基于改進(jìn)雷達(dá)圖的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)分析

張 蕊劉克城李安昌董靚媛

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.盾石磁能科技有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050011)

近年來(lái),我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布了《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020)》等促進(jìn)清潔能源消納的政策。各地新能源并網(wǎng)需求依然旺盛,并網(wǎng)訴求比較強(qiáng)烈,風(fēng)電場(chǎng)占電網(wǎng)裝機(jī)容量的比例不斷增加,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)性能對(duì)電力系統(tǒng)的影響日益受到人們的重視[1]。目前的風(fēng)電并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),僅僅局限在單一指標(biāo)評(píng)價(jià),沒(méi)有全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。因此,迫切需要建立一套客觀科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)性進(jìn)行評(píng)價(jià),促進(jìn)電網(wǎng)調(diào)度和風(fēng)電企業(yè)了解自身各項(xiàng)并網(wǎng)技術(shù)性能情況,改善并提高風(fēng)電場(chǎng)整體并網(wǎng)技術(shù)水平。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面,風(fēng)電運(yùn)行方式具有明顯的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性,僅憑發(fā)電量、利用小時(shí)等常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)難以揭示風(fēng)電全環(huán)節(jié)發(fā)電特性,本文建立了一套風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并通過(guò)一種改進(jìn)雷達(dá)圖法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

本文采用世界銀行及國(guó)家政府部門(mén)普遍采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(SMART 準(zhǔn)則)作為指標(biāo)體系的構(gòu)建原則。該準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)比較鮮明,易于做出評(píng)估。SMART 準(zhǔn)則包括五方面,分別是特定的(Specific),可測(cè)量的(Measurable),可得到的(Attainable),相關(guān)的(Relevant),可跟蹤的(Trackable)。

以SMART 準(zhǔn)則為基本原則,在建立風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí),各指標(biāo)的選取,一方面要盡可能全面的反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)性能,不能遺漏任一重要的指標(biāo);另一方面也要考慮到數(shù)據(jù)采集難度、計(jì)算量等實(shí)際情況,真正做到既不重復(fù)也不遺漏。因此,評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立需要滿足如下原則:與評(píng)價(jià)目的的一致性;直接的可測(cè)性、可比性;相互獨(dú)立性與整體的完備性等。

選出滿足條件的指標(biāo)后,分析各指標(biāo)之間的關(guān)系及重要程度,依據(jù)權(quán)重序列進(jìn)行指標(biāo)的選取。選擇權(quán)重較大的指標(biāo),舍去權(quán)重相對(duì)較小的指標(biāo)構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則,結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn),提出風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[2-5]。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)電并網(wǎng)的基本要求包括:有功功率控制及無(wú)功功率調(diào)控的合理性;具有一定的低/高電壓穿越能力;電能質(zhì)量滿足電網(wǎng)要求;設(shè)備運(yùn)行具有一定的可靠性;輸出功率預(yù)測(cè)達(dá)到一定精度。

綜合上述考慮,結(jié)合專(zhuān)家多方面意見(jiàn),確定如表1所示的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

表1 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括有功控制、無(wú)功調(diào)節(jié)、電壓穿越能力、電能質(zhì)量、運(yùn)行可靠性及功率預(yù)測(cè)6個(gè)二級(jí)指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)包含多項(xiàng)下屬指標(biāo),以從不同的角度加以量化。這6個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成一個(gè)整體,可有效評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目并網(wǎng)性能的優(yōu)劣。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)規(guī)范確定風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

3 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)實(shí)施步驟

3.1 改進(jìn)雷達(dá)圖法

雷達(dá)圖法是一種多變量圖形對(duì)比分析和綜合評(píng)估方法,它可以直觀、形象地展現(xiàn)出各評(píng)價(jià)對(duì)象的總體優(yōu)勢(shì)和各項(xiàng)指標(biāo)之間的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用雷達(dá)圖法進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí),對(duì)于數(shù)據(jù)越小越好的逆向指標(biāo)評(píng)價(jià)原則是雷達(dá)圖面積越大,表示該評(píng)估對(duì)象各指標(biāo)偏離標(biāo)準(zhǔn)值越大;當(dāng)面積一定時(shí),周長(zhǎng)越小,圖形越趨近于圓形,表示該對(duì)象的發(fā)展越協(xié)調(diào)。但對(duì)于同一評(píng)估對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo),各指標(biāo)間存在信息的共用問(wèn)題,且各指標(biāo)的排列順序不同,其面積周長(zhǎng)也會(huì)不同,易造成評(píng)估結(jié)果的不一致性。論文采用一種改進(jìn)雷達(dá)圖法。以層次分析法來(lái)確定雷達(dá)圖中各指標(biāo)軸間的夾角[8-9],然后以各指標(biāo)值作為扇形的半徑,畫(huà)出以扇形代替原來(lái)三角形的雷達(dá)圖。提取各扇形面積之和與各段弧長(zhǎng)之和作為特征向量,利用評(píng)價(jià)向量和評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[10]。評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)流程

