基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量研究

趙玉林，周 航，王余陽(yáng)，李藍(lán)青，魏 聰，王子博，莊 鎖

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京郵電大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)分公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)的提出，促進(jìn)了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)模的大幅增長(zhǎng)。風(fēng)電是一種輸出不可控、難以預(yù)測(cè)的資源[1]，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)可能對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量研究的重要性也日益凸顯[2]，[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)以及電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]，[5]研究了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并提出風(fēng)電并網(wǎng)后的電能質(zhì)量計(jì)算方法，為進(jìn)一步量化評(píng)估風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量提供參考。在電能質(zhì)量評(píng)估問(wèn)題上，文獻(xiàn)[6]提出了基于層次分析法的分布式電源電壓支撐能力評(píng)估方法，由于依靠專家經(jīng)驗(yàn)打分，該方法應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估時(shí)容易出現(xiàn)主觀性過(guò)強(qiáng)，忽略客觀數(shù)據(jù)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與事實(shí)不符的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]～[10]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、基于組合賦權(quán)TOPSIS法、基于有序加權(quán)平均算子方法、基于改進(jìn)層次分析法等電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法，這些方法對(duì)于電能質(zhì)量評(píng)估具有重要價(jià)值。然而，由于風(fēng)力發(fā)電自身特性的問(wèn)題，這些方法應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估時(shí)均存在待完善的地方。文獻(xiàn)[11]提出基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法，該方法能夠有效評(píng)估分布式電源電能質(zhì)量，但客觀數(shù)據(jù)較少時(shí)該方法評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性不足。文獻(xiàn)[12]～[15]提出了改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)投影法、基于突變決策的綜合評(píng)估法、主客觀變異系數(shù)組合賦權(quán)綜合評(píng)估法、加權(quán)秩和比法的電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法，在進(jìn)行分布式能源并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估上具有較好效果。由于評(píng)估指標(biāo)采用通用評(píng)估指標(biāo)，未根據(jù)評(píng)估對(duì)象特性選取對(duì)應(yīng)指標(biāo)，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不夠貼合風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法。該方法采用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)主、客觀權(quán)重，并組合得到綜合權(quán)重，能夠有效避免單一權(quán)重造成的評(píng)估誤差。針對(duì)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)存在一定的模糊性問(wèn)題，使用模糊綜合評(píng)判法增強(qiáng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，提升風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性。最后通過(guò)實(shí)例進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估，驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估總體思路框架

基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估總體框架如圖1所示。

圖1 基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估框架圖Fig.1 Comprehensive evaluation frame diagram of power quality of wind power integrated system based on fuzzy compre-hensive evaluation

首先對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行梳理；其次，分析風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行特性以及風(fēng)電并網(wǎng)后引起的電能質(zhì)量問(wèn)題，根據(jù)分析結(jié)果提出風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；再次，提出了基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，分別使用熵權(quán)法及層次分析法計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重與主觀權(quán)重，結(jié)合主客觀權(quán)重計(jì)算綜合權(quán)重以降低權(quán)值偏差，使用綜合權(quán)重及模糊算子對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行模糊綜合評(píng)估；最后選取5個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)變電站母線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證所提方法的合理性與有效性。

1.2 電能質(zhì)量指標(biāo)

隨著電網(wǎng)中接入對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備的增多，對(duì)電能質(zhì)量要求也越來(lái)越高。電能的理想狀態(tài)是完美對(duì)稱的正弦波，然而隨著電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)及非線性電力電子設(shè)備的接入，電能波形相較于對(duì)稱正弦波出現(xiàn)偏差，也就出現(xiàn)了電能質(zhì)量問(wèn)題。廣義上的電能質(zhì)量問(wèn)題是指導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率問(wèn)題。

實(shí)際應(yīng)用中通常從電壓、頻率、波形3個(gè)方面來(lái)衡量電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣，依此可按圖2劃分電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.2 Power quality evaluation index

由于不同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成器件不同，電能質(zhì)量指標(biāo)也具有一定的差異性，因此評(píng)價(jià)不同系統(tǒng)電能質(zhì)量應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇相應(yīng)的電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 風(fēng)電并網(wǎng)特點(diǎn)及其對(duì)電能質(zhì)量的影響

風(fēng)力發(fā)電指通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，因此風(fēng)力發(fā)電輸出功率與風(fēng)速的立方成正相關(guān)，風(fēng)力資源的不確定性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率具有較大的隨機(jī)性、波動(dòng)性及間歇性。

