微网的成本效益分析.docx

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1、第31卷增刊中国电机工程学报V0131 Supplement Dec31，2021382021年12月31日Proceedings ofthe CSEE201 1 ChinSocfor ElecEng文章编号：02588013(2021)S-0038-07 中图分类号：TM 74 文献标志码：A 学科分类号：47040微网的本钱效益分析梁惠施1，程林2，苏剑1(1中国电力科学研究院，北京市海淀区100192； 2清华大学电机工程与应用电力电子技术系，北京市海淀区100084)Cost Benefit Analysis for MicrogridLIANG Huishil，CHENG Lin2，

2、SU Jianl(1China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China； 2DeptofElectrical Engineering，Tsinghua University,Haidian District，Beijing 100084，China)ABSTRACTA comprehensive benefit assessment model for 区电力系统开展的重要方向之一。然而，分布式电 microgrid from the perspective of the entire so

3、ciety,taking the 源出力和启停间歇性、随机性的特点，大大限制了 regular large coal power generation as reference object，was 其接入电网的容量。作为分布式电源并网的一种解proposed and the cost benefit of microgrid was analyzed in this 决方案，微网通过先进的控制系统将分布式电源、paperCase study on distributed generations and mierogrid test负荷和储能装置结合在一起，形成一个可控的单system sho

4、ws that when taking account of the comprehensivebenefit of fossil energy saving，pollution decrease and 元，它既可以与配电系统并网运行，也可以在配电 transmission system investment saving，microgrid Can be 系统发生故障时与配电网解列，以孤岛方式运行【l】。 economical in spite of its considerable constructive spending 微网改变了分布式电源“接入就遗忘(fit and forget

5、)Reliability requirement of local load and microgrid Iocanon 的管理模式，可以充分挖掘分布式能源为电网和用 have a significant impact on the reasonability of investment on 户所带来的价值和效益，并且逐渐被越来越多的人 microgridFor improving power supply reliability,or solving所关注。power supply problem for remote districts or city cbnters withhigh

6、spending of power system extensionmicrogrid is of great微网在节能降耗、减少污染、延缓输配电网建application value设投资、提高用户供电可靠性等方面都带来了良好KEY WORDS：microgrid；cost；comprehensive benefits的经济效益和社会效益。然而，将微网应用于实际电力系统中需要巨大的投资，投资是否具有经济性摘要：以常规大型燃煤发电为参照，从全社会的角度出发，取决于其综合效益能否大于投资。定量评估微网的提出了微网的综合效益评估模型，并对各类典型分布式电源和微网算例系统进行了本钱效益分析。计算结果

7、说明，虽然综合效益并对微网进行本钱效益分析，可以为微网 微网的建设投资本钱较高，但假设综合考虑微网在提高可靠 的投资决策提供科学依据，不管对微网技术本身的 性、节能降耗、保护环境、延缓输配网投资等方面的效益， 开展还是对电网建设的开展，都具有重要意义。 微网的投资可以是经济的。用户负荷的重要性程度和微网的目前公开发表的文献中，尚鲜见对微网的综合 建设地点对微网投资的合理性有着重要影响，对于提高重要效益进行全面量化的评估，只有少数学者对微网或用户供电可靠性，或者解决配电网扩容困难的中心城区和偏分布式电源某个或某几个方面的经济效益进行了远地区的供电问题而言，微网具有较大的应用价值。研究。文献【2】

8、建立了光伏发电和风力发电系统的随关键词：微网；本钱；综合效益机概率模型，并用模拟法评估了这2种可再生能源0引言电源的经济本钱和收益。文献3】从电力公司、用户随着化石能源的枯竭、减排呼声的日益高涨以 和分布式电源投资者三方的角度对微网的经济效 及用户对供电可靠性要求的提高，分布式发电 益进行了分析，在可靠性电价的机制下，微网的可 (distributed generation，DG)正在成为许多国家和地 靠性价值对不同的投资者有不同的评估方法。文，j万方数据增刊梁惠施等：微网的本钱效益分析 39献4】对微网热电联产的经济效益和环境效益进行 的分布式电源装机本钱差异较大，根据文献【56】的 了定性

