金 強(qiáng)，張紅斌，宋子洋，賈清泉,*，汪湘晉

(1. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)供電系統(tǒng)。微電網(wǎng)在可再生能源利用、節(jié)能減排、提高供電可靠性等很多方面具有良好的性能優(yōu)勢(shì)[1-2]。近年來微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用[3]，技術(shù)理論成果豐富[4-7]。微電網(wǎng)規(guī)劃方案的合理性對(duì)微電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)營的成效至關(guān)重要，是決定微電網(wǎng)能否發(fā)揮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。微電網(wǎng)規(guī)劃方案在制定過程中通常難以同時(shí)兼顧多種性能，需要在方案形成后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)[9]，保證各項(xiàng)性能指標(biāo)的合理性，并權(quán)衡不同方案的性能優(yōu)劣。因此開展微電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

微電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要涉及評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定和綜合評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建。目前微電網(wǎng)評(píng)價(jià)方法主要采取各指標(biāo)加權(quán)的方式，權(quán)重可采取主觀法、客觀法或主客觀結(jié)合的方法。文獻(xiàn)[10]考慮供電可靠性、適應(yīng)性及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，建立了交、直流微電網(wǎng)綜合評(píng)估指標(biāo)并采用改進(jìn)層次分析法進(jìn)行加權(quán)綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[11]從可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性4個(gè)方面采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)孤島微電網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[12]針對(duì)園區(qū)微電網(wǎng)組成及特點(diǎn)，考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和能耗、環(huán)保等方面，基于主客觀結(jié)合的層次分析法-改進(jìn)熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，建立VIKOR多準(zhǔn)則方法對(duì)方案進(jìn)行排序。文獻(xiàn)[13]提出交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[14]應(yīng)用VIKOR法對(duì)備選方案綜合排序和選優(yōu)。文獻(xiàn)[15]采用環(huán)比法確定指標(biāo)權(quán)重，利用秩和比評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。上述文獻(xiàn)中，主觀權(quán)重方法依靠人的主觀經(jīng)驗(yàn)確定評(píng)價(jià)權(quán)重，主觀性強(qiáng)；客觀評(píng)價(jià)法則通過對(duì)比待選方案的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)體系受評(píng)價(jià)對(duì)象影響，不能獨(dú)立存在。另一類文獻(xiàn)在優(yōu)化配置中考慮多指標(biāo)需求[9,16-17]。文獻(xiàn)[9]通過多目標(biāo)優(yōu)化配置得到Pareto解集，再采用模糊隸屬函數(shù)表示滿意度并找到最優(yōu)解，其本質(zhì)上仍是對(duì)備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[16-17]等則在優(yōu)化配置模型中除考慮物理約束外，加入了一定的指標(biāo)性約束，但受指標(biāo)可表示性和優(yōu)化模型的限制，方法只能從某個(gè)側(cè)面反映部分評(píng)價(jià)指標(biāo)，難以將全部性能指標(biāo)列入優(yōu)化模型。為規(guī)范微電網(wǎng)工程項(xiàng)目評(píng)價(jià)工作，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)制定了《微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(T/CEC 106—2016)[18]，對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)范圍、評(píng)價(jià)指標(biāo)從宏觀上做了規(guī)定，但對(duì)于指標(biāo)含義及計(jì)算方法仍缺乏可操作性。

通過上述分析可以看出，相關(guān)文獻(xiàn)主要研究微電網(wǎng)規(guī)劃的評(píng)價(jià)方法，少有關(guān)注評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取問題。微電網(wǎng)規(guī)劃方案與性能指標(biāo)之間的關(guān)系是復(fù)雜間接的，如何有效獲取性能指標(biāo)是開展評(píng)價(jià)的前提。而且，評(píng)價(jià)過程受待評(píng)方案集的影響，是對(duì)方案集中各方案進(jìn)行相互比選、相對(duì)排序，導(dǎo)致評(píng)價(jià)尺度不統(tǒng)一，較優(yōu)方案集與較劣方案集的評(píng)價(jià)結(jié)果無法區(qū)分。工程實(shí)際中更需要關(guān)注每個(gè)規(guī)劃方案的絕對(duì)水平。

