混合型孤立微网全寿命周期经济性评估

刘忠义，李庚银

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206)

混合型孤立微网全寿命周期经济性评估

刘忠义，李庚银

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206)

混合型孤立微网具有节能环保、供电可靠性高等优点。针对包含风力发电机、光伏电池板、储能电池和柴油发电机的混合型孤立微网，结合全寿命周期理论，建立系统从投资建设、运行维护到回收利用全寿命周期内的经济性评估模型。提出了用于衡量混合型孤立微网全寿命周期经济性的评估指标。通过算例分析，研究了混合型孤立微网采用不同调度策略时的全寿命周期经济性情况，对比了混合型孤立微网与传统孤立供电系统全寿命周期经济性的差异。研究结果体现出混合型孤立微网在节能与经济性方面的优势，同时验证了所提全寿命周期经济性评估模型的可行性与有效性。

混合型孤立微网；全寿命周期；经济性评估

0　引　言

我国海岸线漫长，有许多位置偏远的人居海岛，岛上居民的生产生活用电主要由小容量的柴油发电机提供。随着可再生能源发电技术和微网技术的不断发展，解决海岛等偏远地区的供电问题已经成为可能。微网可以脱离主电网孤立运行，允许接入可再生能源和储能装置[1-4]，适合应用到偏远地区的供电方案中。然而，微网中可再生能源和储能设备的投资费用高昂，系统接入的用电负荷总量较小，微网运行的经济性成为了工程学术界关注的焦点问题[5-6]。

目前，微网技术仍处于发展阶段，还没有形成针对微网成本和收益等经济性指标进行评估的成熟方法。现有的电力系统经济性评估方法只注重阶段性的指标，缺少对系统整个运行周期内经济效益的考量，所得分析结果局限性大、准确性低，不能有效反映系统实际的经济状态[7-8]。为此，使用全寿命周期理论分析微网经济性的做法受到了越来越多的关注。文献[9-10]对包含光伏的微网系统进行全寿命周期成本分析，衡量光伏发电的经济效益。文献[11]研究含有储能装置的微网系统，着重分析储能装置的接入对系统全寿命周期成本的影响情况。现有研究虽然取得了一定成果，但是在研究中考虑的微网设备类型仍然偏少，很少涉及包含多种可再生能源、储能装置和传统发电设备的混合型孤立微网，而且经济性分析的指标仅针对微网的成本花费，缺少对系统收益的全寿命周期评估。

本文针对使用风机、光伏和传统柴油发电机供电并接有储能装置的混合型孤立微网，根据全寿命周期理论，建立系统的经济性评估模型，提出混合型孤立微网全寿命周期经济性的评估指标。并根据实际工程数据，建立混合型孤立微网算例，分析系统采用不同调度策略时的全寿命周期经济性情况，对比混合型孤立微网与仅使用柴油发电机供电的传统孤立供电系统之间的经济性差异，验证所提经济性评估模型的有效性。

1　风光柴储混合型孤立微网系统

本文研究的风光柴储混合型孤立微网的示意图如图1所示。

图1　混合型孤立微网系统

混合型孤立微网独立运行，不与外电网进行电能交换。系统内的负荷由可再生能源、传统电源和储能电池联合协调供电[12]。混合型孤立微网中包含交流和直流两条母线，母线之间通过变流器相连，用以实现系统内电功率的交互和转移。风力发电机和光伏电池板作为可再生能源接入微网。柴油发电机作为传统电源接入微网，用以补充可再生能源发电量的缺额。储能电池作为蓄能装置，根据系统运行情况进行充放电。可调节负荷则是指为保持系统供需平衡而人为控制投入的负荷，一般由电阻丝或电阻箱构成。当可再生能源发出的电能超出负荷需求以及储能电池储存能力时，投入可调节负荷，消耗可再生能源产生的多余电能。