9、分析。文献【5】应用财务分析方法研究了影响 数据，表l列出了集中式发电和一些分布式电源的 用户侧分布式发电经济性的相关因素，但并未提出 装机本钱。由表1可知，除了大容量的柴油发电机 有效的量化模型。之外，其余分布式电源的单位容量装机本钱均高于本文以常规大型燃煤发电为参照，从全社会的集中式发电，这是影响其经济性的一个重要因素。 角度出发，对微网在提高供电可靠性、节能降耗、 随着技术的进步，特别是可再生能源技术的开展， 减少污染、延缓输配网投资等方面的效益进行了定分布式电源的装机本钱有望大幅下降。 量评估，提出了微网的本钱效益分析方法和综合效 表l集中式发电和分布式发电的装机本钱比照 益评估模型。

10、最后对各类典型的分布式电源和微网Tab1 Installation spending comparison between 算例系统进行了本钱效益分析。centralized generation and distributed generation1微网的本钱效益分析方法本钱效益分析，通过比拟备选工程的全部预期 效益和全部预计本钱来评价备选工程，是一种从经 济角度分析的辅助规划决策方法。在讨论微网的综合效益时，由于其节能降耗、 减小环境污染、提高供电可靠性等效益是相对于传 统发电方式而言的，考虑到目前火力燃煤发电在中 国发电能源结构中占据主要地位，本文在评估微网 的综合效益时，将常规大型燃煤

11、发电作为参考。本文将微网综合效益定义为：在给用户供给同等容量注：表中ClIP为热电联产(combinedheatandpower)的简写 电能的条件下，相对于常规大型燃煤发电，微网所除了分布式电源之外，微网建设本钱还包括储 增加的社会效益和经济效益的总和。能装置的购置本钱。表2列出了几种储能类型的为了使本钱和效益具有可比的根底，微网本钱本钱【，J。 也应采取相同的参照物，以微网所增加的本钱来计表2各种储能方式的本钱比照 算。微网的本钱效益分析方程如下：Tab2 Cost comparison among storage typesG=VC(1)储能类型年化单位电量造价($(kW-h)式中：G为

12、微网的年化利润；y为微网相对于常规铅酸电池 25锂离子电池 120大型燃煤发电所增加的年收益；C为微网相对于常钠硫电池 85规大型燃煤发电所增加的本钱的等年值。所谓等年超导磁能2值是指假设干年内按年平均支付的费用。将货币从现超级碳极电容器 85在值折算到等年值的公式为低速飞轮系统 40高速飞轮系统 80，(1+，)“，、1AYV 2不了而1MuJ微网管理控制系统是微网建设本钱的另一个式中：Iyv为等年值：抽为工程的初期投资；n为 重要局部。微网管理控制系统的关键单元包括：1) 投资回收期；，为折现率，它是社会对资金时间价分布式电源、储能系统和负荷的控制器；2)整个 值的估量，与银行利率的概念类

13、似，世界银行采用微网的中央运行管理系统，解决电压控制、潮流控 的折现率为10，中国目前电力规划采用的折现率制、解列时的负荷分配、稳定及能量管理等问题； 一般为8。3)继电保护装置，包括电源及整个微网的保护设备；4)通讯系统，整个微网管理控制系统的信息2微网的建设本钱传递平台。微网管理控制系统的建设本钱根据其规 分布式电源是微网的重要组成局部。不同类型模、功能和性能的不同，以及所采用技术的成熟度万方数据40中国电机工程学报第31卷不同，差异很大。应同等电能和热能所节约的化石能源的价值。下文3微网的综合效益评估分别对可再生能源机组和热电联产机组的节能效益进行讨论。31微网综合效益评估模型 1)可再

