基于改進雷達圖的風電場并網(wǎng)性能評價分析

張 蕊劉克城李安昌董靚媛

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

近年來,我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《清潔能源消納行動計劃(2018-2020)》等促進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)訴求比較強烈,風電場占電網(wǎng)裝機容量的比例不斷增加,風電場并網(wǎng)技術性能對電力系統(tǒng)的影響日益受到人們的重視[1]。目前的風電并網(wǎng)性能評價指標,僅僅局限在單一指標評價,沒有全面系統(tǒng)的評價指標體系。因此,迫切需要建立一套客觀科學的評價指標體系和評價方法對風電場并網(wǎng)技術性進行評價,促進電網(wǎng)調(diào)度和風電企業(yè)了解自身各項并網(wǎng)技術性能情況,改善并提高風電場整體并網(wǎng)技術水平。

在評價指標方面,風電運行方式具有明顯的隨機性、波動性和間歇性,僅憑發(fā)電量、利用小時等常規(guī)評價指標難以揭示風電全環(huán)節(jié)發(fā)電特性,本文建立了一套風電場并網(wǎng)性能評價指標體系,并通過一種改進雷達圖法對風電場的并網(wǎng)性能進行評價。

1 指標體系的構(gòu)建原則

本文采用世界銀行及國家政府部門普遍采用的評價指標體系設計準則(SMART 準則)作為指標體系的構(gòu)建原則。該準則的優(yōu)點是標準比較鮮明,易于做出評估。SMART 準則包括五方面,分別是特定的(Specific),可測量的(Measurable),可得到的(Attainable),相關的(Relevant),可跟蹤的(Trackable)。

以SMART 準則為基本原則,在建立風電場并網(wǎng)性能評價指標體系時,各指標的選取,一方面要盡可能全面的反應風電場并網(wǎng)各項技術性能,不能遺漏任一重要的指標;另一方面也要考慮到數(shù)據(jù)采集難度、計算量等實際情況,真正做到既不重復也不遺漏。因此,評價指標體系的建立需要滿足如下原則:與評價目的的一致性;直接的可測性、可比性;相互獨立性與整體的完備性等。

選出滿足條件的指標后,分析各指標之間的關系及重要程度,依據(jù)權(quán)重序列進行指標的選取。選擇權(quán)重較大的指標,舍去權(quán)重相對較小的指標構(gòu)建風電場并網(wǎng)性能評價指標體系。

2 風電場并網(wǎng)性能評價指標體系

根據(jù)評價指標體系的構(gòu)建原則,結(jié)合風電場項目的技術特點,提出風電場并網(wǎng)性能評價指標體系[2-5]。

根據(jù)相關標準,風電并網(wǎng)的基本要求包括:有功功率控制及無功功率調(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;設備運行具有一定的可靠性;輸出功率預測達到一定精度。

綜合上述考慮,結(jié)合專家多方面意見,確定如表1所示的風電場并網(wǎng)性能評價指標體系。

表1 風電場并網(wǎng)性能評價指標體系結(jié)構(gòu)

該評價指標體系包括有功控制、無功調(diào)節(jié)、電壓穿越能力、電能質(zhì)量、運行可靠性及功率預測6個二級指標。每個指標包含多項下屬指標,以從不同的角度加以量化。這6個二級指標構(gòu)成一個整體,可有效評價風電場項目并網(wǎng)性能的優(yōu)劣。

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的風電場技術標準以及評價規(guī)范確定風電場并網(wǎng)性能評價指標體系中各指標的標準[6-7]。