2　混合型孤立微网全寿命周期经济性评估模型

2.1混合型孤立微网年花费计算模型

混合型孤立微网全寿命周期经济性评估模型的建立以全寿命周期理论为基础，针对混合型孤立微网的具体特点，考虑系统在制造建设、运行维护到回收利用全寿命周期内的经济状态，并计及资金的时间价值。

首先，介绍混合型孤立微网年花费的计算模型。

系统在第n年的支出C(n)由式(1)计算，其中包括由于建设投资而支付的还贷费用Crp(n)、柴油发电机运行产生的燃油费用Cf(n)、系统的运行维护费用Cm(n)和设备的替换费用Cr(n)。

C(n)=Crp(n)+Cf(n)+Cm(n)+Cr(n)

(1)

2.1.1计算年还贷费用

系统在第n年的还贷金额Crp(n)由式(2)计算。

Crp(n)=Crpa|1≤n≤Tl

(2)

式中：Crpa是还贷年金；Tl是贷款年限。Crpa由式(3)计算。

(3)

式中：u表示利率；Cloan由式(4)计算，表示系统的投资贷款金额。

Cloan=Cs(1-fdp)

(4)

式中：Cs表示系统建设的初始投资费用；fdp表示投资首付款占初始投资费用的比率。

Cs的计算公式如下：

Cs=Ce+Ci+Cmt+Cg+Co

(5)

式中：Ce表示设备采购费用；Ci表示设备安装费用；Cmt表示运输花费；Cg表示电网建设费用；Co表示混合型孤立微网中其他设备(包括变压器、开关装置、熔断器、控制设备等)的投资费用。

考虑混合型孤立微网中主要含有的设备类型，Ce由式(6)计算。设备采购费用体现出各主要设备在生产制造阶段的总成本。

(6)

式中：Nw是微网中接入的风力发电机数目；Cwj、Cpv分别是第j台风机和光伏的采购费用；Nd是微网中含有的柴油发电机数目；Cdj、Cbat、Cc、Cdump分别是第j台柴油发电机、储能电池、变流器和可调节负荷的采购费用。Cwj和Cpv的具体计算公式如下：

Cwj=Cwgj+Cwtj

(7)

式中：Cwgj、Cwtj分别是第j台风机的发电机组和塔筒的采购费用。

Cpv=Cpvp+Cpvr+Cmppt

(8)

式中：Cpvp、Cpvr、Cmppt分别是光伏电池板、光伏支架和最大功率追踪器的采购费用。

设备安装费用Ci的计算公式如下：

(9)

式中：Ciwj、Cipv、Cidj、Cibat、Cic、Cidump分别是第j台风机、光伏系统、第j台柴油发电机、储能电池、变流器和可调节负荷的安装费用。

2.1.2计算年燃油费用

系统在第n年支出的燃油费用Cf(n)由式(10)计算：

Cf(n)=8 760Lfa(n)Cfp(1+f)n

(10)

式中：Lfa(n)是微网第n年平均每小时消耗的燃油量；Cfp是单位燃油价格；f是燃油费用年增长率。

2.1.3计算年运行维护费用

混合型孤立微网在第n年的运行维护费用Cm(n)由式(11)计算：

Cm(n)=(8 760Pwa(n)Cmw+hd(n)Cmd+CbatCmbat+

8 760Ppva(n)Cmpv+Cmsys+Cadmin)(1+g)n

(11)

式中：Pwa(n)、Ppva(n)分别表示微网中的风机和光伏在第n年平均每小时的发电功率；Cmw、Cmpv分别是风机和光伏发出单位电能的运行维护费用；hd(n)是柴油发电机在第n年的总运行时间；Cmd是柴油发电机平均每小时的运行维护费用；Cmbat是储能电池每年的运行维护费用占其采购费用的百分比；Cmsys是微网中其他设备的运行维护费用；Cadmin是微网每年的管理费用；g是总通胀率。