本文分析探討了微電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征屬性并給出可操作的指標(biāo)計(jì)算式；依據(jù)天氣數(shù)據(jù)生成風(fēng)、光發(fā)電的時(shí)序模型，建立了應(yīng)用時(shí)序生產(chǎn)模擬手段計(jì)算間接指標(biāo)的策略。構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)的多維空間表示，提出一種基于指標(biāo)空間距離的微電網(wǎng)性能評(píng)價(jià)方法并論述了其作用和優(yōu)勢(shì)。算例分析驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 微電網(wǎng)規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的類型分析

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案優(yōu)選性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括組成架構(gòu)評(píng)價(jià)、技術(shù)性評(píng)價(jià)和效益評(píng)價(jià)等三類，每類指標(biāo)又包含多個(gè)具體指標(biāo)。根據(jù)微電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義，某些指標(biāo)越大越有利，如能源綜合利用率；某些指標(biāo)則越小越有利，如交換功率峰谷差率。因而評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)屬性的不同可分為收益性指標(biāo)和成本性指標(biāo)兩類。另外，文獻(xiàn)[18]給出的微電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，部分指標(biāo)可根據(jù)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)按指標(biāo)定義直接求出，本文稱為直接指標(biāo)；有些指標(biāo)則需根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)特性間接獲得，這類指標(biāo)稱為間接指標(biāo)。直接指標(biāo)計(jì)算比較簡單，本文不再贅述。對(duì)于間接指標(biāo)，本文結(jié)合文獻(xiàn)[18]和微電網(wǎng)特點(diǎn)做了進(jìn)一步明確和改進(jìn)，并建立基于功率的指標(biāo)計(jì)算式，使之更具可操作性。本文列出的微電網(wǎng)間接指標(biāo)見表1，這些指標(biāo)分別適用于并網(wǎng)型或獨(dú)立型微電網(wǎng)，在評(píng)價(jià)中應(yīng)合理選擇。

表1 微電網(wǎng)間接評(píng)價(jià)指標(biāo)及其屬性Tab.1 The list of indirect index for microgrid evaluation

1.2 間接評(píng)價(jià)指標(biāo)及其含義

1) 分布式電源自用率

適用于并網(wǎng)型微電網(wǎng)，表示為年消納分布式電源的電量與分布式電源發(fā)電量的比值，

(1)

式中，Po(t)為t時(shí)刻微電網(wǎng)通過并網(wǎng)點(diǎn)向外網(wǎng)反送功率；Pg(t)為t時(shí)刻微電網(wǎng)中分布式電源總發(fā)電功率；Δt為時(shí)段時(shí)長，對(duì)于小時(shí)級(jí)時(shí)長Δt=1。

2) 微電網(wǎng)持續(xù)供電能力

適用于并網(wǎng)型微電網(wǎng)。衡量微電網(wǎng)在任何時(shí)刻一旦進(jìn)入孤島狀態(tài)，能夠?yàn)橹匾?fù)荷供電的平均持續(xù)時(shí)間。設(shè)t時(shí)刻發(fā)生孤島，則孤島后微電網(wǎng)能夠?yàn)橹匾?fù)荷持續(xù)供電的時(shí)間T(t)應(yīng)滿足

(2)

式中，Wes(t)為儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的儲(chǔ)電量；PL(t)為微電網(wǎng)負(fù)荷用電功率；ηc為重要負(fù)荷的占比。

求出每個(gè)時(shí)段發(fā)生孤島的持續(xù)供電時(shí)間T(t)，對(duì)一年內(nèi)各段T(t)取平均，得到平均持續(xù)供電時(shí)間(h)

(3)

3) 用戶供電可靠性

用來表征獨(dú)立型微電網(wǎng)因電源供電能力不足引起的供電可靠性。并網(wǎng)型微電網(wǎng)由于有主網(wǎng)作供電保障，不需考慮供電不足問題。

