CN106469421A - 一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法及系统，其步骤：1)对获得的各评价指标进行标准化；2)基于预先构建的风电/光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，计算各评价指标的信息效用值；其中，所述评估指标体系包括可靠性指标、技术运行指标和经济性指标；3)根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权；4)根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估。本发明能直观、准确地表征风电/光伏发电功率汇集系统的优良；可以广泛应用于大型新能源基地接入电网规划的过程中。

Description

一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法及系统

技术领域

本发明涉及一种风电、光伏发电并网技术领域，特别是关于一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法及系统。

背景技术

近年来，伴随着化石燃料的骤减以及新能源技术的提高，作为新能源中较为成熟的两种能源，风电和光伏发电已经走进了千家万户。

风电和光伏发电都具有一定的时空差异性，在某些区域会较为集中，因此适合建立大型风电/光伏发电基地集中向电网供电。风电基地是由几个风电场群组成的，风电场群则是由若干风电场通过一定的拓扑结构汇集而成的，因此拓扑方式的选择将直接关系到风电基地在接入电网之后对于电网的影响。并且我国除了江苏风电基地以外，其它的风能丰富地区都分布在用电负荷水平较低的区域，所以将大规模风电用合理的拓扑方式进行汇集外送显得更加重要。光伏电站的汇集方式与风电场大致相同，并且光伏发电和风电在时空上具有一定的互补性，能够减小对电网波动的冲击并增强风光发电的利用率。但是，目前还没有相应的技术手段来确定哪种拓扑方式更贴近实际，在实际工程中对于大型风电/光伏基地功率汇集拓扑的选择仅凭经验，多采用辐射状拓扑，但辐射状拓扑需要建设更多的输电走廊、输电线路长度较长，且当受地形、地貌等限制风电场/光伏电站不能直接与汇集升压站相连，难以得到最优拓扑方案。因此，基于以上因素，亟需提供一种科学、合理的评估方法对不同拓扑进行定量评估，以得到最优的拓扑方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法及系统，其能直观、准确地表征风电/光伏发电功率汇集系统的优良，获取最优拓扑。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)对获得的各评价指标进行标准化；2)基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，计算各评价指标的信息效用值；其中，所述评估指标体系包括可靠性指标、技术运行指标和经济性指标；3)根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权；4)根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估。

进一步，可靠性指标包括等效停运率Q_eq、年缺供电小时数U和期望缺供电量EENS：2.1.1)等效停运率Q_eq为：

式中，P(S_i)表示大型风电和/或光伏基地功率汇集系统可能的运行状态所对应的输出功率；p(S_i)表示该运行状态对应的概率；n表示可能的运行状态数；P_i表示各风电场和/或光伏电站的装机容量；N表示风电场和/或光伏电站数量；2.1.2)年缺供电小时数U＝Q_eq·8760；2.1.3)期望缺供电量EENS为：

进一步，所述技术运行指标包括电压偏移量和无功损耗指标：2.2.1)电压偏移量ΔU％为：ΔU％＝(U_1-U_N)/U_N×100％，式中，U_1为风电基地汇集升压站实际电压；U_N为线路的额定电压；2.2.2)无功损耗指标ΔQ为：

式中，ΔQ_i为功率汇集系统中各线路的无功损耗；n₁为功率汇集系统元件数。

进一步，所述经济性指标包括总投资折合年值、停电损失折合费用和年运行费用：2.3.1)总投资折合年值Z为：

式中，Z为总投资折合年值；Z₀为设备总投资；r₀为投资收益率；n₂为评估年限；2.3.2)停电损失折合费用U₂为：U₂＝d×a×EENS，式中，U₂为停电损失折合费用；d为平均电价；a为折算倍数；EENS为期望缺供电量；2.3.3)年运行费用U₃为：U₃＝Z×p，式中，p为年运行费率。