2.1.4计算年替换费用

系统在第n年替换设备所需的费用Cr(n)由式(12)计算：

(12)

式中：Crwj(n)、Crpv(n)、Crdj(n)、Crbat(n)、Crc(n)、Crdump(n)分别是第j台风机、光伏、第j台柴油发电机、储能电池、变流器和可调节负荷在第n年发生替换时所需的费用。在设备替换费用的计算过程中不考虑偶然因素造成的设备替换情况，但要计及设备的残值。

柴油发电机的替换周期是其实际年运行时间的函数，第j台柴油发电机的实际替换周期是Trdj，单位是年，其值由下式计算：

(13)

式中：Trrdj、tsdj分别是第j台柴油发电机的额定替换周期和实际运行时间，单位均为小时；Tsys是混合型孤立微网的运行小时数；ny是混合型孤立微网的运行年数；tyj是第j台柴油发电机的年运行小时数。

储能电池的替换周期与放电深度和充放电过程的次数有关，并受其自身额定寿命的限制。一次完整的充放电过程是指储能电池先放电后充电或者先充电后放电，并最终恢复到初始状态的过程。储能电池能够承受的最大充放电过程次数Nmax与放电深度R的关系由双指数函数描述，该函数表达式是根据储能电池的实测数据拟合得到的[13]，如下所示：

Nmax=a1+a2ea3R+a4ea5R

(14)

式中：a1～a5为拟合系数。通常情况下，R越大，Nmax就越小。

根据放电深度的不同，可将储能电池发生的充放电过程划分为不同的类型，具有相同放电深度的充放电过程为同一类。一年中，储能电池发生了n种充放电过程，放电深度为Rk的第k种充放电过程发生的次数为Nk。据此可以计算储能电池的实际替换周期Tbat：

(15)

(16)

式中:Tbatr为储能电池的额定寿命；Tbatc为根据运行情况计算得到的储能电池寿命；Nmaxk表示当放电深度为Rk时，储能电池所能承受的最大充放电过程次数。

柴油发电机和储能电池在第n年的替换费用由式(17)计算：

(17)

式中：Crx(n)是设备x在第n年的替换费用；Crxc、Cx分别是没考虑资金时间价值时设备x的替换费用和采购费用；fs是残值率；Srx是设备x发生替换的年份集合；Nl是设备x最近一次替换发生的年份。Crxc的计算公式如下：

Crxc=Cx+Cix

(18)

式中：Cix是没考虑资金时间价值时设备x的安装费用。

认为其他主要设备的替换周期都是其自身的额定寿命，则它们在第n年的替换费用由式(19)计算：

(19)

式中：Trx是设备x的额定替换周期；m是不超过n/Trx的值的最大整数。

2.2混合型孤立微网年收入计算模型

由于只考虑微网系统处于独立运行状态，所以忽略混合型孤立微网与主电网之间的电能交易。系统在第n年的收入I(n)是混合型孤立微网对系统内部负荷售电所取得的收益，由式(20)计算:

I(n)=8 760(Prima(n)-Povera(n))Cprim(1+g)n

(20)

式中：Prima(n)表示第n年需要系统供给的平均每小时负荷量；Povera(n)表示系统在第n年的平均过载功率，即系统没有能力供给的负荷量；Cprim表示负荷电价。

2.3混合型孤立微网全寿命周期经济性评估指标

选取系统在全寿命周期内的利润净现值和单位产能成本作为评估混合型孤立微网全寿命周期经济性的两个指标。

利润净现值代表了系统在全寿命周期内获得的所有利润折算为当前资金的总价值，由式(21)计算：

(21)

式中：Vnpp表示利润净现值；N代表混合型孤立微网的工程寿命；d是贴现率；Pr(n)是混合型孤立微网在第n年获得的利润，由式(22)计算：

Pr(n)=Inet(n)-Ttax(n)

(22)

