光伏发电并网输电效率性能评价研究
发布时间：2021-12-20
摘要: 大规模光伏发电会对电网产生各种不确定影响而带来风险问题，因此对光伏发电并网输电效率性能的评价研究显得尤为重要。传统光伏发电效能评价方法为单一的主观权重法，导致评价结果合理性和真实性较低。采用改进层次分析法的主观权重和熵权法的客观权重相结合来确定各指标的组合权重，结合归一化指标值求取了各指标的综合评价值。以 33 节点配网系统为例，从经济性、可靠性和安全性三个方面对光伏发电在不同方案接入方式下进行了效能评价仿真，结果表明，改进后的评价方法能够全面有效的反映光伏发电并网对电网系统的影响。
关键词: 光伏发电; 改进层次分析法; 熵权法; 组合权重; 效率性能评价
1 引言
随着社会发展的不断进步，能源资源短缺和环境污染等问题日益突出。为解决该问题，发展以光伏为代表的可再生能源已成为全球的共识[1-2]。在我国，太阳能资源丰富，光伏发电是保障国家能源发展和十三五规划的重要措施，其中光伏发电具有环境污染小和综合利用率高等特点而不断的渗透到配电网中。而当光伏发电的规模不断增大时，会给电网的运行带来系列不利影响，如改变了传统配电网的结构而影响系统潮流分布和安全稳定运行指标等[3-5]。因此，有必要建立光伏发电并网的输电效率性能评价模型以评估其对配电网的影响，对提高电网对大规模光伏发电的接纳能力具有重大的理论价值和实践意义。
针对综合评价问题，权重的取值非常重要，权重的取值是否合适将直接影响到评价结果的合理性和科学性。部分学者对光伏发电的效能评价进行了一定的探讨，文献[6]提出了一种考虑发电对配电网影响的可靠性评价方法; 文献[7]提出了基于蒙特卡洛模拟方法的含电源的配电网可靠性评估模型; 文献[8]提出了一种从多层次多目标角度考虑的光伏发电经济评价体系和对应的评分方法; 文献[9]从环保效益角度考虑，以环境效益为指标建立了电量成本计算模型。上述文献在确定权重时都是采用了单一的主观赋权法或单一的客观赋权法，赋权结果受人为因素影响较大，而传统客观层次分析法建立的判断矩阵需要反复检测一致性，具有较大的计算量且建立隶属度函数存在很大的主观性，因此会导致光伏发电并网输电效率性能评价缺乏较强的说服力。
针对上述问题，提出一种主客观组合赋权法，该方法将改进层次分析法的主观权重和熵权法的客观权重相结合来确定各指标的组合权重，其中改进层次分析法的客观赋权法采用标度构造法建立判断矩阵，该矩阵无论采用何种标度都具有完全一致性，大大降低了计算量。在此基础上结合归一化指标值求取光伏发电并网输电效率性能评价值。
2 光伏发电并网输电性能分析
受外部环境、电网结构和经济条件等因素影响，光伏在并网过程中会导致输电电压的不稳定，从而对并网系统的经济性、可靠性和安全性产生一定的影响，进而影响光伏发电并网的输电性能。
2.1 光伏发电并网对电网的影响
1) 光伏发电并网对经济性的影响。光伏发电并网对电网企业的经济性影响主要包括直接影响和间接影响。其中直接影响体现在光伏并网传输所需网络架构的建设费、检修维护费用和购电费用。间接影响是通过其它间接因素对电网企业经济性产生的影响，如光伏并网离负荷较近时会改变配电网的潮流分布，会导致传输线路的网损变化从而改变了经济效益; 再者，当用户光伏发电满足自身供电需求时，不再从电网购电，从而影响了电网企业的售电收入，除此之外，光伏发电的随机波动性会带来电网电压的波动，增加了区域电网停电的发生频率，也带来了停电的经济损失。
2) 光伏发电并网对可靠性的影响。光伏发电对电网可靠性主要体现在对电网企业电能质量的影响，当分布式光伏发电接在距离负荷较近的配网中，能够有效解决配网的过负荷问题，提高电网的供电裕度从而增强了该区域配电网的稳定性。但是，当光伏发电接入电网的容量和位置不合理时，会降低配电网系统的稳定可靠性。此外，光伏发电的输出功率受外界环境影响较大，输出功率的随机波动性会引入大量的扰动，进而恶化电能质量。具体来讲，光伏接入电网带来的电能质量问题有谐波和电压闪变，光伏逆变器是有电力电子开关器件组成，会引入大量高频谐波至电网，且光伏突然并入电网或瞬间出力波动都会带来电压的闪变。
3) 光伏发电并网对安全性的影响。光伏发电对电网安全性的影响主要表现在对配电网保护和配电网电压安全两个方面。接入光伏电源的配电网较传统的配电网而言，是一个多电源系统，要求保护设备应具有方向性，不合适的保护方案会带来安全隐患。另外，光伏发电并网对电网电压的安全影响又包括稳态电压和电压波动安全两方面，稳态电压安全方面，光伏并网发电后电压馈线上的负荷节点电压会升高，严重情况下会发生电压越限，电压升高的程度和光伏并网的位置和容量有关; 电压波动安全方面，当光伏发电与电网负荷协调运行时，即光伏发电出力与负荷变化趋势一致，光伏发电并网有利于减小电压波动，而光伏发电与负荷变化不一致时，如光伏出力受当地环境温度等影响会导致不确定性，此时光伏并网会增加电压的波动。
2.2 问题的提出