进一步，所述步骤2)中，第i个评价指标的信息熵值H_i为：

式中，q′＝1/lnl；当f_ij＝0时，

进一步，所述步骤2)中，第i个评价指标的信息效用值d_i为：d_i＝1-H_i。

进一步，所述步骤2)中，各评价指标的熵权为：

式中，d_i为第i个评价指标的信息效用值。

进一步，所述步骤4)中，综合评价结果获取过程如下：4.1)各指标的关联系数ξ_ik为：

式中，x_0k为参考序列中第k个评价项目的指标值；x_ik为第i个待比较序列第k个评价项目的指标值；ρ为分辨系数；4.2)设比较序列X_i＝[x_i(1),x_i(2),…,x_i(n)]、参考序列X₀＝[x₀(1),x₀(2),…,x₀(n)]，i＝1,2,…,m；定义函数f(i)＝x₀(i)-x_i(i)，f(i)表示各指标与参考指标的差值；4.3)根据6种相关面积S_i的计算公式，计算得到各比较序列各指标与参考序列各指标间形成的参考面积S_ik，进而得到分辨系数ρ：

式中，S_v为所有比较序列与参考序列各指标相关面积的均值；4.4)基于面积的灰色关联分析法得到灰色面积关联分析综合评价结果，灰色面积关联分析综合评价结果中元素越大表示对应的拓扑方案越优，完成对大型风电和/或光伏基地功率汇集系统进行综合评估。

进一步，所述步骤4.4)中，灰色面积关联分析综合评价结果求解过程如下：4.4.1)设x_i表示第i个拓扑方案对应的比较数列，x₀表示参考数列，且

式中，k表示第k个评价项目；x_i(k)表示第i个比较数列中第k项指标的规范值；x₀(k)表示参考数列中第k项指标的规范值；4.4.2)将分辨系数代入关联系数计算公式中，并进行化简得到关联系数为：

4.4.3)记x_i各指标的关联系数矩阵为R_i，则x_i的灰色面积关联分析综合评价结果B_i为：B_i＝ω_iR_i＝(b_i1,b_i2,…,b_il)；B_i中元素b_il达到预先设定阈值则表示对应的拓扑方案越优。

本发明还提供一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估系统，其特征在于，该系统包括：用于对获得的各评价指标进行标准化的标准化模块；基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，用于计算各评价指标的信息效用值信息的效用值计算模块；用于根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权的熵权模块；以及，用于根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估的评估模块。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过建立指标体系来评价大型风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑结构，使得新能源接入结构更贴近实际，因此能够科学、合理地表征新能源接入电网的网架结构，进而为大型新能源基地规划提供重要依据。2、本发明评估过程简单，操作方便，容易实现，具有比较高的实用性，可以广泛应用于大型新能源基地接入电网规划的过程中。

附图说明

图1是本发明灰色关联度分析中的两序列曲线分布示意图；其中，虚线为参考序列，实线为待比较序列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，该方法从技术运行指标、经济性指标和可靠性指标三个方面对风电和/或光伏发电基地功率汇集系统的不同拓扑模式进行了评估。其具体步骤如下：

1)对获得的各评价指标和评价项目进行标准化；

设有m个评价指标，l个评价项目，依照定性与定量相结合的方法获得关于多个对象多个指标的评价矩阵R′：

式中，r_ij′为各指标原始数据，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,l；

对评价矩阵R′进行标准化后得到：R＝(r_ij)_m×l；其中，r_ij为第j个评价项目在第i个指标上的值，且r_ij∈[0,1]，r_ij为：

2)基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，计算各评价指标的信息熵值和信息效用值；

预先构建的大型风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系包括可靠性指标、技术运行指标和经济性指标：

2.1)可靠性指标包括等效停运率Q_eq、年缺供电小时数U和期望缺供电量EENS；

2.1.1)等效停运率Q_eq：用于描述大型风电和/或光伏基地整体不能可靠输出功率的概率；

式中，P(S_i)表示大型风电和/或光伏基地功率汇集系统可能的运行状态所对应的输出功率；p(S_i)表示该运行状态对应的概率；n表示可能的运行状态数；P_i表示各风电场和/或光伏电站的装机容量；N表示风电场和/或光伏电站数量；

