面向园区微电网的建设方向,逐步从“源-源”横向多能互补系统向“源-网-荷-储”纵向一体化的综合能源系统发展。首先分析了面向园区微电网的综合能源系统组成及其特点,考虑经济、可靠、能耗、环保4个方面的影响因素,建立了面向园区微电网的综合能源系统的指标评价模型。基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)-改进熵权法确定各项指标的权重赋值,建立VIKOR多准则评价体系。选取某园区作为算例进行灵敏度与比较分析,验证了基于AHP-改进熵权法的VIKOR多准则评价体系评价综合能源系统的正确性与合理性。
随着现代经济社会的发展与进步,丰富的能源资源与密集的负荷中心呈现逆向分布的态势日趋严峻。人类对于能源的需求量仍在逐年攀升,而传统的化石能源资源正在加速衰减,并且引起了日益严峻的环境污染问题。因此,传统的能源分供模式已无法满足社会需求,提高能源的综合利用效率、推进可再生能源规模化应用、促进可再生能源的消纳、协调能源利用与环境保护等问题的研究与解决迫在眉睫。目前,全球正掀起一场可再生能源的替代革命,逐步构建统一的全社会综合能源系统[1]。我国也正加速推进可再生新能源与传统的不可再生化石能源的协同互补发展,积极推进多能互补、新能源微电网示范项目朝着“源-网-荷-储”一体化的目标建设。
目前,国内外学者已经对综合能源系统的关键技术做出了一定的研究。在指标评价方面,文献[2]通过FORM法对综合能源系统进行可靠性评估,由供应失败率确定天然气的供应水平以及可再生能源的消纳水平。文献[3]通过超平面决策分析策略确定综合能源系统帕累托前沿的折衷方案,避免模糊综合评价不确定性的影响。郭艳飞提出了包含冷热电不同形态能源的区域综合能源系统㶲效率评价模型,消除了不同形态能量间量与质不统一的影响[4]。文献[5]计及天然气系统对可再生能源的消纳水平、天然气负荷受能率、削峰填谷等指标,评价考虑P2G的综合能源系统。郝然等人基于能源集散器,提出了多能分流层、能效优化层和机组分配层三层优化模型,选取热损、网损和天然气网压强偏移指标进行模糊综合决策[6]。夏永洪等人基于风光水储互补特性优化多能互补系统的电源配置,提出了以电力不足概率、互补特性、环境效益、上网收益为指标的微网经济运行评价体系[7]。董福贵等人提出了基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)-熵权法的指标权重赋值法,通过集对理论得到分布式能源系统方案的评价值进行评价分析[8]。曾鸣等人考虑了电源出力、负荷和系统设备的不确定性,提出可再生能源发电设备的能源利用效率模型[9]。因此,研究主要集中于综合能源系统的优化配置以及经济运行调度的研究,而对综合能源系统方案进行科学综合评价的研究较少。目前构建的评价指标基于技术经济、技术可靠性、环境效益等单一维度,研究对象主要是“源-源”横向互补的多能互补系统,尚未实现考虑能源耦合特性“源-网-荷-储”纵向互补综合能源系统的有效评价。
基于以上分析,本文综合考虑经济、可靠、能耗、环保4个方面的影响因素并建立各自独立的指标模型,基于主观与客观相结合的AHP-改进熵权法对评价指标权重进行赋值,通过多准则优化决策VIKOR建立综合能源系统的多目标决策模型,根据VIKOR的三项指标值以及4个影响因素对各个系统方案进行降序排列和分析评价。
2.1 综合能源系统的组成
综合能源系统是集成传统分供系统即电力系统、天然气系统、供热系统和广义储能系统的多能非线性耦合、多时间与空间尺度的源-网-荷-储一体化系统,通过多能互补,致力于实现能源的梯级高效利用,以及提高可再生能源的利用水平[12-14]。
综合能源系统是能源互联网落实到不同场景下的具体表现形式。根据不同地理环境和能源禀赋的差异性和特殊性,综合能源系统可以分为跨区级、区域级和用户级三类系统[15-16]。本文考虑的面向园区微电网的综合能源系统属于用户级综合能源系统,拥有完整的集中式冷热气电能源供给网络,通过分布式CCHP、空气源热泵等系统实现系统内部的电热耦合,并以微电网作为其终端能源供用与管理系统,配备辅助的混合储能设备参与系统的能量/功率调节,其终端用户面向园区内不同的用户部门,结构示意如图2所示。
图2 用户级综合能源系统结构示意图
本文以某园区的综合能源系统为研究对象,其所处地区年平均辐射强度为1500 kW · h/m2,平均风速为5m/s。园区占地约为960亩,其建筑面积约为57.5万m2,采光面积约为2万m2,用电负荷约为3.70 MW,热负荷约为2.90 MW,冷负荷约为 2.40 MW,系统用户年用电量约为4271.95 MW · h。对CCHP系统、光气互补、风气互补、风光气互补等系统进行评价比较,具体系统方案见附录表A2。
取园区可再生能源供电自给率不低于40%,银行贷款年利率为4.90%,项目还款年限为10年。假设外购电均来自燃煤火电厂,电网电价为0.64元/(kW · h),网损率为5%,能效比ξ为3。混合储能系统中磷酸铁锂容量为100 kW×2h、超级电容容量为100 kW×10 s和铅酸电池的容量为150 kW×1 h。其中,CCHP系统主要由600 kW燃气内燃机机组、300 kW燃气轮机机组和400 kW吸收式制冷机组构成,S1在此基础再装机300 kW燃气内燃机机组。选取该园区夏季某典型日,由Matlab拟和得到其日负荷曲线如图3所示。
假定因某故障导致系统于11:00与外电网断开,至12:00故障排除系统再次并网,这段时间的平均用电负荷为2952.8 kW,热负荷约为935.2 kW,冷负荷约为2192.1 kW。综上所述,由式(11)—(21)可以计算得到各能源系统方案的指标值详见附录表A3。
3.1 指标权重赋值
首先根据AHP法,通过8位专家的打分得到指标的判断矩阵,从而得到每个矩阵的特征向量即指标的权重,如附录表A4所示。
各专家评价矩阵的一致性比例CR均小于0.1,即通过一致性检验。根据专家权重
首先根据AHP法,通过8位专家的打分得到指标的判断矩阵,从而得到每个矩阵的特征向量即指标的权重,如附录表A4所示。
各专家评价矩阵的一致性比例CR均小于0.1,即通过一致性检验。根据专家权重
首先根据AHP法,通过8位专家的打分得到指标的判断矩阵,从而得到每个矩阵的特征向量即指标的权重,如附录表A4所示。
各专家评价矩阵的一致性比例CR均小于0.1,即通过一致性检验。根据专家权重
本文建立适用于用户级综合能源系统评价的指标模型体系,从4个维度对不同能源装置配比的系统进行综合评价,通过算例分析得到以下结论：
1）基于AHP-改进熵权法的VIKOR评价通过折衷技术方案的群体效用和个体指标偏差,可以客观、合理地选择用户级综合能源系统可替代技术方案,并且通过调整群体效用权重系数决定最佳决策的方向。
2）实现商业化运营时,优先考虑综合能源系统方案的成本和投资收益,在期望投资额内实现能源供给可靠、能源综合利用以及环境收益的最大化。
3）本文所提评价方法可为面向园区微电网的综合能源系统设计包括装机配置、储能配置提供参考意见。