(4)

式中，PL,r(t)為微電網(wǎng)停電負(fù)荷功率。

4) 可再生能源棄電率

獨(dú)立型微電網(wǎng)棄風(fēng)棄光的發(fā)電量與理論發(fā)電量之比。并網(wǎng)型微電網(wǎng)多余風(fēng)光電量可由主網(wǎng)消納，一般不存在棄風(fēng)棄光，不需考慮該指標(biāo)。

(5)

式中，Pwt(t)和Ppv(t)分別為風(fēng)機(jī)和光伏理論發(fā)電功率；Pwt,r(t)和Ppv,r(t)為棄風(fēng)、棄光功率。

5) 儲(chǔ)能年等效全放電次數(shù)

用來評(píng)價(jià)微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量的利用水平，

(6)

式中，Pes,d為t時(shí)刻儲(chǔ)能放電功率，充電狀態(tài)該值為0；Wes,n為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定儲(chǔ)存容量。該指標(biāo)對(duì)并網(wǎng)型和獨(dú)立型微電網(wǎng)均適用。

6) 交換功率峰谷差率

指并網(wǎng)型微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率的年最大峰谷差與微電網(wǎng)最大用電負(fù)荷之比，

(7)

式中，Po,m為微電網(wǎng)向外網(wǎng)倒送最大功率；Pi,m為微電網(wǎng)從外網(wǎng)吸收的最大功率，PL,m為微電網(wǎng)最大負(fù)荷量。

7) 電量自平衡度

微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的年發(fā)電量與微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷的年用電量之比，如(8)式。該指標(biāo)用來考核并網(wǎng)型微電網(wǎng)內(nèi)部源荷配置的平衡性。獨(dú)立微電網(wǎng)負(fù)荷用電量全部由分布式電源提供，不需考核該指標(biāo)。

(8)

8) 年化石能源替代比

微電網(wǎng)可再生能源年發(fā)電量折合燃煤量與微電網(wǎng)建設(shè)投資規(guī)模之比，單位為噸/萬元。

(9)

式中，PSC為每度電的標(biāo)準(zhǔn)煤耗，CI為微電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)投資成本，Wa為風(fēng)、光實(shí)發(fā)電量，

該指標(biāo)對(duì)獨(dú)立型和并網(wǎng)型微電網(wǎng)均適用。

2 微電網(wǎng)間接評(píng)價(jià)指標(biāo)的時(shí)序生產(chǎn)模擬計(jì)算方法

上述間接指標(biāo)需要統(tǒng)計(jì)微電網(wǎng)全年運(yùn)行數(shù)據(jù)才能得出具體數(shù)值，但在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段無法獲得真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。隨機(jī)生產(chǎn)模擬是通過模擬電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行行為來間接獲得運(yùn)行數(shù)據(jù)的一種有效手段[19-20]，因而微電網(wǎng)規(guī)劃的指標(biāo)數(shù)據(jù)可采用隨機(jī)生產(chǎn)模擬方式獲得，本節(jié)建立基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的微電網(wǎng)間接指標(biāo)計(jì)算方法。

2.1 天氣數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)光時(shí)序模型

本文研究微電網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)價(jià)，是工程建設(shè)前的評(píng)價(jià)。微電網(wǎng)不同規(guī)劃方案對(duì)間接指標(biāo)的影響存在復(fù)雜關(guān)系，不能建立表達(dá)式直接表示。本文提出采用時(shí)序生產(chǎn)模擬手段確定微電網(wǎng)間接評(píng)級(jí)指標(biāo)，首先需要建立合理的模擬運(yùn)行場(chǎng)景。微電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景涉及各時(shí)段風(fēng)光發(fā)電功率水平，具有很強(qiáng)的隨機(jī)不確定性，加上地域差異，出力難以預(yù)測(cè)。考慮風(fēng)光發(fā)電僅受天氣因素影響，歷史天氣數(shù)據(jù)可真實(shí)獲得；而且雖然每天的天氣隨機(jī)性很強(qiáng)，但從年的尺度上反映天氣因素是具有統(tǒng)計(jì)有效性的。故本文采取典型年天氣數(shù)據(jù)生成風(fēng)光出力數(shù)據(jù)的策略，避免了風(fēng)光預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，且可操作性強(qiáng)。