14、生能源机组的节能效益。 微网的综合效益评估要考虑其可靠性效益、节可再生能源机组的节能效益在于其通过利用能效益、降损效益、环境效益和延缓输电网投资的可再生能源减小化石能源的消耗。可再生能源机组效益，评估模型为的节能效益l计算式为V=+(3)，H式中：矿为微网的年化综合效益；为可靠性效。=McPc，l-1益；瞻s为节能效益；玩R为降损效益；为环境 式中：坛为火电机组生产单位电能所消耗的煤炭 效益；VrD为延缓电网投资的效益。量；P。为煤炭价格；m为微网中可再生能源分布式 32可靠性效益电源的数量；日岛f为微网第i个可再生能源分布式微网通过先进的电力电子技术将分布式电源、电源的年总发电量。负荷和储能

15、装置集成在一起，既可以与配电系统并2)小型热电联产机组的节能效益。 网运行，也可以与配电系统解列后孤岛运行。在配小型热电联产(combined heat and power，cI-w) 电网发生停电时，微网可通过孤岛运行来保证对本是分布式能源利用的一种有效方式，它可以通过能 地负荷的供电，从而提高供电可靠性。 源的综合梯级利用，实现高达6080的效率【8】，从社会的角度来看，微网提高供电可靠性所带成为许多国家开发分布式能源的重要形式。 来的效益可用期望停电损失的减少来衡量。停电损小型热电联产往往采用天然气作燃料，天然气 失可以用期望缺供电量乘以电能中断损失率的价格一般高于煤炭价格，而热电联产可

16、以通过利 (interrupted energy assessment rate，IEAR)RmAR来计用发电废热提供附加热能来提高其经济性。热电联 算。电能中断损失率RIEAI【，定义为由于电网供电产机组的节能效益应等于其附加热能的价值减去 中断造成用户因得不到单位电量而引起的经济损相对火电发同等容量电能所增加的燃料本钱，计算 失，用以描述某一类或全社会用户每承受l kWh式为的电能中断所遭受的经济损失。常用的估算R蚴的方法包括产电比法、平均电价折算倍数法、用户2篝易一Ll叫Eop瓦,一Mcp。E,(6) 损失函数法等。微网的可靠性效益计算式为式中：最为热电联产机组的年发电量；，7为热效率，

17、即单位能量燃气所能被有效利用的能量；8为供热=。，口(厂叩。口一昂正避Q比，即供热能量与发电供热总能量的比值；吼为天式中：Q为微网内负荷的集合；，Q为配电网在负然气发热值；Pg为天然气价格；Pt为热价。34降损效益荷点Q的年均停电频率；，Q为配电网在负荷点Q由于分布式电源配置在负荷的附近，在送电过的平均停电持续时间；尸M为微网切换到孤岛的失败程中的电能损耗必然比远距离输送同等容量电能概率；死为微网内电源重启动的时间；PL为微网在的损耗要小。微网的降损效益与配电网的网架结孤岛运行期间所支撑的负荷的平均功率需求：RIEAR构、运行方式、集中式发电的输电距离、负荷及分为微网负荷的电能中断损失率。布式

18、电源的分布、容量等因素密切相关。分布式电33节能效益微网中往往采用可再生清洁能源，可以大大减源的降损效益计算式为少化石能源的消耗；另一方面，目前正在大力推广pk=三，i以(7)的热电联产，可以通过能源的综合利用，大大提高能源的利用效率。这里定义微网在电能生产环节中式中：三为降损率；厮，Gf为微网中第f个分布式电 的节能效益为：相对常规火电机组，分布式电源供源的年发电量；脚为微网中分布式电源的个数；P。万方数据增刊粱惠施等：微网的本钱效益分析 41为火电的上网电价。其中，降损率定义为微网等容量电能所减排的污染物的环境损失来衡量。微相对集中式发电输送单位容量电能所减少的网损。网的环境效益计算式为如

19、果认为分布式电源的输电损耗近似为零，那么三=(酽一酽)(8)即为集中式发电的网损率。j=li=i35环境效益式中：为第f项污染物减排的环境价值；意为污 在中国发电能源结构中，煤炭所占的比例最染物的种类：m为微网中分布式电源的个数；酽 大，提供了约80的电力。燃煤发电的污染物主要 为微网中第，个分布式电源第f项污染物的排放量；有S02、N瓴、C02、CO、粉煤灰等。大量燃煤电 酽为燃煤发电机组第f项污染物的排放量。 厂所带来的大气污染对人类赖以生存的环境产生36延缓电网投资的效益 了严重的影响和损害。分布式发电往往以天然气、微网的合理有序建设可以降低峰荷时配电系 轻质油或风力、太阳能等可再生清洁