下面說(shuō)明應(yīng)用該方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的具體過(guò)程。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的n個(gè)指標(biāo)用矩陣A表示。矩陣A中元素的值是以百分制的分值形式給出,無(wú)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,根據(jù)1~9 標(biāo)度法,得出n個(gè)指標(biāo)組成的判斷矩陣M=(Mij)n×n。從而求出各指標(biāo)權(quán)重,用向量W表示。

為了保證應(yīng)用層次分析法分析得到的結(jié)論合理,對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(2)畫(huà)出扇形雷達(dá)圖

由求得的指標(biāo)權(quán)重確定雷達(dá)圖扇形的夾角。計(jì)算n個(gè)指標(biāo)的扇形圓心角組成的向量α=2πW=[α1,α2,α3,…,αn]T。

對(duì)于第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,根據(jù)指標(biāo)值[αi1,αi2,αi3,…,αin]和對(duì)應(yīng)夾角[α1,α2,α3,…,αn]可畫(huà)出該種情況下風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能的改進(jìn)扇形雷達(dá)圖,即以αij為第j個(gè)指標(biāo)的扇形的半徑,以 為該扇形的圓心角,畫(huà)出由n個(gè)指標(biāo)的扇形所組成的改進(jìn)雷達(dá)圖,見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)雷達(dá)示意

3.3 綜合評(píng)價(jià)

(1)提取特征向量

求取特征向量μi=[Si,Li],i=1,2,…,m。其中

(2)構(gòu)造評(píng)價(jià)向量

構(gòu)造評(píng)價(jià)向量vi=[vi1,vi2],令S=max{Si|i=1,2,…,m},則

vi1數(shù)值越大表明風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能總體水平越高,反之越低;vi2的數(shù)值越大表明風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能的各方面均衡發(fā)展程度越好,反之越差。

(3)構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)并計(jì)算評(píng)價(jià)值

這里采用幾何平均數(shù)方法構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù),即:

計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能的評(píng)價(jià)函數(shù)值f(vi1,vi2)。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 算例分析

本文選用某省兩座風(fēng)電場(chǎng)為案例,應(yīng)用本文設(shè)定的指標(biāo)及對(duì)應(yīng)方法對(duì)兩座風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

所選兩座風(fēng)電場(chǎng)分別為風(fēng)電場(chǎng)A 和風(fēng)電場(chǎng)B,其中風(fēng)電場(chǎng)A 裝機(jī)總?cè)萘繛?0萬(wàn)k W,風(fēng)電場(chǎng)B裝機(jī)總?cè)萘繛?0萬(wàn)k W。

采用專(zhuān)家打分的方式分別對(duì)兩座風(fēng)電場(chǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)情況進(jìn)行打分,根據(jù)各指標(biāo)的重要性,求得判定矩陣,并根據(jù)判斷矩陣計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重W和扇形的圓心角α。得到的結(jié)果與兩座風(fēng)電場(chǎng)的專(zhuān)家打分結(jié)果如表2所示。經(jīng)檢驗(yàn),判斷矩陣具有滿意的一致性。

表2 權(quán)重、圓心角及專(zhuān)家打分結(jié)果

4.2 綜合評(píng)分及結(jié)果

根據(jù)公式(1)-(3),計(jì)算面積評(píng)價(jià)值、周長(zhǎng)評(píng)價(jià)值及評(píng)價(jià)函數(shù)的結(jié)果,如表3所示。

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果

由評(píng)價(jià)函數(shù)值可以看出,風(fēng)電場(chǎng)B 的面積系數(shù)v1和均衡度系數(shù)v2均大于風(fēng)電場(chǎng)A,說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)B的指標(biāo)更為優(yōu)秀,且指標(biāo)之間的發(fā)展更為均衡。滿分為100分,由兩種情景的評(píng)估值可知:風(fēng)電場(chǎng)A 并網(wǎng)性能總體得分為79.2分,風(fēng)電場(chǎng)B并網(wǎng)性能總體得分為85.7分。風(fēng)電場(chǎng)B 并網(wǎng)性能總體得分高于風(fēng)電場(chǎng)A,說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)B 總體并網(wǎng)性能更優(yōu)。

5 結(jié)論

從風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)特性出發(fā),并基于SMART 準(zhǔn)則,從有功控制、無(wú)功調(diào)節(jié)、電壓穿越能力、電能質(zhì)量、運(yùn)行可靠性及功率預(yù)測(cè)6個(gè)方面建立了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。選取某省兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)例,應(yīng)用該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并選用一種改進(jìn)雷達(dá)圖法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,構(gòu)建的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠較較全面有效地評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能的優(yōu)劣。