比，方案二在电网企业与独立投资商两项收益指标中评分最高，使其微电网战略收益指标评分最高。

表2 微电网规划方案综合评价结果Tab.2Comprehensive evaluation result of microgrid planning scheme

(3)方案一基础结构指标得分最高，加入MT后，方案一可以满足一定的热负荷需求，能源利用率高。在配置有足够储能容量的微网中，MT作为可控发电机，通过微网能量管理系统调度光伏发电、MT、储能的发电量，可以做到微网与大电网的零功率交换。MT排放的温室气体很少，也能达到很好的减排效果。

(4)锂离子蓄电池性价比突出，正在逐渐取代铅酸蓄电池大规模地应用到储能系统中。三种方案均采用锂离子蓄电池的储能系统，设计采用同样的电池监控系统、继电保护与安全自动装置，在储能一致性与安全性评价指标上，三种方案得分相同。方案一设计的蓄电池容量小，运行中放电深度较大，使蓄电池寿命短，但是其初始投资较小，相对年限价格比指标得分高。

(5)与具有多元混合发电机的规划方案一、二相比，方案三光储微电网的战略收益与基础结构指标得分均为最低。光储微电网中，光伏发电与储能容量配置需求大，这样才能弥补夜间负荷需求，目前太阳能电池板与蓄电池的经济性比较低，工程总投资大，资金回收期长。如果规划区域满足风力发电和MT安装要求，微电网配置多元混合发电机更具有经济优势。

为了进一步验证所提指标体系的有效性，本文重新设置不同投资商之间收益的权重比例，对三种投资商的战略收益得分和综合得分进行分析与比较，如表3所示。从表3中结果可知，当电网投资建设微网时，方案二的综合得分和战略收益得分均为最高，应优先选择方案二。当独立投资商与用户投资建设时，方案一的综合得分最高，应优先选择方案一。

表3 不同投资商背景下方案综合得分与战略收益得分Tab.3Comprehensive and strategic benefit score of scheme under background of different investors

5 结论

本文所提出的指标体系和方法通过算例验证后可得出以下结论:

(1)微电网规划评价应全面考虑战略收益与基础结构两部分指标，否则容易得出片面的结论。在进行方案决策时，决策者首先要优先考虑战略收益评价结果的可行性，如果微电网规划战略收益评价结果好，则在此基础上评估微电网基础结构指标。反之，则需要评估其他规划方案。

(2)即便是同一方案，以不同投资者的视角来看，其战略收益得分也不尽相同，所以微网规划评价指标体系有必要区分不同投资者，使评价结果能更贴近工程实际。

(3)在规划方案的战略收益得分相同或相近的情况下，可以通过比较基础结构指标得分，来选择综合性能最高的方案，这些充分证明所提指标体系的优越性。

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Index system of microgrid planning evaluation

LU Zhi-gang，ZHOU Lei，YANG Li-jun，ZHONG Jia-qing
(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)

In order to evaluate the various combinations of microgrid more objectively，the microgrid planning evaluation index system have been proposed under new situation.The index system is divided into the microgrid planning strategic benefit index and the microgrid planning fundamental construction index.The strategic benefit index considered demand and profit of three kinds of microgrid investor including grid corporation，independent power producer and consumer of microgrid.The infrastructure indicators using a combination of qualitative and quantitative indicators to analyze the performance of the microgrid.The two parts of the index system are well focused and strongly complementary.Using the combination method of analytic hierarchy process(AHP)and fuzzy comprehensive evaluation，through three microgrid planning projects by HOMER planning and design，results show that the proposed index system and method are effective and feasible.

microgrid planning;comprehensive evaluation;strategic benefit index;fundamental construction index

TM7

A

1003-3076(2014)09-0025-05

2013-01-11

河北省自然科学基金资助项目(F2010001319)

卢志刚(1963-)，男，河北籍，教授，博士，研究方向为电力系统经济运行分析与控制;周雷(1985-)，男，黑龙江籍，硕士研究生，研究方向为微电网规划评价。