20、能源为发电原统对电网输送容量的需求。对于配电网扩容困难的料，能大大减少污染物的排放，具有可观的环境价中心城区或者供电困难的偏远地区，电网公司假设能值。表3给出了燃煤机组和分布式发电的污染排放在电网规划阶段综合考虑微网在防止输配电阻塞数据【啦!0J。方面的作用，通过微网的有序建设，就可以满足部裘3各种发电技术的污染排放数据分负荷增长的需要，从而延缓电网建设投资。用VTDTab3 Pollution emission of different generation typesg(kW-表示延缓电网投资的价值，那么其计算式为P矗=(1-“)GqPD；(9)式中：cEPD为电网新扩建单位容量所需的投资

21、；PMo 为微网的装机容量；“为电网对微网的备用率。值得注意的是，上述是一种理想的情况。如果 在电网规划的时候没有考虑微网的因素，那么随着 微网的建设，相应的配电变压器和电缆线路可能会 因为负荷小而轻载，导致配电系统局部设备成为分 布式电源的备用设备，从而使这局部设备成为电网工程的环境效益，是指减排单位量污染物所避 的“漂浮本钱【5】。因此在电网规划时要充分考虑 免的“污染损失的价值量。污染所导致的损失包 微网的因素，并采取有效的措施引导微网的有序建 括2个方面【9】：一是环境的损失，包括由于过分消 设，使之和电网的规划开展相一致。耗自然资源所引起的生态环境破坏和污染所引起4算例的环境质量下降

22、；二是由于环境污染所引起的非环境方面的损失，如大气污染引起的农业损失、41 分布式电源在直接并网条件下的效益评估 有害物质引起的人体健康损害等。文献“】按照中本节对各类分布式电源在未组成微网、直接并 国目前的排污收费标准将由于环境污染所造成的网条件下的效益进行评估。 实际损失与每年排污收费的比值进行折算，估算 设光伏发电、风力发电、燃气轮机和CIIP燃出中国电力工业污染物减排的环境价值标准，如气轮机的装机本钱分别为40、10、066和表4所示。O75万枷。其他相关数据如表5所示。假设所微网的环境效益可以用相对燃煤发电生产同有设备寿命均为20a。折现率取8。表4电力行业污染物减排的环境价值标准分

23、布式电源的年发电量与其年发电利用小时 Tab4 Environmental value for 数直接相关，从而直接影响了分布式电源的各项效 pollutant reduction in power industry益。为了便于比拟，各类电源均按l 000h的年发电利用小时数计算，计算得到各类电源单位千瓦的成 本和各项效益，如表6所示。万方数据42中国电机工程学报第3l卷 表5评估分布式电源效益的相关数据济性较好，在风力资源或燃气资源丰富的情况下，Tab5 Relevant data for DG benefit assessment微网尽可能采用风力发电机或CHP燃气轮机能获参数数值得较好的

24、经济性。集中式发电的上网电价(Tu(kWh)4500 光伏发电本钱+风力发电效益一-3 500+光伏发电效益火电平均供电煤耗(g(kwh)lR+燃气轮机非(HP)效盏动力煤价格(Tr_dt)+燃t轮机(HP)教益天然气发热隹U(kJm5)罂2500燃气轮机燃气轮机非研瑚堋天然气价格“元m)荨l 500 风力发电本钱(HP)本钱fHPl本钱：=：f奢E三：jZ：三：=二Z-：二热价(YroJ)勉 500cI-IP的热效率舶l ooO3 ooo5 ooo7000CHP的供热比拈年发电利用小时数h 集中式发电的网损率，懈图1分布式电源效益与年利用小时数的关系表6分布式电源的本钱和效益(年利用小时数=