風(fēng)機(jī)輸出電能通過(guò)電力電子變流器將不穩(wěn)定的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為滿足并網(wǎng)要求的電能，并入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源消納，這一過(guò)程中電力電子變流器及控制模式的選擇對(duì)輸出電能有著巨大影響。目前電力電子變流器控制模式分為跟網(wǎng)型和構(gòu)網(wǎng)型，跟網(wǎng)型采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)與交流電網(wǎng)同步，構(gòu)網(wǎng)型則采用功率控制實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)同步。風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)對(duì)象上分為并入交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)兩種，不同的并網(wǎng)控制方法及并網(wǎng)對(duì)象會(huì)導(dǎo)致不同的電能質(zhì)量問(wèn)題。由于目前構(gòu)網(wǎng)型控制以及風(fēng)電場(chǎng)直流并網(wǎng)依舊處于研究階段，在實(shí)際應(yīng)用中多采用跟網(wǎng)型交流并網(wǎng)，因此本文主要針對(duì)跟網(wǎng)型交流并網(wǎng)場(chǎng)景下的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量問(wèn)題研究。

風(fēng)速變化、風(fēng)機(jī)投切、湍流等因素可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出電壓發(fā)生改變，進(jìn)而出現(xiàn)電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變等問(wèn)題。變速風(fēng)電機(jī)組中含有大量非線性電力電子器件，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)也需要電力電子器件的參與，非線性電力電子器件的使用會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波注入問(wèn)題。即使對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制調(diào)節(jié)也難以避免風(fēng)電機(jī)組輸出電能波動(dòng)，而這些微小的電能波動(dòng)可能導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量水平。隨著可再生能源大力發(fā)展，風(fēng)電規(guī)模大幅增長(zhǎng)，風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例也相應(yīng)提高，風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。

1.4 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)

電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，且各指標(biāo)的選取與計(jì)算流程復(fù)雜繁瑣。由于目前現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)多為跟網(wǎng)型交流并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組，針對(duì)該場(chǎng)景下的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性及并網(wǎng)特點(diǎn)，選取對(duì)應(yīng)的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)分析，得到如下的評(píng)估指標(biāo)。

①電壓偏差

系統(tǒng)無(wú)功功率的不平衡是導(dǎo)致電壓偏差問(wèn)題的主要原因。風(fēng)機(jī)并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)的沖擊電流，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率以及運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)機(jī)消耗無(wú)功功率，都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低；風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)時(shí)，用以調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備會(huì)引起電網(wǎng)電壓的上升，進(jìn)而產(chǎn)生電壓偏差問(wèn)題。

電壓偏差過(guò)大會(huì)影響電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電氣設(shè)備可能由于過(guò)電壓或者過(guò)電流而損壞。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓低于額定電壓時(shí)，輸電線路的功率極限大幅度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率失穩(wěn)，因此風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓偏差問(wèn)題不容忽視。

②電壓波動(dòng)與電壓閃變

風(fēng)力資源的波動(dòng)性及風(fēng)電機(jī)組的固有特性可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)電壓閃變現(xiàn)象。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率變化，功率的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)電能出現(xiàn)電壓波動(dòng)與電壓閃變問(wèn)題。

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力變化會(huì)引起機(jī)組輸出功率變化，由于出口電壓一定，會(huì)出現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流變化，最終導(dǎo)致電壓的波動(dòng)和閃變問(wèn)題。電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題不僅會(huì)出現(xiàn)在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生在啟動(dòng)、停止和切機(jī)階段。電壓波動(dòng)以及電壓閃變會(huì)加速設(shè)備絕緣的老化，縮短設(shè)備壽命，增加電網(wǎng)損耗，不利于電網(wǎng)安全運(yùn)行。

③諧波

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身產(chǎn)生的諧波很小，可以忽略不計(jì)，但由于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程需要電力電子器件的參與，接入電力電子器件之類的非線性設(shè)備會(huì)帶來(lái)較嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。

在定速風(fēng)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，電力電子器件處于停機(jī)狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生諧波；定速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)電力電子器件連接電網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生短時(shí)諧波，由于時(shí)間短可以忽略，因此定速風(fēng)電機(jī)組的諧波問(wèn)題可以忽略不計(jì)。然而變速恒頻風(fēng)電機(jī)組由于采用大量非線性電力電子器件，在運(yùn)行時(shí)變頻器、變流器也處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)形成諧波。機(jī)組中用來(lái)補(bǔ)償機(jī)組功率因數(shù)而并聯(lián)的補(bǔ)償電容器可能與系統(tǒng)電抗發(fā)生諧振，加劇諧波問(wèn)題。諧波會(huì)導(dǎo)致輸電線路損耗、用電設(shè)備過(guò)熱、附加損耗增加，降低設(shè)備的效率和耐久性。