式中：Inet(n)表示系统在第n年取得的净收入；Ttax(n)表示系统在第n年上缴的税额，由式(23)计算:

Ttax(n)=ttax(n)|ttax(n)>0

(23)

ttax(n)=Inet(n)t-8 760(Pwa(n)+Ppva(n))ta

(24)

式中：t表示税率；ta是国家对可再生能源的税收补贴。

Inet(n)则由式(25)计算：

Inet(n)=I(n)-C(n)

(25)

单位产能成本则代表了系统在全寿命周期内生产单位电能所需的花费，由式(26)计算：

(26)

式中：Vcoe表示单位产能成本；Clev、Cdplev分别是系统运行的总花费和投资首付款对应的等年值；Pprimlca、Poverlca分别是系统在全寿命周期中平均每小时的负荷量和平均每小时的过载功率。

评估混合型孤立微网全寿命周期经济性的具体计算流程如图2所示。

图2　混合型孤立微网全寿命周期经济性评估计算流程

3　算例分析

选取中国浙江沿海某岛屿上拟建设的一个混合型孤立微网系统作为研究对象。利用由美国马萨诸塞大学和美国国家可再生能源实验室合作开发的混合型电力系统仿真软件Hybrid2进行混合型孤立微网算例建模[14]。算例中接入负荷的平均功率为30.71kW，最大值为100.08kW。算例中包含的主要设备及其参数见表1。参考海岛微网项目的实际工程经费和目前社会实际的经济形势，算例中主要设备的各项费用见表2，算例的经济参数和系统参数见表3。

表1　混合型孤立微网算例中的主要设备参数

表2　混合型孤立微网算例中的主要设备费用

相应的，建立只由柴油发电机供电的传统独立电力系统算例，用来和混合型孤立微网算例进行对比。传统算例所接入的负荷量与混合型孤立微网算例一致。传统算例中不包含可再生能源、储能电池、变流器和可调节负荷，系统设备运输费用是5.6万元，电网建设费用是60万元，其他配套设备投资费用是181万元。除了上述不同外，传统算例其余的设备费用、经济参数和系统参数都与混合型孤立微网算例一致。传统算例的全寿命周期经济性评估仍然采用第2节所述的模型，只是在计算中不再考虑可再生能源、储能装置、变流器和可调节负荷的经济性。

表3　混合型孤立微网算例的经济参数和系统参数

根据前文介绍的全寿命周期经济性评估计算流程，对所建算例进行分析。计算中，混合型孤立微网算例采用两种不同的调度策略，分别是负荷跟踪策略和循环充放策略[15]。在这两种调度策略中，系统中的负荷需求总是优先由可再生能源来满足，负荷需求电量减去可再生能源发电量得到净负荷。负荷跟踪策略中，柴油发电机跟踪净负荷运行，储能电池只用来补偿超过柴油发电机额定输出功率的净负荷缺额。循环充放策略中，储能电池跟踪净负荷的变化，柴油发电机则主要用来对储能电池充电。混合型孤立微网算例的全寿命周期经济性评估结果见表4，其中的停电率表示未满足的负荷电量与负荷总需求量的比值。而作为对比，传统算例的全寿命周期经济性评估结果见表5。

根据表4的结果可知，不论采用负荷跟踪调度策略还是循环充放调度策略，混合型孤立微网算例在其全寿命周期内的利润净现值均为负值，即没有盈利。同时，两种策略都能较好地保证供电可靠性，混合型孤立微网的停电率为零。采用循环充放策略时，柴油发电机的年运行时间和平均每小时燃油耗量都较小，但系统对储能电池的使用较多,从而导致储能电池的寿命较短。表5显示的计算结果则表明，为了维持供电，传统算例中的柴油发电机一直保持运行，系统的燃油耗量大幅提高。相较混合型孤立微网算例，传统算例的利润净现值更低，单位产能成本更大，系统全寿命周期的经济性更差。

