小型光伏的風(fēng)險評估方法與模型

石磊，張福生，石軍顯，張光躍

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

近年來，隨著我國對于光伏項目投入與宣傳的逐漸擴大，我國光伏產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展?，F(xiàn)今，個人已經(jīng)可以申請裝配分布式光伏系統(tǒng)，在滿足日常生活需要的同時，還可以幫助電力系統(tǒng)解決升壓和遠距離運輸中的損耗問題，為我國帶來了可觀的經(jīng)濟效益。但隨著各種類型的分布式電源在電網(wǎng)中的接入比例不斷提高，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和用戶負荷不斷增長，一方面，分布式電源接入的位置、安裝容量及類型適宜可以有效改善系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗、電壓分布和可靠性等；另一方面，若分布式電源未經(jīng)過合理地優(yōu)化配置,其接入配電網(wǎng)后不但會造成經(jīng)濟損失，還將會對系統(tǒng)的正常運行帶來電壓越限等風(fēng)險。因此，如何合理配置分布式電源以降低系統(tǒng)運行風(fēng)險、減小投資運行成本是保障配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的一個首要問題。該項目研究了大量小型分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的風(fēng)險評估方法及預(yù)防措施，提出了一種基于風(fēng)險評估和層次分析法的小型分布式光伏的風(fēng)險評估方法。

1 分布式光伏風(fēng)險評估模型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電項目的風(fēng)險評價的關(guān)鍵，就是在于建立一個全面科學(xué)的風(fēng)險評價指標體系，其目的就是為了希望能夠?qū)椖坑幸粋€有效的風(fēng)險評價，因為某些小型的光伏發(fā)電項目本身就會有很多的不確定性因素。所以在系統(tǒng)工程中，為了系統(tǒng)地分析出光伏發(fā)電項目風(fēng)險因素，提出了以Hall三維結(jié)構(gòu)為中心的小型光伏風(fēng)險評估模型。

1.1 霍爾的三維模型結(jié)構(gòu)

霍爾三維結(jié)構(gòu)是一個立體空間結(jié)構(gòu)，主要是由時間維、邏輯維和環(huán)境維組成的。以時間維度為基準點，將項目從開始到結(jié)束的各個過程進行分析；解決問題的邏輯過程是邏輯維度的中心，所以可以以此為核心，一般包括7個邏輯步驟，分別是明確問題、確定目標、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析、優(yōu)化、決策和實施；環(huán)境維度以各種風(fēng)險要素為核心。三者有機結(jié)合對于分析項目中的關(guān)鍵風(fēng)險點提供了巨大幫助。在光伏項目中以光伏發(fā)電項目的時間軸為主線，將項目分成不同的時期，每個時期再細分為各種關(guān)鍵點，找到各個不同時期面臨的主要風(fēng)險，進行綜合評價判斷，最后將不同階段的風(fēng)險特征進行綜合，以便科學(xué)系統(tǒng)地管理該項目。

以Hall三維結(jié)構(gòu)為中心的小型光伏風(fēng)險評估模型基本思路為：首先在以光伏發(fā)電項目的生命周期為主線的基礎(chǔ)上，把整個項目分割成不同的重要時期，并且進一步將每個時期分割為許多不同的關(guān)鍵點；之后必須明確在每一個不同的時期項目所面臨的主要風(fēng)險特征，并且同時需要判斷每個時期的風(fēng)險水平是否為項目投資者所能夠承受范圍的，之后進一步設(shè)定各個時期所希望達到的風(fēng)險管理目標；最后，根據(jù)整個項目在不同時期所面臨的風(fēng)險特征和所希望達到的風(fēng)險管理目標，設(shè)計出相應(yīng)的風(fēng)險管理方法或者模型，從而最終實現(xiàn)光伏發(fā)電項目風(fēng)險的系統(tǒng)化、動態(tài)化管理。

時間維度：小型光伏的整個生命周期較短，大致可以分為計劃期、建設(shè)期和運行維護期。

環(huán)境維度：光伏項目在實施時所面臨的各種環(huán)境因素，主要包括自然環(huán)境因素、社會環(huán)境因素和政策環(huán)境因素等等。