④三相不平衡

若風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)三相電壓不平衡的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)流、不對(duì)稱運(yùn)行等問(wèn)題。過(guò)高的某一相的電壓會(huì)加速風(fēng)機(jī)磨損，縮短風(fēng)機(jī)使用壽命。此外還會(huì)加劇風(fēng)機(jī)鐵芯發(fā)熱情況，損害其絕緣水平，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)燒毀、擊穿等故障。因此在評(píng)估風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，考慮風(fēng)電并網(wǎng)后的三相不平衡問(wèn)題是十分必要的。

隨著并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，波形失真、頻率偏移、電磁暫態(tài)等電能質(zhì)量問(wèn)題得到了較好控制，在風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)概率較低，因此不予考慮。綜上，選取電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、三相不平衡5個(gè)指標(biāo)，建立風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖3所示。

圖3 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.3 Power quality evaluation index of wind power integrated system

2 基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量量化評(píng)估

2.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)處理與隸屬函數(shù)

進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，首先應(yīng)確定因素集U以及評(píng)語(yǔ)集V[16]。通過(guò)分析，選取風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)為電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、三相不平衡，由此獲得因素集U：[U1（電壓偏差），U2（電壓波動(dòng)），U3（電壓閃變），U4（諧波），U5（三相不平衡）]。

將電能質(zhì)量劃分為5個(gè)不同的等級(jí)，構(gòu)成五級(jí)模糊評(píng)判集V：[V1（電能質(zhì)量好），V2（電能質(zhì)量較好），V3（電能質(zhì)量一般），V4（電能質(zhì)量較差），V5（電能質(zhì)量差）]。

通過(guò)模糊評(píng)判集量化評(píng)估指標(biāo)，得到風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣等級(jí)量化分級(jí)結(jié)果，如表1所示。

表1 風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果量化分級(jí)Table 1 Quantitative grading table of wind power integrated power quality evaluation results

根據(jù)表1得到評(píng)語(yǔ)集V：[95，85，75，55，40]。然后對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，對(duì)于本文選取的風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)而言，數(shù)據(jù)越小代表電能質(zhì)量越優(yōu)。對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理后為

式中：xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，i=1，…，m，j=1，…，n；max（xj），min（xj）分別為同一電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)下不同對(duì)象的最大與最小值，無(wú)量綱化處理后得到評(píng)判指標(biāo)矩陣Y。

評(píng)判指標(biāo)矩陣中，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的不同評(píng)語(yǔ)的隸屬度可以通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)計(jì)算，采用Gauss型隸屬函數(shù)f（y）為

式中：y為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；σ，c為Gauss隸屬函數(shù)的2個(gè)參數(shù)，σ取0.3；c為隸屬函數(shù)的中心位置，采取5個(gè)c值：c1=1，c2=0.75，c3=0.5，c4=0.25，c5=0，以保證每個(gè)指標(biāo)具有5個(gè)評(píng)語(yǔ)隸屬度。

將參數(shù)σ和c代入式（2），得到5個(gè)評(píng)判集對(duì)應(yīng)的隸屬度計(jì)算式。將評(píng)判指標(biāo)矩陣Y中的指標(biāo)yij分別代入到5個(gè)評(píng)判等級(jí)的隸屬函數(shù)中，計(jì)算指標(biāo)yij對(duì)評(píng)判等級(jí)Vk的隸屬度f(wàn)Vk（yij）（k=1，2，…5；j=1，2，…n），進(jìn)一步得到評(píng)判矩陣F為

2.2 權(quán)重計(jì)算方法

2.2.1客觀權(quán)重計(jì)算方法

熵權(quán)法按照各指標(biāo)傳遞給決策者的信息量大小來(lái)分配權(quán)重，是一種客觀的賦權(quán)法[17]。當(dāng)某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在系統(tǒng)中作用較小時(shí)，其信息熵權(quán)也較小，相較于其他指標(biāo)對(duì)于決策產(chǎn)生的影響也較小。熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重具體步驟如下。

①對(duì)評(píng)判指標(biāo)矩陣Y進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，針對(duì)傳統(tǒng)熵權(quán)法存在pij=0，導(dǎo)致pij無(wú)意義的情況，本文采用式（4）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

②分別求取各風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵Ej。

③計(jì)算每個(gè)風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵權(quán)重ωj，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重ω=[ω1ω2…ωn]。