3 風電場并網(wǎng)性能評價實施步驟

3.1 改進雷達圖法

雷達圖法是一種多變量圖形對比分析和綜合評估方法,它可以直觀、形象地展現(xiàn)出各評價對象的總體優(yōu)勢和各項指標之間的相對優(yōu)勢。運用雷達圖法進行綜合評估時,對于數(shù)據(jù)越小越好的逆向指標評價原則是雷達圖面積越大,表示該評估對象各指標偏離標準值越大;當面積一定時,周長越小,圖形越趨近于圓形,表示該對象的發(fā)展越協(xié)調(diào)。但對于同一評估對象的各項指標,各指標間存在信息的共用問題,且各指標的排列順序不同,其面積周長也會不同,易造成評估結(jié)果的不一致性。論文采用一種改進雷達圖法。以層次分析法來確定雷達圖中各指標軸間的夾角[8-9],然后以各指標值作為扇形的半徑,畫出以扇形代替原來三角形的雷達圖。提取各扇形面積之和與各段弧長之和作為特征向量,利用評價向量和評價函數(shù)進行計算,根據(jù)計算結(jié)果進行綜合評價[10]。評價流程如圖1所示。

圖1 風電場項目并網(wǎng)性能評價流程

下面說明應用該方法對風電場并網(wǎng)性能進行評價的具體過程。

3.2 指標權(quán)重確定

設m個評價對象的n個指標用矩陣A表示。矩陣A中元素的值是以百分制的分值形式給出,無需進行標準化。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

對n個指標進行兩兩比較,根據(jù)1~9 標度法,得出n個指標組成的判斷矩陣M=(Mij)n×n。從而求出各指標權(quán)重,用向量W表示。

為了保證應用層次分析法分析得到的結(jié)論合理,對構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗。

(2)畫出扇形雷達圖

由求得的指標權(quán)重確定雷達圖扇形的夾角。計算n個指標的扇形圓心角組成的向量α=2πW=[α1,α2,α3,…,αn]T。

對于第i個評價對象,根據(jù)指標值[αi1,αi2,αi3,…,αin]和對應夾角[α1,α2,α3,…,αn]可畫出該種情況下風電場并網(wǎng)性能的改進扇形雷達圖,即以αij為第j個指標的扇形的半徑,以 為該扇形的圓心角,畫出由n個指標的扇形所組成的改進雷達圖,見圖2。

圖2 改進雷達示意

3.3 綜合評價

(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)造評價向量

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

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

(3)構(gòu)造評價函數(shù)并計算評價值

這里采用幾何平均數(shù)方法構(gòu)造評價函數(shù),即:

計算風電場并網(wǎng)性能的評價函數(shù)值f(vi1,vi2)。最后根據(jù)計算結(jié)果對風電場并網(wǎng)性能進行綜合評價。

4 算例分析

本文選用某省兩座風電場為案例,應用本文設定的指標及對應方法對兩座風電場并網(wǎng)性能進行評價。

4.1 基礎數(shù)據(jù)

所選兩座風電場分別為風電場A 和風電場B,其中風電場A 裝機總?cè)萘繛?0萬k W,風電場B裝機總?cè)萘繛?0萬k W。

采用專家打分的方式分別對兩座風電場的各項指標情況進行打分,根據(jù)各指標的重要性,求得判定矩陣,并根據(jù)判斷矩陣計算得到指標權(quán)重W和扇形的圓心角α。得到的結(jié)果與兩座風電場的專家打分結(jié)果如表2所示。經(jīng)檢驗,判斷矩陣具有滿意的一致性。

表2 權(quán)重、圓心角及專家打分結(jié)果

4.2 綜合評分及結(jié)果

根據(jù)公式(1)-(3),計算面積評價值、周長評價值及評價函數(shù)的結(jié)果,如表3所示。

表3 評價結(jié)果

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

5 結(jié)論

從風電場并網(wǎng)特性出發(fā),并基于SMART 準則,從有功控制、無功調(diào)節(jié)、電壓穿越能力、電能質(zhì)量、運行可靠性及功率預測6個方面建立了風電場并網(wǎng)性能評價指標體系。選取某省兩個風電場項目實例,應用該評價指標體系并選用一種改進雷達圖法對風電場并網(wǎng)性能進行評價。評價結(jié)果表明,構(gòu)建的風電場并網(wǎng)性能評價指標體系能夠較較全面有效地評價風電場并網(wǎng)性能的優(yōu)劣。