2.1.2)年缺供电小时数U：用于描述大型风电和/或光伏基地一年中整体不能输出功率小时数，U＝Q_eq·8760；

2.1.3)期望缺供电量EENS，其用于描述大型风电和/或光伏基地一年缺供电量期望值：

2.2)技术运行指标包括电压偏移量和无功损耗指标；

2.2.1)电压偏移量ΔU％为：

ΔU％＝(U_1-U_N)/U_N×100％，

式中，U_1为风电基地汇集升压站实际电压；U_N为线路的额定电压。

2.2.2)无功损耗指标ΔQ为：

式中，ΔQ_i为功率汇集系统中各线路的无功损耗；n₁为功率汇集系统元件数。无功损耗指标也是负向指标，其值越小则功率汇集系统的无功损耗越小，需要加装的无功补偿设备容量小，经济成本低。

2.3)经济性指标包括总投资折合年值、停电损失折合费用和年运行费用；

2.3.1)总投资折合年值Z为：

式中，Z₀为设备总投资；r₀为投资收益率；n₂为评估年限。

2.3.2)停电损失折合费用U₂为：

U₂＝d×a×EENS，

式中，U₂为停电损失折合费用；d为平均电价；a为折算倍数；EENS为期望缺供电量。

2.3.3)年运行费用U₃为：

U₃＝Z×p，

式中，p为年运行费率。

其中，计算各评价指标的信息熵值H_i和信息效用值d_i：

在有m个评价指标，l个评价项目的评价项目中，第i个评价指标的信息熵值H_i为：

式中，q′＝1/lnl；当f_ij＝0时，

第i个评价指标的信息效用值d_i取决于该指标的信息熵H_i与1的差值：

d_i＝1-H_i。

3)基于熵权法，计算各指标的熵权：根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权；

采用熵权法确定各指标的权重，利用各指标的信息效用值d_i来计算，信息效用值d_i越大，在整体评价中就越重要。若有m个评价指标，n个评价项目，则可以得到第i个指标的熵权ω_i：

进而得到权重向量ω，ω＝(ω₁,ω₂,…,ω_m)。

4)根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估：

为对大型风电和/或光伏基地功率汇集系统的不同拓扑进行综合评价，本发明采用基于面积的灰色关联度分析建立综合评估模型。如图1所示，灰色关联度分析是设定一参考序列，计算比较序列(图中实线)与参考序列(图中虚线)的关联度，关联度越大，则比较序列与参考序列越接近，关联度为1表示两序列完全重合。

为选择大型风电和/或光伏基地功率汇集系统最优的拓扑结构，设定参考序列时，需根据各指标的正向、负向性，选择待比较方案中各指标的最优值形成参考序列，保证参考序列相对比较序列为一最优方案，而各拓扑方案评估指标中形成的比较序列中与该最优参考序列最接近的比较序列对应的拓扑方案，即关联度最大的方案为实际可选择的最优方案。

4.1)各指标的关联系数ξ_ik为：

式中，x_0k为参考序列中第k个评价项目的指标值；x_ik为第i个待比较序列第k个评价项目的指标值；ρ为分辨系数；

基于面积的灰色关联度分析是针对关联系数计算公式中分辨系数ρ，ρ的作用为保证关联度的整体性(即某一指标的关联度不仅与该指标与参考序列指标有关，还与其它方案中该指标值相关)以及在某指标出现异常时起抗干扰作用。本发明通过计算各待求序列与参考序列的相关面积来确定分辨系数取值，进而计算关联度。

4.2)设比较序列X_i和参考序列X₀分别为：

X_i＝[x_i(1),x_i(2),…,x_i(n)]，

X₀＝[x₀(1),x₀(2),…,x₀(n)]，

i＝1,2,…,m

定义函数f(i)为：f(i)＝x₀(i)-x_i(i)，f(i)表示各指标与参考指标的差值，在图1中，f(1)＝0；x₀(i)为参考序列中第i个指标值；x_i(i)表示第i个待比较序列第i个指标值。

4.3)根据不同指标与参考指标间大小关系的不同，得到以下6种相关面积S_i的计算公式：

计算得到各比较序列各指标与参考序列各指标间形成的参考面积S_ik后，得到分辨系数ρ：

式中，S_v为所有比较序列与参考序列各指标相关面积的均值。

4.4)基于面积的灰色关联分析法得到灰色面积关联分析综合评价结果，灰色面积关联分析综合评价结果中元素越大表示对应的拓扑方案越优，完成对大型风电/光伏基地功率汇集系统进行综合评估；具体过程如下：