表4　混合型孤立微网算例全寿命周期经济性评估结果

表5　传统算例的全寿命周期经济性评估结果

将混合型孤立微网算例和传统算例在全寿命周期内支出费用的净现值进行对比，所得结果如图 3 所示。图3(a)表明，与传统算例相比，混合型孤立微网算例新增可再生能源和储能电池等设备会增加系统全寿命周期的还贷费、运行维护费和设备替换费，但能够大幅减少系统支出的燃油费用。使用循环充放调度策略的混合型孤立微网算例对柴油发电机的使用最少，系统支出的燃油费用也最小，但是设备的替换费用会因储能电池寿命的减少而增加。图3(b)表明，受燃油费用支出比重的影响，传统算例在全寿命周期内支出的总费用最多，而采用循环充放调度策略的混合型孤立微网算例支出的总费用最少。所以，采用循环充放调度策略的混合型孤立微网算例具有相对较好的全寿命周期经济性。

图3　混合型孤立微网算例和传统算例在全寿命周期内支出费用净现值的对比

4　结　论

本文根据全寿命周期理论，针对混合型孤立微网的特点，提出了评估混合型孤立微网全寿命周期经济性的方法。并建立算例进行分析计算，验证所提经济性评估模型的实用性和有效性。研究得到如下结论：

① 与传统的只考虑投资等阶段性经济指标的分析方法相比，本文提出的全寿命周期经济性评估模型和评价指标考虑了混合型孤立微网在整个寿命期内的经济情况，能够更全面、更准确地反映混合型孤立微网实际的经济状态，能够体现出混合型孤立微网节能降耗所具有的长期经济优势。

② 混合型孤立微网相较传统的仅由柴油发电机供电的独立电力系统，能够大幅减少系统对化石燃料的依赖，节能效果明显，采用合适的调度策略时会取得较优的全寿命周期经济效益。然而，混合型孤立微网以目前的投资成本和运行收益难以获得实际盈利。设法减少混合型孤立微网中可再生能源和储能装置等设备的投资成本或加大政府对可再生能源的补贴力度都能进一步改善混合型孤立微网的全寿命周期经济性。

③ 本文提出的全寿命周期经济性评估方法可以应用到对混合型孤立微网的规划方案和实际运行方式进行经济效益分析的过程中，评估结果能够对混合型孤立微网的经济运行起到有效的指导作用。

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(责任编辑：林海文)

Full Life-cycle Economic Evaluation of Hybrid Isolated Micro-grid

LIU Zhongyi, LI Gengyin

( State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

Hybrid isolated micro-grid has such advantages as energy saving, environmental protection and high power supply reliability. As to hybrid isolated micro-grid that contains wind turbine generators, photovoltaic batteries, energy storage batteries and diesel generators, the full life-cycle economic evaluation model that can assess cost from construction investment and operation maintenance to recycling is built based on the full life-cycle theory. Two evaluation indexes are also proposed to measure the full life-cycle cost of the hybrid isolated micro-grid. Through the example analysis, the full life-cycle economic information of the hybrid isolated micro-grid with different dispatch strategies is studied, and the full life-cycle economic difference between the hybrid isolated micro-grid and the traditional isolated power system is also compared. The analysis results show that hybrid isolated micro-grid is more energy saving and economic, which verify the feasibility and effectiveness of the proposed full life-cycle economic evaluation model.

hybrid isolated micro-grid; full life cycle; economic evaluation

1007-2322(2015)04-0001-07

A

TM9

高等学校学科创新引智计划(“111”计划)(B08013)

2014-09-27

刘忠义(1988—)，男，博士研究生，研究方向为电力系统分析与控制，新能源电力系统等，E-mail：liuzhongyi1988@sina.com；

李庚银(1964—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为新能源电力系统分析与控制，柔性输配电技术，电能质量等，E-mail：ligy@ncepu.edu.cn。