周二雄，李鳳婷，朱賀

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊市830047)

0 引言

微網(wǎng)是由分布式能源(distributedenergy resource，DER)、控制裝置以及負(fù)荷等組成的可控單元，既可以與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可以孤網(wǎng)運行。同時，微網(wǎng)在節(jié)能減排、提高可再生能源利用率、延緩電網(wǎng)建設(shè)投資、提高用戶供電可靠性等方面具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益［1］。微網(wǎng)中的分布式能源具有較高的一次性投資、逐年運行與維護費用、廢棄后拆卸與治污費用等，深入研究微網(wǎng)成本－效益構(gòu)成，無論對微網(wǎng)建設(shè)還是微網(wǎng)運行都具有重要意義和工程應(yīng)用價值。

在微網(wǎng)的成本－效益評估方面，已有一些研究成果，如:文獻(xiàn)［1］對微網(wǎng)中分布式能源進行了研究;文獻(xiàn)［2-3］對微網(wǎng)中風(fēng)機、光伏可再生能源或熱電聯(lián)產(chǎn)運行狀況進行了經(jīng)濟、環(huán)境效益分析;文獻(xiàn)［4］從電力公司、用戶和投資者三方角度分析了微網(wǎng)經(jīng)濟效益。然而，對于如何根據(jù)微電源特征及微網(wǎng)運行特點，量化微網(wǎng)建設(shè)成本、綜合效益的研究甚少。

層次分析法(analytic hierarchy process，APH)是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析法，目前已經(jīng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸配電等環(huán)節(jié)的方案優(yōu)選、綜合評估、可行性判斷等方面［5］。文獻(xiàn)［6-7］利用相近的改進層次分析法對輸電線路雷電風(fēng)險、電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險方面進行評估;文獻(xiàn)［8］通過層次分析法對電廠檢修維護項目的評價準(zhǔn)則體系進行評價;文獻(xiàn)［9］采用層次分析法評估不同分布式電源的接入方案。

本文基于改進AHP法的思路，采用收斂速度較快、能滿足一致性效果的三標(biāo)度法形成判斷矩陣來求解權(quán)重，綜合考慮各方面因素量化微網(wǎng)的成本、效益，從主、客觀角度對微網(wǎng)的成本－效益進行評估。

1 改進AHP法

清晰的層次結(jié)構(gòu)使AHP方法具有簡化復(fù)雜問題的優(yōu)點，但不能很好處理不確定因素，不同專家對構(gòu)造的判斷矩陣有不同的認(rèn)可，判斷矩陣經(jīng)常出現(xiàn)不一致性的情況［5］。針對以上不足，采用有別于傳統(tǒng)AHP方法1～9標(biāo)度的三標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，來提高收斂速度和一致性;歸一化各專家判斷矩陣，形成權(quán)重向量的期望，作為各指標(biāo)的權(quán)重;結(jié)合求解微網(wǎng)成本、效益的各指標(biāo)值，從主、客觀角度綜合評估微網(wǎng)成本、效益。改進AHP包含以下步驟:

(1)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)。將分析評估問題層次化，形成由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層以及方案層構(gòu)成的遞階層次結(jié)構(gòu)，其中指標(biāo)層各指標(biāo)隸屬于準(zhǔn)則層。

(2)求解準(zhǔn)則層某子準(zhǔn)則權(quán)重。①建立比較矩陣。專家采用三標(biāo)度法兩兩比較指標(biāo)的相對重要性得出比較矩陣

式中:a1～an為各個指標(biāo);aij為指標(biāo)ai與指標(biāo)aj之間的比較結(jié)果，其表達(dá)式為

②構(gòu)造判斷矩陣

式中

③求解權(quán)重向量及檢驗一致性。采用特征向量法求判斷矩陣C的最大特征值λmax及對應(yīng)特征向量W，作為權(quán)重向量。然后將λmax引入相容性指標(biāo)CI=(λmax－n)/(n－1)，判斷矩陣的一致性。若CI＜ 0.1，認(rèn)為判斷矩陣一致性符合要求;否則，判斷矩陣一致性不符合要求，修改比較矩陣，重新計算并進行一致性檢驗，至到滿足要求［10］。

④確定各指標(biāo)權(quán)重。重復(fù)① ～③得到m個專家判斷矩陣形成的權(quán)重向量

式中:m為參與專家人數(shù);W(k)為第k個判斷矩陣形成的權(quán)重向量;為權(quán)重向量的期望。歸一化權(quán)重向量得各指標(biāo)權(quán)重。

(3)評估目標(biāo)為

式中:m1為準(zhǔn)則層含子準(zhǔn)則數(shù)目;vj為第j個子準(zhǔn)則權(quán)重;n1為第j個子準(zhǔn)則包含指標(biāo)數(shù)目;wi為第i個指標(biāo)權(quán)重;u(wi)為第i個指標(biāo)值。具體的評估流程如圖1所示。

2 構(gòu)建微網(wǎng)的成本－效益層次結(jié)構(gòu)