上述分析可知，光伏发电对电网企业的影响复杂多样，为促进电网对光伏发电并网的接纳能力，有必要深层次评价光伏发电对电网的定性和定量影响性能。单一类型的评价指标受其它不确定性影响较大，需采用多角度的评价体系才能全面准确反映光伏发电并网输电效率性能的制约因素，因此应采用合理的评价方法。目前常用的指标赋权法有主观赋权法和客观赋权法，其中主观赋权法是基于决策者的主观经验来确定指标权重，最具代表性的就是层次分析法，其最大的缺点就是权重与指标的数字特征无关，指标间的内在联系没有被考虑。客观赋权法是在原始数据的基础上通过数学方法来确定指标权重，属于定量分析方法，最具代表性的是熵权法，熵权法忽略了主观因素，易出现权重系数不合理的情况。为最大限度的降低不确定性，评价方法应具备一定的科学性，即各评价指标不应具备相似功能和主观偏颇性。
3 组合权重分析法的主要思路
通过采用主观权重法和客观权重法相组合来确定权重，兼顾了主观经验和指标数据，使主客观赋权法有效统一。光伏发电并网输电效率性能评价具体思路为，将关联度较高的指标进行约简和剔除，然后将简化的指标进行归一化处理以转化成同一量纲，最后，将基于改进层次分析法的主观权重和熵权法的客观权重进行组合求取评价指标的综合权重，并结合指标归一化数值计算综合评价值。
3.2 指标归一化
在所构建的评价指标体系中，为便于一起比较，需统一各指标的量纲和量级，即需对各指标进行归一化处理，都化为取值在 0 到 1 之间的数字。除此之外，不同的指标具有不同的对外属性，有些指标具有正相关性，这类指标取值越大，则评价效益越高; 有些指标则具有负相关性，该类指标的取值越大，则评价效益越低; 另外的一些指标是中间型的指标，即取值在 0 到 1 中间的某一个值时，具有较高的评价效益，而偏离这个值时，评价效益都会降低。因此，对不同相关性的指标也需归一化处理，以便于指标的综合比较。
针对正相关和负相关的指标，可采用极值方法进行归一处理，而中间型的指标采用隶属函数法进行归一化。
4.2 算例概述
以 33 节点配电系统为例，分析不同容量的光伏发电接入不同位置对配电网的综合影响。配电系统结构图如图 1 所示，该系统基准容量为 10MVA，额定电压为 12.66kV，阻抗单位 Ω，负荷单位 kVA。其中节点 0 为电源点，相角为 0。算例中配电系统一共四条分支线，其中 0 ～ 17 节点支路最长，约为 8km。主干线的故障率为 0.05 次 /( 年·km) ，平均修复时间为 4h / 次; 光伏故障率为 5 次 / 年，平均停电持续时间为 40h / 次。
根据上述参数分别对光伏发电在配网中的 3 种不同接入方案进行仿真分析。
方案 1: 光伏发电接入节点 6 处，注入的功率分别为 P = 1.7598MW，Q = 0.4195Mvar。
方案2: 光伏发电接入节点17处，注入的功率分别为P = 1.7598MW，Q = 0.4195Mvar。
方案3: 光伏发电同时接入节点6处和节点17处。节点6 处注入的功率分别为 P1 = 0.8799MW，Q1 = 0.20975Mvar; 节点 17 处，注 入 的 功 率 分 别 为 P2 = 0.8799MW，Q2 = 0. 20975Mvar。
三种方案下的潮流计算结果如表 1 所示，从表中可以看出，光伏接入后会影响配电系统母线电压和负荷节点电压，且光伏接入的位置和接入的容量对电压的影响程度是不一样的。
4.3 指标约简和归一化
根据前述相关性分析方法，可得简化后的指标为: 母线电压稳定裕度变化率( BVSM) 、线路负荷节点电压合格率 ( LVQR) 、负荷节点电压改 善 率 ( LVIR) 、平 均 停 电 频 率 ( AIFI) 、平均供电可用率( ASA) 、电量不足变化率( PLCR) 、平均线损率( ALLR) 、线损改善率( LLIR) 、线路容量裕度变化率( CM) 。
根据上述指标的定义，求得三种方案条件下各指标的评价值如表 2 所示。
4.4 权重求解
通过提出的改进层次分析法计算出表 2 中每一项指标的主观权重值
ω=[0.0585，0.170，0.070，0.1704，0.0880， 0.0887，0.0980，0.1704，0.0860]
根据式( 5) 和( 6) 计算得出每一项评价指标的客观权重为 v =[0.0626，0.00069，0.00069，0.0262，0.00069， 0.2374，0.3703，0.2023，0.0991]
再根据式( 7) 可求得每一项评价指标的综合权重值: W=[0.0337，0.0011，0.00044，0.0411，0.00056， 0.1937，0.3339，0.3171，0.0784]
4.5 综合评分
由三个方案每项指标的综合权重和归一化值，并根据式 ( 8) 可求出不同方案的综合评价值，如表 4 所示。
从表 4 结果可以看出，方案 3 综合评价最优，方案 2 次之，方案 1 最差。方案 3 好于方案 1 和 2 说明在配电网的不同位置接入光伏要优于只在其中的一个位置接入; 而方案 2 优于方案 1 则说明了光伏发电安装在配电网的末端时的综合效益要比安装在中间要好。
5 结论
针对传统单一评价方法的局限性，提出了一种组合权重法的光伏发电并网输电效率性能评价方法，求出经济性、可靠性和安全性等 3 个方面的各个指标权重。该评价方法不仅能反映专家的主观意见，而且充分考虑了外部环境等因素的客观影响，有效提高了评价方法的精度，评估结果更接近于光伏发电的实际情况。——论文作者：王湘艳1 ，苗 淼2 ，陈 宁1 ，汤 奕3
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