變速恒頻風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)速的關(guān)系可表示為

式中，Pwt,n為單臺(tái)風(fēng)機(jī)額定功率；ν(t)為風(fēng)速；νc為切入風(fēng)速；νf為切出風(fēng)速；νr為額定風(fēng)速。

光伏輸出功率與太陽輻射照度、環(huán)境溫度有關(guān)，

(11)

式中，Ppv,r為單塊光伏安裝容量；Mpv為光伏塊數(shù)，Gst=1 000 W/m2，為標(biāo)準(zhǔn)條件太陽輻射照度；Kst=25 ℃為標(biāo)準(zhǔn)條件光伏電池板溫度；k為功率溫度系數(shù)；Gs(t)為t時(shí)刻太陽實(shí)際輻射照度；Kc(t)為t時(shí)刻光伏板溫度。光伏板溫度可通過環(huán)境溫度估算，即

，

(12)

式中，Ko(t)為t時(shí)刻環(huán)境溫度。

選取歷史典型年進(jìn)行分析，以小時(shí)為單位建立變量的年時(shí)序模型，從氣象數(shù)據(jù)庫中獲取典型年小時(shí)級(jí)氣溫Ko(t)、風(fēng)速ν(t)和光照Gs(t)，代入式 (10)、(11)并根據(jù)規(guī)劃配置容量可得到風(fēng)機(jī)的年出力時(shí)序Pwt(t)和光伏年出力序列Ppv(t)。

負(fù)荷的時(shí)序模型PL(t)可根據(jù)微電網(wǎng)負(fù)荷特性參數(shù)按典型負(fù)荷曲線生成，工程中容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 微電網(wǎng)的運(yùn)行行為建模

2.2.1 獨(dú)立型微電網(wǎng)的運(yùn)行模型

獨(dú)立型微電網(wǎng)不與大電網(wǎng)連接，處于完全獨(dú)立狀態(tài)，因而不存在與主網(wǎng)的能量交互，發(fā)、儲(chǔ)、用電完全在微電網(wǎng)內(nèi)部實(shí)時(shí)平衡[21]。

獨(dú)立型微電網(wǎng)的基本運(yùn)行過程體現(xiàn)為，當(dāng)微電網(wǎng)分布式電源發(fā)電功率大于負(fù)荷用電功率且儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)未達(dá)上限時(shí)，則儲(chǔ)能充電；當(dāng)發(fā)電功率大于用電功率且儲(chǔ)能SOC已達(dá)上限，考慮到風(fēng)電運(yùn)行成本大于光伏，則優(yōu)先棄風(fēng)再棄光；當(dāng)發(fā)電功率小于用電功率且儲(chǔ)能SOC未達(dá)下限時(shí)，則儲(chǔ)能放電；當(dāng)發(fā)電功率小于用電功率且儲(chǔ)能SOC已達(dá)下限時(shí)，則實(shí)施削減負(fù)荷。運(yùn)行過程中需要考慮儲(chǔ)能充放電的功率約束，超出儲(chǔ)能充放電功率約束的差額功率仍需通過棄風(fēng)棄光或削減負(fù)荷來平衡。同時(shí)，若微電網(wǎng)中含有燃?xì)廨啓C(jī)等可控分布式電源，為降低燃料消耗和保障供電，功率平衡優(yōu)先利用儲(chǔ)能調(diào)節(jié)，其次啟用可控分布式電源調(diào)節(jié)，最后通過削減負(fù)荷調(diào)節(jié)。另需說明，由于本文微電網(wǎng)模擬運(yùn)行是為了規(guī)劃評(píng)價(jià)，因而可不考慮電網(wǎng)約束及網(wǎng)損。