2.2.2主觀權(quán)重計(jì)算方法

層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種能夠合理地將定性與定量的決策結(jié)合起來(lái)的主觀賦權(quán)法[18]。該方法根據(jù)專家主觀經(jīng)驗(yàn)以及評(píng)估需求將評(píng)判因素組成判斷矩陣，用以計(jì)算權(quán)重。采用層次分析法計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重的步驟可分為以下3步。

①建立判斷矩陣。對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性兩兩比較，根據(jù)專家意見，使用如表2所示的九標(biāo)度法對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較打分，構(gòu)造判斷矩陣A。

表2 九標(biāo)度法各標(biāo)度值意義Table 2 Significance of each scale value of nine scale method

②計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行按列歸一化處理，使用算術(shù)平均法求權(quán)重，獲得風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重θ。

式中：n為判斷矩陣階數(shù),即風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；aij為判斷矩陣A中第i行第j列專家評(píng)分；a*ij為aij對(duì)應(yīng)位置歸一化后的值；θi為第i個(gè)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重值。

③計(jì)算排序權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。首先計(jì)算最大特征值λmax，并進(jìn)一步計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷矩陣一致性指標(biāo)CI，通過(guò)查表獲得判斷矩陣的平均一致性指標(biāo)RI。結(jié)合CI與RI計(jì)算一致性比率CR。

若計(jì)算得到的一致性比率滿足CR＜0.1，則判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣A與主觀權(quán)重向量θ合理；否則需要重新對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)造新的判斷矩陣A，直到通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.2.3綜合權(quán)重計(jì)算方法

針對(duì)熵權(quán)法客觀性過(guò)強(qiáng)使得評(píng)估指標(biāo)在反應(yīng)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題重要程度上不夠貼合實(shí)際的問(wèn)題，以及層次分析法的主觀性過(guò)強(qiáng)缺乏客觀依據(jù)問(wèn)題，結(jié)合熵權(quán)法以及層次分析法計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重λ為

式中：θ為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重值；ω為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重值。

2.3 基于模糊綜合評(píng)判的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估流程

式中：bi（Vk）為每個(gè)電能質(zhì)量指標(biāo)相對(duì)評(píng)語(yǔ)Vk的隸屬度。

最后量化計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)果，評(píng)估結(jié)果量化計(jì)算方法為

根據(jù)計(jì)算得到電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果，與表2風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果量化分級(jí)區(qū)間對(duì)應(yīng)，得到風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣評(píng)語(yǔ)。

3 實(shí)例分析

在本文實(shí)例分析中，選取了國(guó)內(nèi)5個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)，其中，風(fēng)電場(chǎng)2，4為內(nèi)陸風(fēng)場(chǎng)，1，5為沿海風(fēng)場(chǎng)，3為海島風(fēng)場(chǎng)[10]。5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Topological structure diagram of wind farm

結(jié)合本文對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的分析及選取的評(píng)估指標(biāo)，采用5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)某時(shí)間段的母線節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析，5處監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量初始數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量初始數(shù)據(jù)Table 3 Initial power quality data of monitoring points

隨著并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，波形失真、頻率偏移等電能質(zhì)量問(wèn)題可以忽略。本文選取電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、三相不平衡5個(gè)指標(biāo)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估。

3.1 綜合權(quán)重計(jì)算

①基于熵權(quán)法求取客觀權(quán)重

由表3可得初始數(shù)據(jù)矩陣X，并使用式（1）對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，得到風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)判指標(biāo)矩陣Y：

通過(guò)式（4）對(duì)評(píng)判指標(biāo)矩陣Y進(jìn)行處理，得到矩陣P：

計(jì)算各風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵，得到信息熵向量Ej：

最后對(duì)信息熵向量Ej進(jìn)行單位化處理，得到客觀權(quán)重ω：

②基于層次分析法求取主觀權(quán)重

通過(guò)專家對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性評(píng)估，得到專家評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，如表4所示。

表4 專家九標(biāo)度法評(píng)分Table 4 Expert nine scale method score

由表4得到判斷矩陣A：

進(jìn)行求和歸一化處理，得到主觀權(quán)重θ：θ=[0.474 1 0.194 5 0.092 6 0.061 6 0.177 1]

對(duì)得到的主觀權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

使用式（8）計(jì)算結(jié)果，得到最大特征值λmax=5.068 9以及判斷矩陣CI=0.017 2。通過(guò)查表獲得五階判斷矩陣RI=1.12，進(jìn)一步計(jì)算得到CR=0.015 4＜0.10，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣A與主觀權(quán)重θ合理。