綜合考慮DER的運行經(jīng)濟狀況以及對環(huán)境的影響等因素，確定了成本、效益指標(biāo)層各個指標(biāo)，根據(jù)微網(wǎng)中DER的種類和容量確定方案層，構(gòu)建了如圖2所示微網(wǎng)成本－效益評估遞階層次結(jié)構(gòu)。

2.1 微網(wǎng)成本指標(biāo)體系

2.1.1 設(shè)備投資總費用的等年值

考慮逐年投資成本更能夠體現(xiàn)市場運行經(jīng)濟狀況，微網(wǎng)中一次、二次設(shè)備投資總費用按等年值計算，即

式中:d1為設(shè)備投資總費用的等年值;CCpi為第i種DER設(shè)備投資費用的等年值，$;n2為微網(wǎng)中DER種類數(shù);CTCPi為第i種DER裝機成本的等年值，$;CSCPi為第i種DER二次設(shè)備成本，$;Ypi為第i種DER壽命周期年限，a;r為折現(xiàn)率，%。

2.1.2 安裝、運行維護費用

將DER一次性安裝費用按等年值計算，而運行維護費用按年計算，則安裝、運行維護費為

式中:COMi為第i種DER年安裝、運行維護費用，$;Kii為第i種DER單位容量安裝費用，$/kW;Komi為第i種DER單位容量維護年費用，$/(kW·a);Pi為第i種DER裝機容量，kW;NSUCi為第i種DER年啟停次數(shù);ζi為第 i種 DER 熱啟動費用，$;δi為第 i種DER冷啟動費用，$;τi為第i種DER冷啟動時間，h;Toff，i，j為第 i種 DER 第 j次啟動前停運時間，h。

2.1.3 廢棄后拆卸、治污費用

考慮廢棄后產(chǎn)生的費用，并將該費用以等年值計算，有

式中:CDi為第i種DER拆卸、治污費用的等年值，$;Kdi為第 i種 DER拆卸單位裝機容量所需費用，$/kW;Kpi為第i種DER治理單位裝機容量污染所需費用，$/kW。

2.1.4 燃料費用

式中:CFCi為第i種DER年燃料費用，$/a;MCi為第i種DER單位電能消耗燃料量，g/(kW·h);pCi為第i種DER單位燃料的價格，$/t;Ei為第i種DER年發(fā)電量，kW·h/a。

2.1.5 排污懲罰費用

式中:CEi為第i種DER年排污懲罰費用，$/a;m2為污染物種類;Vk為單位發(fā)電量排放第k種污染物罰款，$/(kW·h)。排污懲罰費用如表1［11］所示。

2.1.6 停電賠償費用

只考慮微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間饋線上發(fā)生故障，導(dǎo)致微網(wǎng)部分負(fù)荷停電造成的賠償費用，則停電賠償費用為

表1 發(fā)電技術(shù)單位發(fā)電量污染物排放罰款情況Tab.1 Pollutants fine form of power generation technology per unit of electricity generation 10－3$/(kW·h)

式中:CS為停電賠償費用，$;m3為微網(wǎng)與大電網(wǎng)相連的饋線數(shù);λj為單位饋線故障的概率，%;Lj為饋線的長度，km;Tj為維修時間，h;n3為負(fù)荷種類;KSk為第k種負(fù)荷停電損失費用，$/(kW·h);ΔPk為第k種負(fù)荷停電量，kW·h。

2.2 微網(wǎng)效益指標(biāo)體系

2.2.1 碳貿(mào)易效益

根據(jù)碳排放權(quán)交易機制(emissions trading scheme，ETS)，企業(yè)在規(guī)定時間內(nèi)碳排放量低于監(jiān)管機構(gòu)分配量，可將剩余量出售給排放水平高的企業(yè)來獲得利潤［12］;而《京都議定書》規(guī)定光伏發(fā)電、風(fēng)機發(fā)電等屬于清潔發(fā)展機制(cleandevelopment mechanism，CDM)范疇。采用可再生能源電源相對于常規(guī)火電機組發(fā)相同電量少排放的CO2進行交易，構(gòu)建了如下碳貿(mào)易效益

式中:m4表示微網(wǎng)包含可再生能源電源種類數(shù);α為單位煤炭轉(zhuǎn)換為CO2系數(shù)(本文取44/12);MC為火電機組生產(chǎn)單位電能所消耗的煤炭量，g/(kW·h);ρ為單位碳交易費用，$/t。

2.2.2 可靠性效益

與大電網(wǎng)相連的饋線發(fā)生故障時，微網(wǎng)內(nèi)分布式能源仍持續(xù)向部分負(fù)荷供電，提高了供電可靠性。可靠性效益為

式中:CRi為第i種負(fù)荷可靠性效益，$;m5為微網(wǎng)與大電網(wǎng)相連的饋線數(shù);KSi為第i種負(fù)荷單位停電損失，$/(kW·h);Pi，j為第j條饋線連接下分布式能源供給第i種負(fù)荷的電量，kW·h。

