基于改进雷达图的风电场并网性能评价分析

张 蕊刘克城李安昌董靓媛

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.盾石磁能科技有限责任公司,河北 石家庄 050011)

近年来,我国风电产业发展迅速,国家发展改革委、国家能源局发布了《清洁能源消纳行动计划(2018-2020)》等促进清洁能源消纳的政策。各地新能源并网需求依然旺盛,并网诉求比较强烈,风电场占电网装机容量的比例不断增加,风电场并网技术性能对电力系统的影响日益受到人们的重视[1]。目前的风电并网性能评价指标,仅仅局限在单一指标评价,没有全面系统的评价指标体系。因此,迫切需要建立一套客观科学的评价指标体系和评价方法对风电场并网技术性进行评价,促进电网调度和风电企业了解自身各项并网技术性能情况,改善并提高风电场整体并网技术水平。

在评价指标方面,风电运行方式具有明显的随机性、波动性和间歇性,仅凭发电量、利用小时等常规评价指标难以揭示风电全环节发电特性,本文建立了一套风电场并网性能评价指标体系,并通过一种改进雷达图法对风电场的并网性能进行评价。

1 指标体系的构建原则

本文采用世界银行及国家政府部门普遍采用的评价指标体系设计准则(SMART 准则)作为指标体系的构建原则。该准则的优点是标准比较鲜明,易于做出评估。SMART 准则包括五方面,分别是特定的(Specific),可测量的(Measurable),可得到的(Attainable),相关的(Relevant),可跟踪的(Trackable)。

以SMART 准则为基本原则,在建立风电场并网性能评价指标体系时,各指标的选取,一方面要尽可能全面的反应风电场并网各项技术性能,不能遗漏任一重要的指标;另一方面也要考虑到数据采集难度、计算量等实际情况,真正做到既不重复也不遗漏。因此,评价指标体系的建立需要满足如下原则:与评价目的的一致性;直接的可测性、可比性;相互独立性与整体的完备性等。

选出满足条件的指标后,分析各指标之间的关系及重要程度,依据权重序列进行指标的选取。选择权重较大的指标,舍去权重相对较小的指标构建风电场并网性能评价指标体系。

2 风电场并网性能评价指标体系

根据评价指标体系的构建原则,结合风电场项目的技术特点,提出风电场并网性能评价指标体系[2-5]。

根据相关标准,风电并网的基本要求包括:有功功率控制及无功功率调控的合理性;具有一定的低/高电压穿越能力;电能质量满足电网要求;设备运行具有一定的可靠性;输出功率预测达到一定精度。

综合上述考虑,结合专家多方面意见,确定如表1所示的风电场并网性能评价指标体系。

表1 风电场并网性能评价指标体系结构

该评价指标体系包括有功控制、无功调节、电压穿越能力、电能质量、运行可靠性及功率预测6个二级指标。每个指标包含多项下属指标,以从不同的角度加以量化。这6个二级指标构成一个整体,可有效评价风电场项目并网性能的优劣。

结合国内外现有的风电场技术标准以及评价规范确定风电场并网性能评价指标体系中各指标的标准[6-7]。

3 风电场并网性能评价实施步骤

3.1 改进雷达图法

雷达图法是一种多变量图形对比分析和综合评估方法,它可以直观、形象地展现出各评价对象的总体优势和各项指标之间的相对优势。运用雷达图法进行综合评估时,对于数据越小越好的逆向指标评价原则是雷达图面积越大,表示该评估对象各指标偏离标准值越大;当面积一定时,周长越小,图形越趋近于圆形,表示该对象的发展越协调。但对于同一评估对象的各项指标,各指标间存在信息的共用问题,且各指标的排列顺序不同,其面积周长也会不同,易造成评估结果的不一致性。论文采用一种改进雷达图法。以层次分析法来确定雷达图中各指标轴间的夹角[8-9],然后以各指标值作为扇形的半径,画出以扇形代替原来三角形的雷达图。提取各扇形面积之和与各段弧长之和作为特征向量,利用评价向量和评价函数进行计算,根据计算结果进行综合评价[10]。评价流程如图1所示。

图1 风电场项目并网性能评价流程

下面说明应用该方法对风电场并网性能进行评价的具体过程。

3.2 指标权重确定

设m个评价对象的n个指标用矩阵A表示。矩阵A中元素的值是以百分制的分值形式给出,无需进行标准化。

(1)构造判断矩阵

对n个指标进行两两比较,根据1~9 标度法,得出n个指标组成的判断矩阵M=(Mij)n×n。从而求出各指标权重,用向量W表示。

为了保证应用层次分析法分析得到的结论合理,对构造的判断矩阵进行一致性检验。

(2)画出扇形雷达图

由求得的指标权重确定雷达图扇形的夹角。计算n个指标的扇形圆心角组成的向量α=2πW=[α1,α2,α3,…,αn]T。

对于第i个评价对象,根据指标值[αi1,αi2,αi3,…,αin]和对应夹角[α1,α2,α3,…,αn]可画出该种情况下风电场并网性能的改进扇形雷达图,即以αij为第j个指标的扇形的半径,以 为该扇形的圆心角,画出由n个指标的扇形所组成的改进雷达图,见图2。

图2 改进雷达示意

3.3 综合评价

(1)提取特征向量

求取特征向量μi=[Si,Li],i=1,2,…,m。其中

(2)构造评价向量

构造评价向量vi=[vi1,vi2],令S=max{Si|i=1,2,…,m},则

vi1数值越大表明风电场并网性能总体水平越高,反之越低;vi2的数值越大表明风电场并网性能的各方面均衡发展程度越好,反之越差。

(3)构造评价函数并计算评价值

这里采用几何平均数方法构造评价函数,即:

计算风电场并网性能的评价函数值f(vi1,vi2)。最后根据计算结果对风电场并网性能进行综合评价。

4 算例分析

本文选用某省两座风电场为案例,应用本文设定的指标及对应方法对两座风电场并网性能进行评价。

4.1 基础数据

所选两座风电场分别为风电场A 和风电场B,其中风电场A 装机总容量为40万k W,风电场B装机总容量为60万k W。

采用专家打分的方式分别对两座风电场的各项指标情况进行打分,根据各指标的重要性,求得判定矩阵,并根据判断矩阵计算得到指标权重W和扇形的圆心角α。得到的结果与两座风电场的专家打分结果如表2所示。经检验,判断矩阵具有满意的一致性。

表2 权重、圆心角及专家打分结果

4.2 综合评分及结果

根据公式(1)-(3),计算面积评价值、周长评价值及评价函数的结果,如表3所示。

表3 评价结果

由评价函数值可以看出,风电场B 的面积系数v1和均衡度系数v2均大于风电场A,说明风电场B的指标更为优秀,且指标之间的发展更为均衡。满分为100分,由两种情景的评估值可知:风电场A 并网性能总体得分为79.2分,风电场B并网性能总体得分为85.7分。风电场B 并网性能总体得分高于风电场A,说明风电场B 总体并网性能更优。

5 结论

从风电场并网特性出发,并基于SMART 准则,从有功控制、无功调节、电压穿越能力、电能质量、运行可靠性及功率预测6个方面建立了风电场并网性能评价指标体系。选取某省两个风电场项目实例,应用该评价指标体系并选用一种改进雷达图法对风电场并网性能进行评价。评价结果表明,构建的风电场并网性能评价指标体系能够较较全面有效地评价风电场并网性能的优劣。