邏輯維度：光伏發(fā)電作為一個新興起的投資項目，其根本目的是收益的最大化，同時還包括成本的控制與減少、項目質(zhì)量達標以及安全問題。

按照上述模型進行風(fēng)險要素識別如表1所示。

表1 風(fēng)險要素識別表

2 基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的風(fēng)險評估模型研究

(1)層次分析法的判斷尺度:

按Ai對比要素Aj相對重要性的數(shù)量尺度建立判斷矩陣：

i因素比j因素絕對重要：標度9；

i因素比j因素重要很多：標度7；

i因素比j因素重要：標度5；

i因素比j因素稍微重要：標度3；

i因素比j因素一樣重要：標度1。

標度2，4，6，8表示重要性位于上述中間值。相反則為倒數(shù)。

(2)層次分析法的判斷矩陣

表2 判斷矩陣

以上層某一要素Ts作為判斷的基準，對下一層要素進行兩兩比對形成n階判斷矩陣。判斷矩陣中aij表示從判斷基準Ts的角度考慮Ai對Aj的相對重要性aij=Wi/Wj。其中aij>0，aij=1/aji，aii=1.

權(quán)重的判斷和計算：計算判斷矩陣A的特征向量W。首先確定矩陣A的特征向量W，然后歸一化處理，最后獲得該要素的相對重要度。

(1)

(2)

(3)

一致性判斷：因為系統(tǒng)的要素進行相對重要度的判斷會依賴于主觀的隱性知識，所以根本無法完全精確地判斷出Wi/Wj比值，只能對其進行估計，因此進一步進行相容性誤差分析的過程是不能忽略的。然而估計所產(chǎn)生的誤差最終會造成判斷矩陣A的特征值的有所偏移，所以以此為基礎(chǔ)定義了一個相容性的指標。

(4)

當矩陣A完全相容時，應(yīng)有λmax=n，若不相容時，則λmax

相容性指標為:

(5)

其中λmax為判斷矩陣A的最大特征根。

[AW]i表示矩陣[AW]的第i個分量。

定義一致性指標:

(6)

其中C.R.為隨機性指標。當一致時C.I.=0；不一致時則C.I.>0.C.R.表示矩陣最不一致的情況，就是對不同n階比較矩陣中的元素通過隨機取數(shù)賦值的方法將其進行大量子樣計算出一致性指標最終求出平均值。

表3 隨機性指標C.R.的數(shù)值

若一致性指標CR<0.10，則認為可以接受判斷矩陣的一致性，可以接受權(quán)重向量W。

計算綜合重要度并進行風(fēng)險排序：在計算出各分層要素對于上一級Ts的權(quán)重后，對所有項目風(fēng)險進行優(yōu)先級的排列，即從上往下依次求出隔層要素關(guān)于總體的綜合權(quán)重，其具體計算過程主要為：假設(shè)第2層為A層，其中有m個要素A1-Am，則它們相對于系統(tǒng)總體的權(quán)重為a1-am。假設(shè)第3層為B層，有n個要素B1-Bn，則它們相對于Aj的相對重要度為bj1-bjn。那么最終B層要素Bj的綜合重要度為:

(7)

下層j要素的綜合重要度是以上層要素的綜合重要度為權(quán)重的相對重要度的加權(quán)和。最后對所有權(quán)重值進行比較，得到各種風(fēng)險要素的權(quán)重排序。

建立風(fēng)險評語集：評語集是在項目中所有可能出現(xiàn)的評價的合集，是將量化的風(fēng)險精確地轉(zhuǎn)化成我們熟悉的語言并進行評估的分極，該研究把風(fēng)險分為5個等級，分別為很高、較高、一般、較低和很低，以此來建立風(fēng)險評語集。并以此來評價風(fēng)險。

建立單因素評價集：對各指標進行評價,確定評價矩陣。假設(shè)有N名專家對某因素集的各個指標進行評價，根據(jù)評價等級可以得到該因素集的評價矩陣，第2層次指標的綜合評價結(jié)果為其中為第2層各因素指標相對應(yīng)的權(quán)重向量。