設(shè)ΔP(t)為獨(dú)立型微電網(wǎng)功率差額，SOCmax、SOCmin分別為儲(chǔ)能最大和最小荷電狀態(tài)，Pc,n為可控分布式電源的額定功率，Pc(t)為可控分布式電源的實(shí)時(shí)發(fā)電功率，Pes,n為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率，Pes,d(t)為儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率，Pes,c(t)為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率，PL,r(t)為負(fù)荷削減功率，Pwt,r(t)為棄風(fēng)功率，Ppv,r(t)為棄光功率，則獨(dú)立型微電網(wǎng)的運(yùn)行模型如圖1所示。

2.2.2 并網(wǎng)型微電網(wǎng)的運(yùn)行模型

并網(wǎng)型微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相連，除自我運(yùn)行、自我管控外，還與主網(wǎng)有能量交互。因而并網(wǎng)型微電網(wǎng)的運(yùn)行過程涉及內(nèi)部發(fā)用電環(huán)節(jié)的供、需、儲(chǔ)狀態(tài)以及微電網(wǎng)與主網(wǎng)的能量交易，具體運(yùn)行模型與微電網(wǎng)運(yùn)營模式有關(guān)。相關(guān)工作已有專門研究[6,21-22]，限于篇幅，本文不做深入討論。

2.3 間接指標(biāo)分析的時(shí)序生產(chǎn)模擬流程

在建立微電網(wǎng)風(fēng)、光、荷時(shí)序模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行行為模型就可以進(jìn)行時(shí)序生產(chǎn)模擬并計(jì)算微電網(wǎng)性能指標(biāo)，具體步驟為：

1) 讀取微電網(wǎng)規(guī)劃方案基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括源、儲(chǔ)、荷參數(shù)及微網(wǎng)類型、屬性等；

2) 選取典型年，獲取天氣數(shù)據(jù)并構(gòu)建風(fēng)、光的年時(shí)序模型；根據(jù)微網(wǎng)用戶特征構(gòu)建負(fù)荷的年時(shí)序模型；

3) 設(shè)時(shí)段初值t=1，儲(chǔ)能初值SOC=50%；電價(jià)等交易參數(shù)合理給定初值；間接指標(biāo)各變量初值設(shè)為0；

4) 讀取t時(shí)段風(fēng)光荷時(shí)序數(shù)據(jù)，代入微電網(wǎng)運(yùn)行模型；

5) 根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行模型得到的相應(yīng)時(shí)段的功率值， 按1.2節(jié)計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的增量，并累加到指標(biāo)變量中；計(jì)算儲(chǔ)能SOC；

6) 若并網(wǎng)型微電網(wǎng)在該時(shí)段進(jìn)入孤島狀態(tài)，則按式(2)計(jì)算微電網(wǎng)持續(xù)供電時(shí)間并累加；

7) 令t=t+1，返回步驟4)，直到t=8 760；

8) 最終得出典型年各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算值。

3 微電網(wǎng)規(guī)劃的指標(biāo)空間評(píng)價(jià)方法

3.1 指標(biāo)的狀態(tài)空間表示

微電網(wǎng)每一種規(guī)劃方案可對(duì)應(yīng)得出一組評(píng)價(jià)指標(biāo)值，該組指標(biāo)值等價(jià)于刻畫微電網(wǎng)內(nèi)在屬性的一種宏觀狀態(tài)。一系列規(guī)劃方案可對(duì)應(yīng)于微電網(wǎng)在內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化下產(chǎn)生的一族狀態(tài)。因此可以構(gòu)建規(guī)劃方案的指標(biāo)空間表征，每一種評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)空間的一個(gè)維度，每個(gè)規(guī)劃方案可表征為指標(biāo)空間的一個(gè)點(diǎn)。