25、l 000 h) Fig1 Relationship of DG benefit and annual using hours Tab6 Cost and benefit of DG42微网的本钱效益分析(when annual using hours is 1 000 h)枷421算例系统采用图2所示的算例系统对微网的综合效益进 行评估。微网算例系统中包括3个分布式电源 (20 kWp光伏发电系统，30 kW小型风机，300 kW热电联产燃气轮机)和50kW2h锂离子蓄电池。表6中分布式电源的可靠性效益和延缓电网建 设的效益均为零。根据国内外现有的分布式电源并 网标准，当电网发生故障时。分布

26、式电源必须马上 退出运行【12-131，这就大大限制了分布式电源提高供 电可靠性的效用，在这种限制下可认为分布式电源 的可靠性效益为零。另一方面，在分布式电源直接 并网的情况下，其启停和出力不受电网控制，电网必须对其全部容量提供备用，因此其电网缓建效益图2微网算例系统示意图也为零。Fig2 Microgrid test system分布式电源的效益和年发电利用小时数直接 假设微网控制系统的建设本钱为30万元，年 相关。光伏发电和风力发电的运行效率与当地光照 运行维护费用为08万元。电网对微网的备用率为 条件和风能资源密切相关，通常其年发电利用小时 30。假设配电网的年均停电频率为0408次a，

27、平 数分别在10002000h和10003000h范围内。燃 均停电持续时间为922 h，微网切换到孤岛的失败 气轮机的年发电利用小时数一般在6500h以内。各 概率为10，电源重启动的时间为5 min，微网在 类分布式电源在其各自利用小时数范围内的年化 孤岛运行期间所支撑的负荷平均功率为280kW。假 效益如图1所示。设微网负荷电能中断损失率RIEAR为42元“kw-h)，从图l可以看出：当风力发电机和CHP燃气 电网扩建本钱岛PD为2600元kW。 轮机的年发电利用小时数分别超过2 693和6 316 h储能装置的应用和合理的控制策略能提高分 时，其综合效益大于本钱；而光伏发电和非CHP布

28、式能源的利用效率，假设微网中光伏发电、风电 燃气轮机在其各自利用小时数范围内的综合效益和CHP燃气轮机的年发电利用小时数分别为 均小于本钱。可见，CHP燃气轮机和风力发电的经 1500、3000和6500h。t万方数据增刊梁惠施等：微网的本钱效益分析 43由表7可知，虽然微网的建设投资本钱较高， 户负荷的重要性程度和微网的建设地点对微网投 但假设从全社会的角度出发，综合考虑微网在提高可 资的合理性有着重要影响。在同样电源配置的情况 靠性、节能降耗、保护环境、延缓输配网投资等方 下，微网用户负荷的重要性程度越高、电网扩建单 面的效益，微网的投资可以是经济的。微网的开展 位容量本钱越高，微网的经济

29、性就越显著。因此，不能依靠用户或电网公司单方面的力量，政府应制对于提高重要用户(如银行、医院、钢铁企业等)的 定合理的市场规那么、采取必要的措施，联合各利益供电可靠性，或者解决电网新扩建本钱较高地区(如 相关方的力量，才能推动微网的健康开展。负荷密集且配电网扩容困难的中心城区、偏远农 表7微网本钱和综合效益评估结果村、孤立海岛等)的供电问题而言，微网具有较大的Tab7 Microgrid cost and benefit assessment result 7YTra应用价值。建设本钱年化综可靠性效节能降损环境缓建电网5结论量笙篁鱼鍪垄箜鳖塾垄竖墼堇坚塾笪堕塾笪堕!：!：!：竺!：!：!：!：

30、竺!：竺本文以常规大型燃煤发电为参照，从全社会的 422微网综合效益的灵敏度分析 角度出发，对微网在提高可靠性、节能降耗、保护 为了分析微网综合效益对用户负荷的重要性环境、延缓输配网投资等方面的效益进行了定量评 程度和电网扩建本钱的灵敏度，分别令微网内负荷估，提出了微网的综合效益评估模型。通过对各类的电能中断损失率尺mAR和电网扩建单位容量本钱典型分布式电源和微网算例系统的本钱效益分析， CEPD取不同值，计算得到微网的综合效益，其关系得出以下结论：曲线分别如图3、4所示。1)CHP燃气轮机和风力发电的经济性较好，在风力资源或燃气资源丰富的情况下，微网尽可能茬采用风力发电机或CHP燃气轮机，能

