風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址綜合決策方法的研究

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(1.新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國(guó)網(wǎng)昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址是風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目的首要任務(wù)，亦決定了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投資的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行前期考察綜合判斷現(xiàn)場(chǎng)各指標(biāo)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)影響成為了研究的焦點(diǎn)，為判斷選址方案的優(yōu)劣提供了參考。文獻(xiàn)[1-3]評(píng)價(jià)了風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的風(fēng)能資源；文獻(xiàn)[4]采用ArcGIS分析SRTM(shuttle radar topography mission)提取選址區(qū)域起伏度、坡度兩個(gè)地形參數(shù)；文獻(xiàn)[5]利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)評(píng)價(jià)了風(fēng)電場(chǎng)交通條件，現(xiàn)實(shí)條件下風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址應(yīng)考慮風(fēng)能、聯(lián)網(wǎng)、交通運(yùn)輸和施工、地質(zhì)和地貌條件以及其他因素[6,7]；文獻(xiàn)[8]列舉了選址影響因素，并未采用任何方法對(duì)選址方案進(jìn)行評(píng)估決策；文獻(xiàn)[9,10]采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址評(píng)估分析，但選址決策結(jié)果依賴于專家意見，沒有能夠充分利用客觀數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述問題，首先利用層次分析法[9,10]將風(fēng)電場(chǎng)選址現(xiàn)場(chǎng)所要考慮各因素劃分成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，再采用三標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣提高收斂速度、一致性以及歸一化專家構(gòu)建判斷矩陣的權(quán)重向量的期望作為各指標(biāo)權(quán)重，最后利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法在“小樣本、貧信息”下確定各方案與理想方案的關(guān)聯(lián)程度[11,12]，從主、客觀角度綜合分析決策，選擇出合適風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址，為風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址提供了理論依據(jù)。

1 綜合決策方法

1.1 改進(jìn)的層次分析法

層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty在20世紀(jì)70年代中期提出的一種系統(tǒng)化、層次化分析的方法。但不能很好處理不確定因素、不同專家對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣有不同的認(rèn)可、判斷矩陣經(jīng)常出現(xiàn)不一致性的情況[13]等不足之處，采用有別于傳統(tǒng)層次分析法1～9標(biāo)度的三標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣來提高收斂速度和一致性；歸一化各專家判斷矩陣形成權(quán)重向量的期望，作為各指標(biāo)的權(quán)重。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)

注：B1各項(xiàng)數(shù)據(jù)于測(cè)風(fēng)塔70 m處采集；年有效利用小時(shí)數(shù)C13為風(fēng)速介于3～25 m/s的時(shí)間；湍流強(qiáng)度C12為10 min內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度大小；上網(wǎng)電量C35根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況由WAsP計(jì)算得出；清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)效益為在國(guó)際碳交易市場(chǎng)中相對(duì)于火電廠，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)相同電量減排的CO2以80元/t價(jià)格出售獲取的效益；節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量C53以每度電耗標(biāo)準(zhǔn)煤350 g計(jì)風(fēng)電場(chǎng)每年按所發(fā)電量可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量，也間接體現(xiàn)減排CO、SO2等污染物的量；環(huán)境保護(hù)投資C54包含風(fēng)電場(chǎng)水環(huán)境保護(hù)、生活污水與垃圾處理、大氣環(huán)保、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)理等費(fèi)用；水土保持投資C55包含工程措施、植物措施以及臨時(shí)措施投資等費(fèi)用。

采用改進(jìn)AHP包含以下步驟。

(1)確定風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址遞階層次結(jié)構(gòu)

綜合考慮利用谷歌地球(Google Earth，GE) 統(tǒng)計(jì)分析選址現(xiàn)場(chǎng)交通、并網(wǎng)、施工技術(shù)條件等，以及考慮風(fēng)能、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)以及對(duì)環(huán)境影響等因素，確定了圖1所示風(fēng)電場(chǎng)選址的遞階層次結(jié)構(gòu)。

(2)求解準(zhǔn)則層某子準(zhǔn)則權(quán)重過程

①建立比較矩陣A

專家采用三標(biāo)度法兩兩比較指標(biāo)的相對(duì)重要性得出如下比較矩陣A。

(1)