3 實例分析

3.1 項目概要與指標權(quán)重的確定

選擇天津某個小型屋頂光伏案例進行分析：光伏總量為1 kW，由知名光伏企業(yè)提供多晶硅光伏板，安裝地點為70 m2屋頂與墻面。天津?qū)儆?類地區(qū)，具有良好的太陽能條件，整體太陽能資源豐富。同時具有降水不多、季風(fēng)顯著、地處濱海、溫度適宜和濕度較高的特點。發(fā)電效率估計損失包括組件匹配損失、最大功率點跟蹤精度損失、粉塵損失、不可利用太陽能輻射損失和溫度損失等，按照經(jīng)驗綜合效率為85%。計算直流輸電效率和交流并網(wǎng)總效率為80%，組件衰減預(yù)計第1年為1.25%，之后每年為0.7%。

光伏風(fēng)險模型分層如表4所示。

表4 光伏風(fēng)險要素分層模型

設(shè)計判斷矩陣為：

表5 設(shè)計判斷矩陣

進行一致性檢驗：得到

W=[0.188 6,0.060 9,0.111 5,0.445 9,0.192 9]

AW=[0.935 8,0.332 9,0.572 6,2.036 5,1.010 1]

λmax=5.07

CI=0.017 5

N=5.

R.=1.12

CR=0.015 6<0.1所以判斷矩陣A符合一致性檢驗，可以接受。

分層進行計算得到表6分層權(quán)重的表格：

表6 分層權(quán)重表格

3.2 基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的風(fēng)險評估綜合分析

風(fēng)險權(quán)重的設(shè)定：將風(fēng)險權(quán)重>0.3稱為很高風(fēng)險。0.3>權(quán)重>0.1稱為較高風(fēng)險。0.1>權(quán)重>0.05稱為一般風(fēng)險。0.05>權(quán)重>0.02稱為較低風(fēng)險。權(quán)重<0.02稱為很低風(fēng)險。對每個風(fēng)險要素進行評估，主要是依據(jù)風(fēng)險的劃分原則和綜合權(quán)重，如表7所示。

表7 風(fēng)險劃分與綜合權(quán)重表

由表7中的數(shù)據(jù)可以看出，政策風(fēng)險中的補貼風(fēng)險對光伏發(fā)電項目風(fēng)險最大，而自然風(fēng)險和社會風(fēng)險都會對小型光伏項目具有關(guān)鍵的作用，這些對于小型光伏的發(fā)展前景有著重要的作用，而其它風(fēng)險都具有一般的作用。

建立如表8所示單因素的評價集來進行項目的模糊評價：

表8 單因素評價集表格

評價結(jié)果評估：根據(jù)模糊層次理論法，綜合合成得到的權(quán)重和單因素評價集，得最終得出小型光伏的評價結(jié)果。

[安全，比較安全，一般安全，比較危險，危險]=[0.126,0.398,0.308,0.116,0.047]

該區(qū)域光伏項目屬于比較安全的風(fēng)險狀態(tài)，但是與一般安全的狀態(tài)較為接近。

4 結(jié)論

(1)光伏發(fā)電項目的評價分布為(0.126,0.398,0.308,0.116,0.047)，該項目整體處于比較安全的區(qū)域(0.398)但和一般安全的區(qū)域(0.308)相差不大。

(2)政策風(fēng)險中的補貼風(fēng)險對光伏發(fā)電項目來說屬于風(fēng)險最大的，然而目前政府對光伏發(fā)電項目的補貼對于項目來說是主要收益，這是一種不健康的光伏發(fā)展模式，所以近年來，政府的補貼力度都略有下調(diào)，在整改光伏行業(yè)現(xiàn)狀的同時，也意味著風(fēng)險的增加，故需要更加謹慎地對光伏項目進行評估分析。

(3)環(huán)境的穩(wěn)定性對于項目的發(fā)電能力起著決定性作用。自然環(huán)境因素對項目的風(fēng)險評估具有重要的影響，日照、地理氣象、晝夜變化等環(huán)境因素作為環(huán)境穩(wěn)定決定條件，因此良好的太陽光環(huán)境是小型光伏成功的基礎(chǔ)。