31、获得较好的娶经济性。黎2)微网的建设投资本钱较高，但假设从全社会鑫的角度出发，综合考虑微网在提高可靠性、节能降 30405060 耗、保护环境、延缓输配网投资等方面的效益，微 本地负荷的电能中断损失，(莉(kwh网的投资可以是经济的。微网的开展需要依靠各利图3微网综合效益与1EAR的关系(取Gm_2 500元，kW)益相关方的共同推动。Fig3 Relationship of microgrid benefit and IEAR3)在同样电源配置的情况下，微网用户负荷的重要性程度越高、电网扩建单位容量本钱越高，萋40微网的经济性就越显著。对于提高重要用户供电可R靠性，或者解决配电网扩容困难的中

32、心城区和偏远￥黎36地区的供电问题而言，微网具有较大的应用价值。d强32参考文献【1】鲁宗相，王彩霞，闵勇，等微电网研究综述叨电力图4微网综合效益与Gm的关系(取Rwwz-40元，oCWh)系统自动化，2007，31(19),100-105Fig4 Relationship of microgrid benefit and CewLu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et a1Overview由图3、4可知，微网的综合效益随着微网负on microgfid researchJAutomation of Electric Power荷电能中断损失率RE和电网扩建单位

33、容量本钱Systems,2007,31(19)：100-105(in Chinese)国D的增加而线性增加。在C毛m取2500元kW的【2】Tsikalakis A G，Hatziargyriou N DFinancial Evaluafionof renewable energy source production in microgrids情况下，当R斑AX-43元(kWh)时，微网的综合效益markets using probabilistic analysisJPower Tech,正好抵消其建设本钱：同样地，在RmAR取40元2005：17(kWh)的情况下，当CEPD=2 625元

34、kW时，微网的【3】Moises C P，Matos，Manuel AEconomic analysis of综合效益也能正好抵消其建设本钱。这说明微网用microgrids including reliability aspectsCProbabilisfic万方数据中国电机工程学报第3I卷Methods Applied to Power SystemsStockholm：IEEE，differentpowerplantsJEnergyEngineering，2004(3)：2006：1823-269(io Chinese)【4】Pudjianto D，Strbec Ginvestigati

35、on of regulatory，10Greene N，Hammerschlag RSmall and clean is beautiful： commercial，ecoilomic and environmental issues inexploring the emissions of distributed genermion end micro鲥dsCFuture Power Systems-2005 Internationalpollution prevention policiesJElectricity Journal，2000， ConferenceAmsterdam：IEE

36、E，2005：613(5)：50-60【5】胡骅，徐冲，吴汕，等影响用户侧分布式发电经济性 【11】魏学好，周浩中国火力发电行业减排污染物的环境价 因素分析阴电力自动化设备，2021，28(5)：29-33值标准估算岍环境科学研究，2003，16(1)：5356Hu Hua，Xu Chong，WU Shan，et a1Analysis offactorsWei Xuehao。Zhou HaOEvaluating the environmentalinfluencingeconomy of customer-side distributedvalue schedule of pollutant

37、S mitigated in china thermal generationJElectric Power Automation Equipment，power industry叨Research ofEnvironmental Sciencest 2021，28(5)：2933(in Chinese) 2003，16(1)：53-56(in Chinese)6】焦树建关于电厂发电本钱计算方法的探讨啪燃气轮【12】Institute of Electrical end Electronics Engineers IEEE机技术，2000，13(3)：7-10 1547-2003 Standa

38、rdfor interconnecting distributad Jiao ShujianDiscussion on method of generation costrcsourceswith electricpower systemsS2003 calculationJGas Turbine Technology，2000，13(3)：【13】国家电网公司QGDW480-2021分布式电源接入电网 7-10(in Chinese) 技术规定【s1北京：中国电力出版社，2021【7】程华，徐政分布式发电中的储能技术【J】高压电器，State Grid Coqoomtion of China

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