2.2.3 政府補貼效益

《分布式發(fā)電管理辦法》明確國家擬采用單位發(fā)量方式補貼分布式電源發(fā)電，政府補貼效益為

式中:n4為微網(wǎng)所含分布式電源種類;pbi為第i種分布式電源補貼電價，$/(kW·h)。

2.2.4 上網(wǎng)效益

不同分布式電源上網(wǎng)電價不同，微網(wǎng)上網(wǎng)效益為

式中:pSi為第 i種分布式電源上網(wǎng)電價，$/(kW·h)。

2.2.5 節(jié)能效益

節(jié)能效益為利用可再生能源發(fā)電減少化石能源消耗帶來的費用。本文以常規(guī)火電機組發(fā)電消耗煤炭費用作為參考，構(gòu)建了如下節(jié)能效益

式中:m6為微網(wǎng)含有的可再生能源電源種類;pC為煤炭價格，$/t。

2.2.6 降低損耗效益

DER配置于負(fù)荷附近，減少了等容集中式遠(yuǎn)距離供電在網(wǎng)絡(luò)傳輸上的損耗［1］。降低損耗效益為

式中:L為降損率，%;pS為大電網(wǎng)售電電價，$/(kW·h)。

3 實例分析

以含微型燃?xì)廨啓C、燃料電池的4種微網(wǎng)方案為例，進行微網(wǎng)的成本－效益分析。為了便于分析，將含風(fēng)、光、儲微網(wǎng)簡稱為微網(wǎng) I，含光/儲微網(wǎng)簡稱為微網(wǎng)II，含風(fēng)/儲微網(wǎng)簡稱為微網(wǎng)III，含風(fēng)/光微網(wǎng)簡稱為微網(wǎng)IV。假設(shè)DER通過先進電力電子設(shè)備接入微網(wǎng)，能快速跟蹤負(fù)荷以及風(fēng)、光等資源變化，且只考慮微網(wǎng)與大電網(wǎng)相連饋線發(fā)生故障情況，不考慮網(wǎng)損以及發(fā)電效率以及轉(zhuǎn)換效率問題。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microgrid structure

3.1 微網(wǎng)的成本分析

3.1.1 確定成本各指標(biāo)的權(quán)重

本項目共有3位專家參加評審，根據(jù)式(1)～(5)，計算得到成本權(quán)重 W1=［0.549，0.131，0.142，0.042，0.068，0.068］。

3.1.2 計算成本

假設(shè)微網(wǎng)內(nèi)工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民負(fù)荷所占比重依次為79.1%、13.4%、2.4%、5.1%，相應(yīng)的負(fù)荷單停電賠償費用依次為1.817、1.710 4、0.129 8、0.096 4$/(kW·h)，光伏、風(fēng)機、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C、蓄電池的運行時間依次為1 500、3 000、6 500、6 500、500 h，二次設(shè)備成本為裝機費用的8%。其他參數(shù)如表2所示，DER參數(shù)狀況如表3［11］所示，4種方案各項成本指標(biāo)值如表4。

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3.2 微網(wǎng)的效益分析

3.2.1 確定效益各指標(biāo)權(quán)重

效益指標(biāo)權(quán)重向量W2=［0.096，0.275，0.079，0.224，0.180，0.145］。

3.2.2 計算效益

設(shè)光伏陣列、風(fēng)機、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C上網(wǎng)電價依次為 0.189 0、0.086 5、0.078 6、0.070 8$/(kW·h)，相應(yīng)補貼電價為上網(wǎng)電價25%，其他相關(guān)參數(shù)如表5所示。

由式(7)～(12)可得4種方案的效益各項指標(biāo)值，如表6所示。

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3.3 微網(wǎng)的成本－效益的評估

根據(jù)4種微網(wǎng)方案成本、效益各指標(biāo)值以及相應(yīng)權(quán)重，線性加權(quán)求和依次可得4種微網(wǎng)方案成本、效益評估值，如圖4所示。

由圖4可得:光伏成本大于風(fēng)機，風(fēng)機成本大于蓄電池;風(fēng)機效益最大，蓄電池效益最小;該地區(qū)微網(wǎng)采用風(fēng)機與蓄電池組合可以取得較好經(jīng)濟效果。

當(dāng)然風(fēng)、光等自然條件不同以及隨著風(fēng)電、光伏、儲能科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，組成微網(wǎng)各DER成本、效益指標(biāo)將發(fā)生變化，微網(wǎng)成本－效益評估結(jié)果以及與各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度也將隨之改變。

圖4 4種微網(wǎng)方案的成本－效益評估Fig.4 Cost-benefit evaluation of four microgrid schemes

4 結(jié)語

本文綜合考慮分布式電源特性以及微網(wǎng)運行狀況等因素，構(gòu)建了微網(wǎng)成本－效益評估遞階層次結(jié)構(gòu)，也為微網(wǎng)多重目標(biāo)的考核提供參考。通過改進的層次分析法對4種微網(wǎng)方案進行成本－效益的評估，驗證了該方法的可行性。本文算例參考相近文獻(xiàn)確定目前尚無標(biāo)準(zhǔn)可循的廢棄拆卸、治污、停電賠償費用等指標(biāo);另外DER裝機容量、采用技術(shù)的成熟度不同，成本差別也很大。

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