為衡量微電網(wǎng)規(guī)劃性能，首先需對(duì)規(guī)劃方案設(shè)定一組指標(biāo)容許值理想值。指標(biāo)容許值表示一個(gè)規(guī)劃指標(biāo)只有優(yōu)于該容許水平才有建設(shè)價(jià)值。指標(biāo)理想值是規(guī)劃指標(biāo)可以達(dá)到的理想狀態(tài)值。指標(biāo)容許值和理想值可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和專家論證結(jié)合機(jī)理分析來形成。設(shè)指標(biāo)個(gè)數(shù)為n，X=(x1,x2,…,xn)為指標(biāo)值，A=(a1,a2,…,an)為指標(biāo)容許值，P=(p1,p2,…,pn)為指標(biāo)理想值，將各指標(biāo)以容許值和理想值為尺度進(jìn)行一致化處理，將具有不同物理屬性的指標(biāo)量變換為指標(biāo)狀態(tài)量。收益性指標(biāo)為

(13)

成本性指標(biāo)為

(14)

從而可建立指標(biāo)空間S=(s1,s2,…,sn)，指標(biāo)容許值對(duì)應(yīng)空間的坐標(biāo)原點(diǎn)。顯然，只有si>0的規(guī)劃方案才是可行方案，該空間稱為可行空間。

圖1 獨(dú)立型微電網(wǎng)時(shí)序生產(chǎn)模擬運(yùn)行模型Fig.1 Time sequence simulated production operation modeling of stand-alone microgrid

3.2 基于指標(biāo)空間的微電網(wǎng)性能評(píng)價(jià)

根據(jù)建立的指標(biāo)空間，在可行空間中指標(biāo)狀態(tài)值越大，則距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，方案的綜合性能越優(yōu)。同時(shí)，在距離相等的條件下各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)越均衡則方案越好。本文依據(jù)這種特性建立微電網(wǎng)性能評(píng)價(jià)方法。

由3個(gè)指標(biāo)組成的指標(biāo)空間如圖2所示。在可行空間建立一條經(jīng)原點(diǎn)且與各軸夾角相等(三維空間時(shí)夾角為54.73°)的射線l，則位于射線上的點(diǎn)其指標(biāo)均衡性最好。對(duì)于n維指標(biāo)空間，設(shè)可行空間任一點(diǎn)S，S點(diǎn)在射線l上的投影為S′，取S′到坐標(biāo)原點(diǎn)的歐式距離作為評(píng)價(jià)微電網(wǎng)性能的判據(jù)，表達(dá)式如(15)式所示。若S的坐標(biāo)為(s1,s2,…,sn)，S′的坐標(biāo)為(s′,s′,…,s′)，則根據(jù)余弦定理可得出s′的計(jì)算如(16)式所示。

圖2 指標(biāo)狀態(tài)空間Fig.2 Index state space

(15)

(16)

可見，基于指標(biāo)空間的評(píng)價(jià)方法能夠直接給出規(guī)劃方案的絕對(duì)水平，不受其他方案的影響。當(dāng)改變某一規(guī)劃參數(shù)時(shí)，通過多次生產(chǎn)模擬可以得到指標(biāo)隨參數(shù)變化的軌跡，從而反映出規(guī)劃參數(shù)與方案性能的關(guān)系。根據(jù)方案或參數(shù)變化過程的綜合指標(biāo)狀態(tài)軌跡可以看出軌跡變化趨勢(shì)和最佳綜合指標(biāo)的位置，從而找到最佳指標(biāo)對(duì)應(yīng)的規(guī)劃參數(shù)。另外，對(duì)可行空間劃分成不同的區(qū)域，可以表征規(guī)劃方案的性能等級(jí)。本文沿l方向?qū)尚锌臻g等間隔劃分為4個(gè)區(qū)域，見圖2中I、II、III、IV，分別代表優(yōu)、良、中、合格4個(gè)等級(jí)，則根據(jù)規(guī)劃方案所在區(qū)域就可以確定其性能等級(jí)。