4.4.1)设x_i表示第i个拓扑方案对应的比较数列，x₀表示参考数列，且

式中，k表示第k个评价项目；x_i(k)表示第i个比较数列中第k项指标的规范值；x₀(k)表示参考数列中第k项指标的规范值。

4.4.2)将式(2)代入关联系数计算公式(1)中，并进行化简可以得到关联系数为：

4.4.3)记x_i各指标的关联系数矩阵为R_i，则x_i的灰色面积关联分析综合评价结果B_i为：

B_i＝ω_iR_i＝(b_i1,b_i2,…,b_il)；

B_i中元素b_il达到预先设定阈值则表示对应的拓扑方案越优。

实施例：

假设有n个对象，每个对象有m项指标，将一级指标x＝(x₁,x₂,…,x_n)按其内部的逻辑关系分成p个子集，子集内有q个值标x_i＝(x_i1,x_i2,…,x_iq)，对二级指标x_ik进行灰色面积关联分析综合评价，各因素x_ik的权向量由熵权法得到，记为：

ω_i＝(ω_i1,ω_i2,…,ω_iq)，ω_ij＞0，j＝1,2,…,q

将二级指标的关联系数加权求和可得各一级指标x_i的关联度，而对于因素x_i(i＝1，2，...，p)的权重向量同样可利用熵权法得到ω＝(ω₁,ω₂,…,ω_p)，进一步加权求和可得到二级灰色面积关联综合评价结果B，B中元素b_j越大表示对应的拓扑方案越优。

本发明还提供一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估系统，其包括：用于对获得的各评价指标进行标准化的标准化模块；基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，用于计算各评价指标的信息效用值信息的效用值计算模块；用于根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权的熵权模块；以及，用于根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估的评估模块。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对获得的各评价指标进行标准化；

2)基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，计算各评价指标的信息效用值；其中，所述评估指标体系包括可靠性指标、技术运行指标和经济性指标；

3)根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权；

4)根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估。

2.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：可靠性指标包括等效停运率Q_eq、年缺供电小时数U和期望缺供电量EENS：

2.1.1)等效停运率Q_eq为：

$Q_{eq}=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}P\left(S_i\right)p\left(S_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_i},$

式中，P(S_i)表示大型风电和/或光伏基地功率汇集系统可能的运行状态所对应的输出功率；p(S_i)表示该运行状态对应的概率；n表示可能的运行状态数；P_i表示各风电场和/或光伏电站的装机容量；N表示风电场和/或光伏电站数量；

2.1.2)年缺供电小时数U＝Q_eq·8760；

2.1.3)期望缺供电量EENS为：

$EENS=Q_{eq}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_i\·8760.$

3.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述技术运行指标包括电压偏移量和无功损耗指标：

2.2.1)电压偏移量ΔU％为：

ΔU％＝(U_1-U_N)/U_N×100％，

式中，U_1为风电基地汇集升压站实际电压；U_N为线路的额定电压；

2.2.2)无功损耗指标ΔQ为：

$\mathrm{\Δ}Q=\underset{i=1}{\overset{n_1}{\Σ}}{\mathrm{\ΔQ}}_i,$

式中，ΔQ_i为功率汇集系统中各线路的无功损耗；n₁为功率汇集系统元件数。

4.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述经济性指标包括总投资折合年值、停电损失折合费用和年运行费用：

2.3.1)总投资折合年值Z为：

$Z=Z_0\[\frac{r_0{(1+r_0)}^{n_2}}{{(1+r_0)}^{n_2}-1}\]$

式中，Z为总投资折合年值；Z₀为设备总投资；r₀为投资收益率；n₂为评估年限；

2.3.2)停电损失折合费用U₂为：

U₂＝d×a×EENS，

式中，U₂为停电损失折合费用；d为平均电价；a为折算倍数；EENS为期望缺供电量；

2.3.3)年运行费用U₃为：

U₃＝Z×p，

式中，p为年运行费率。

5.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述步骤2)中，第i个评价指标的信息熵值H_i为：

$H_i=-q^{\′}\underset{j=1}{\overset{l}{\Σ}}{f}_{ij}\ln f_{ij},i=1,2,\mathrm{...},m$