③綜合權(quán)重計(jì)算

通過(guò)式（9）求得綜合權(quán)重λ：

由計(jì)算得到的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)電評(píng)估指標(biāo)的綜合權(quán)重可見，電壓偏差所占權(quán)重最高，達(dá)到0.4881。結(jié)合表3，可以確定電壓偏差在風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響最大。因此在風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中建議優(yōu)先考慮電壓偏差問(wèn)題。

3.2 綜合評(píng)估分析

基于表3數(shù)據(jù)對(duì)5處監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)估。首先將評(píng)判指標(biāo)矩陣Y監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)代入式（3），計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的評(píng)判矩陣F1為

接著采用加權(quán)平均型模糊綜合算子進(jìn)行總體評(píng)估：

最后由式（12）計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)1模糊評(píng)判分?jǐn)?shù)Z1=70.633 9。

同理，得到其他4條線路模糊評(píng)判分?jǐn)?shù)：（72.126 4 71.889 0 53.217 3 85.106 1 56.983 9），由5處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)估結(jié)果可以得到電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣排序：監(jiān)測(cè)點(diǎn)4＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)1＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)2＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)5＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)3。

3.3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，使用基于突變決策的綜合評(píng)估法、主客觀變異系數(shù)組合賦權(quán)綜合評(píng)估法以及加權(quán)秩和比法[13]～[15]，對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表5所示。

表5 不同評(píng)估方法對(duì)表3 數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)果Table 5 Different evaluation methods for table 3 data evaluation results

由表5所知：本文方法評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)[13]，[14]方法評(píng)估結(jié)果一致；與文獻(xiàn)[15]評(píng)估結(jié)果相比，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的評(píng)估上存在差別。這是因?yàn)楸疚姆治鲲L(fēng)電并網(wǎng)特性后選取的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)相較于文獻(xiàn)[13]～[15]，排除了頻率偏差因素。在排除頻率偏差因素后，評(píng)估結(jié)果為監(jiān)測(cè)點(diǎn)5電能質(zhì)量好于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，符合數(shù)據(jù)實(shí)際情況。在基于層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重過(guò)程中，專家認(rèn)為電壓偏差問(wèn)題較其他電能質(zhì)量問(wèn)題更為頻繁且較難控制；由客觀權(quán)重可知，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相不平衡問(wèn)題差異較大，可對(duì)問(wèn)題嚴(yán)重線路進(jìn)行專項(xiàng)治理，提升電能質(zhì)量；根據(jù)表3中原始數(shù)據(jù)可知，電壓偏差問(wèn)題較其他問(wèn)題更為嚴(yán)重，因此電壓偏差指標(biāo)重要性高于其他指標(biāo)，在權(quán)重中占比更大。本文評(píng)估結(jié)果：監(jiān)測(cè)點(diǎn)4＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)1＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)2＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)5＞監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，符合實(shí)際情況。

基于突變決策的綜合評(píng)估法不需要計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，直接采用指標(biāo)重要性排序均值，難以體現(xiàn)重要指標(biāo)在評(píng)估中的價(jià)值。加權(quán)秩和比法在秩代換過(guò)程中存在信息損失，且采用單一客觀權(quán)重忽視了專家、用戶、運(yùn)維工程人員經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不夠貼合實(shí)際。對(duì)此，本文結(jié)合熵權(quán)法及層次分析法計(jì)算綜合權(quán)重，綜合考慮專家意見以及電能指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，指標(biāo)權(quán)重更合理。主客觀變異系數(shù)組合賦權(quán)綜合評(píng)估法未考慮指標(biāo)模糊性及指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)此，本文采用模糊綜合評(píng)判進(jìn)行綜合評(píng)估，綜合考慮指標(biāo)模糊性與指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，使得評(píng)估結(jié)果更加合理貼近實(shí)際。

實(shí)例評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的可信性，通過(guò)與不同評(píng)估方法、評(píng)估結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了本文方法的優(yōu)越性，能夠準(zhǔn)確反映風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量實(shí)際情況。

4 結(jié)論

本文在分析電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、風(fēng)電以及風(fēng)電并網(wǎng)特性基礎(chǔ)上，提出風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)；使用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算綜合權(quán)重，并進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。最后使用本文所提方法對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果得到如下結(jié)論：①本文所提方法能夠有效獲得各個(gè)指標(biāo)主客觀權(quán)重，更直觀的體現(xiàn)出風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，有助于采取對(duì)應(yīng)措施提升電網(wǎng)電能質(zhì)量，對(duì)提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量具有一定參考價(jià)值；②本文所提評(píng)估方法能夠?qū)︼L(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量做出準(zhǔn)確的、符合實(shí)際情況的評(píng)估，評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性和評(píng)估指標(biāo)的合理性。