4 算例分析

以一個(gè)某海島獨(dú)立型微電網(wǎng)為案例進(jìn)行規(guī)劃方案評(píng)價(jià)。該微電網(wǎng)最高負(fù)荷為900 kW，最低負(fù)荷為400 kW。根據(jù)規(guī)劃方案，該系統(tǒng)配置有1臺(tái)750 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1組300 kW光伏陣列，2臺(tái)100 kW柴油發(fā)電機(jī)，1組2 000 kW·h電池儲(chǔ)能。微電網(wǎng)工程投資相關(guān)數(shù)據(jù)如表2，生產(chǎn)模擬和指標(biāo)計(jì)算相關(guān)參數(shù)如表3。

表2 算例微電網(wǎng)工程建設(shè)投資Tab.2 Project investment of studied microgrid

表3 算例微電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)Tab.3 Operation parameters of the studied microgrid

開發(fā)了工具軟件從氣象網(wǎng)站讀取某地區(qū)2018年全年每天24個(gè)時(shí)段的氣溫、風(fēng)速、陰晴數(shù)據(jù)。由于光照數(shù)據(jù)未提供，故依據(jù)相關(guān)算法[23]推算出光照強(qiáng)度。選取某天部分時(shí)段的天氣數(shù)據(jù)如表4。根據(jù)以上規(guī)劃和運(yùn)行參數(shù)對(duì)該獨(dú)立微電網(wǎng)按2.3的步驟進(jìn)行全年共8 760時(shí)段的時(shí)序生產(chǎn)模擬，微電網(wǎng)運(yùn)行過程依據(jù)圖1模型。用MATLAB對(duì)全年進(jìn)行時(shí)序模擬，得出相應(yīng)功率累計(jì)值并根據(jù)獨(dú)立微電網(wǎng)有關(guān)的間接性能指標(biāo)定義求出相關(guān)指標(biāo)值如表5。設(shè)置的指標(biāo)容許值和理想值也列于表5中。根據(jù)式(15)求得該方案下微電網(wǎng)綜合性能指標(biāo)為1.38。

儲(chǔ)能是微電網(wǎng)配置的關(guān)鍵設(shè)備，為了對(duì)比不同規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)效果，在該方案的基礎(chǔ)上改變儲(chǔ)能配置容量，重新進(jìn)行時(shí)序生產(chǎn)模擬，得到多個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果列于表6。從表6可以看出，儲(chǔ)能容量為1 600 kW·h時(shí)綜合性能指標(biāo)最優(yōu)。這是由于若儲(chǔ)能配置過大，雖然對(duì)微電網(wǎng)可靠性有利，但整體技術(shù)性能不高。

表4 2018年12月6日部分天氣數(shù)據(jù)Tab.4 Part of the weather data for Dec. 06, 2018

表5 獨(dú)立微電網(wǎng)間接指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of indirect index for the microgrid

表6 不同儲(chǔ)能參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation results of microgrid with different parameter of energy storage

5 結(jié)論

本文建立了應(yīng)用時(shí)序生產(chǎn)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的間接指標(biāo)獲取方法，基于歷史天氣數(shù)據(jù)和微電網(wǎng)運(yùn)行模型構(gòu)建了間接指標(biāo)計(jì)算流程。以指標(biāo)容許值為基準(zhǔn)將規(guī)劃方案映射到指標(biāo)空間，構(gòu)建了基于指標(biāo)空間距離的微電網(wǎng)性能評(píng)價(jià)判據(jù)。算例驗(yàn)證了本文方法的有效性。本文方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 指標(biāo)的獲取利用天氣數(shù)據(jù)和時(shí)序模擬技術(shù)，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可信，技術(shù)手段可操作，指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可靠。

2) 在指標(biāo)空間表征和評(píng)判規(guī)劃方案，使評(píng)價(jià)尺度具有一致性，評(píng)價(jià)結(jié)果具備可比性和可視化效果。

3) 指標(biāo)的狀態(tài)軌跡對(duì)調(diào)整規(guī)劃參數(shù)、提高規(guī)劃性能具有指導(dǎo)價(jià)值。同時(shí)，利用可行空間的劃分，可以表征規(guī)劃方案的性能等級(jí)。