式中，q′＝1/ln l；当f_ij＝0时，

6.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述步骤2)中，第i个评价指标的信息效用值d_i为：d_i＝1-H_i。

7.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述步骤2)中，各评价指标的熵权为：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{d_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{d}_i},i=1,2,\mathrm{...},m;$

式中，d_i为第i个评价指标的信息效用值。

8.如权利要求1所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述步骤4)中，综合评价结果获取过程如下：

4.1)各指标的关联系数ξ_ik为：

${\mathrm{\ξ}}_{ik}=\frac{\underset{i}{min}\underset{k}{min}|x_{0k}-x_{ik}|+\mathrm{\ρ}\underset{i}{max}\underset{k}{max}|x_{0k}-x_{ik}|}{|x_{0k}-x_{ik}|+\mathrm{\ρ}\underset{i}{max}\underset{k}{\max }|x_{0k}-x_{ik}|},$

i＝1,2,…,m；k＝1,2,…,l

式中，x_0k为参考序列中第k个评价项目的指标值；x_ik为第i个待比较序列第k个评价项目的指标值；ρ为分辨系数；

4.2)设比较序列X_i＝[x_i(1),x_i(2),…,x_i(n)]、参考序列X₀＝[x₀(1),x₀(2),…,x₀(n)]，i＝1,2,…,m；定义函数f(i)＝x₀(i)-x_i(i)，f(i)表示各指标与参考指标的差值；

4.3)根据6种相关面积S_i的计算公式，计算得到各比较序列各指标与参考序列各指标间形成的参考面积S_ik，进而得到分辨系数ρ：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}=0.8/S_v\\ S_v=\frac{1}{lm}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{l}{\Σ}}\left|S_{ik}\right|\end{array}\right.,$

式中，S_v为所有比较序列与参考序列各指标相关面积的均值；

4.4)基于面积的灰色关联分析法得到灰色面积关联分析综合评价结果，灰色面积关联分析综合评价结果中元素越大表示对应的拓扑方案越优，完成对大型风电和/或光伏基地功率汇集系统进行综合评估。

9.如权利要求8所述的一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估方法，其特征在于：所述步骤4.4)中，灰色面积关联分析综合评价结果求解过程如下：

4.4.1)设x_i表示第i个拓扑方案对应的比较数列，x₀表示参考数列，且

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_i=\left\{x_i\left(k\right)\right|k=1,2,\mathrm{...},l\}& i=1,2,\mathrm{...},m\\ x_0=\left\{x_0\left(k\right)\right|k=1,2,\mathrm{...},l\}& \end{array}\right.,$

式中，k表示第k个评价项目；x_i(k)表示第i个比较数列中第k项指标的规范值；x₀(k)表示参考数列中第k项指标的规范值；

4.4.2)将分辨系数代入关联系数计算公式中，并进行化简得到关联系数为：

${\mathrm{\ξ}}_{ik}=\frac{S_v\underset{i}{min}\underset{k}{min}|x_{0k}-x_{ik}|+0.8\underset{i}{max}\underset{k}{max}|x_{0k}-x_{ik}|}{S_v|x_{0k}-x_{ik}|+0.8\underset{i}{max}\underset{k}{\max }|x_{0k}-x_{ik}|};$

4.4.3)记x_i各指标的关联系数矩阵为R_i，则x_i的灰色面积关联分析综合评价结果B_i为：

B_i＝ω_iR_i＝(b_i1,b_i2,…,b_il)；

B_i中元素b_il达到预先设定阈值则表示对应的拓扑方案越优。

10.一种风电/光伏发电功率汇集拓扑的评估系统，其特征在于，该系统包括：

用于对获得的各评价指标进行标准化的标准化模块；

基于预先构建的风电和/或光伏发电基地功率汇集系统拓扑选定评估指标体系，用于计算各评价指标的信息效用值信息的效用值计算模块；

用于根据各指标的信用效用值所占的比重来确定其熵权的熵权模块；

以及，用于根据各指标的熵权，并基于灰色关联分析法获取综合评价结果，对功率汇集系统进行评估的评估模块。