式(1)中，a1～an為各個(gè)指標(biāo)；

為指標(biāo)ai與指標(biāo)aj之間的比較結(jié)果。

②構(gòu)造判斷矩陣C

(2)

③求解權(quán)重向量及檢驗(yàn)一致性

④確定各指標(biāo)權(quán)重

(3)

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法基于鄧聚龍教授提出的灰色系統(tǒng)理論[15]，利用幾何原理比較分析理想方案各指標(biāo)與實(shí)際方案各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度，判斷各方案與理想方案偏差程度，關(guān)聯(lián)度越大表明越接近理想方案。同時(shí)結(jié)合AHP法確定對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的宏觀選址起直接影響關(guān)聯(lián)度和評(píng)估決策結(jié)果的權(quán)重，從而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址完全從客觀角度進(jìn)行決策。

具體步驟如下。

(1) 均值化處理

采用公式(4)均值化處理由評(píng)估方案數(shù)m與指標(biāo)層指標(biāo)n(C11～C55)構(gòu)成數(shù)組x(m×n)。

(4)

(2)求各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)

(5)

(3)確定各方案灰色關(guān)聯(lián)度

由AHP確定各指標(biāo)權(quán)重以及公式(5)得各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)，綜合決策得出各評(píng)價(jià)方案的灰色關(guān)聯(lián)度。

(6)

式中，γi為第i種評(píng)價(jià)方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度。

具體綜合決策流程，如圖2。

2 算例分析

選取具有優(yōu)良風(fēng)能資源的新疆9大風(fēng)區(qū)中額爾齊斯河河谷、十三間房、哈密三塘湖—淖毛湖等風(fēng)區(qū)，對(duì)裝機(jī)容量均為49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址進(jìn)行綜合決策，以上3種方案簡(jiǎn)稱為方案1、方案2、方案3。

通過搜集測(cè)風(fēng)塔資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、利用GE遙感影像等多種渠道確定風(fēng)電場(chǎng)選址現(xiàn)場(chǎng)客觀指標(biāo)值，如表1。

圖2 綜合決策流程圖

準(zhǔn)則層指標(biāo)方案1方案2方案3風(fēng)能資源B1C1157.6597.382.2C12416.15772.18525.06C135 6896 3436 936C146.199.586.49C150.1120.0950.102地質(zhì)因素B2C210.050. 100. 10C22130270280C233.51215C24508090技術(shù)因素B3C31110110110C32257.515C330.252C34255517C3511 484.010 584.59 438.1經(jīng)濟(jì)因素B4C417.127.387.18C428.9410.589.56C4311.1711.9411.11C4448 379.0442 350.9742 739.99環(huán)境因素B5C51741.6684.4456.9C528.5018.556.66C533.933.703.32C542043052C5590.680.1207.9

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重

本項(xiàng)目共有3位專家參與，根據(jù)公式(1)～(3)確定各指標(biāo)權(quán)值，α=(0.032, 0.032, 0.039, 0.037, 0.053, 0.046, 0.043, 0.039, 0.039, 0.071, 0.053, 0.031, 0.035, 0.044, 0.033, 0.031, 0.038, 0.063, 0.045, 0.036, 0.043, 0.060, 0.057)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)公式(4) ～(5)確定各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣結(jié)合改進(jìn)AHP確定權(quán)重α以及公式(6)可得3種選址方案與理想方案的灰色關(guān)聯(lián)度γ = [0.671,0.755, 0.691]。結(jié)果表明，方案1與理想方案的關(guān)聯(lián)度最小，方案2比方案3關(guān)聯(lián)度較為冗余，因此基于風(fēng)能資源、地質(zhì)因素、技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素以及環(huán)境因素的風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址綜合決策，方案2為最優(yōu)方案。

3 結(jié) 論

綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源、地址條件、聯(lián)網(wǎng)、施工以及交通等多方面因素，確定了風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)宏觀選址指標(biāo)體系，采用改進(jìn)AHP與灰色關(guān)聯(lián)度分析法相結(jié)合從主客觀角度綜合決策風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址。并對(duì)新疆3大風(fēng)區(qū)擬建49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址進(jìn)行算例分析，最終得出了科學(xué)、合理的結(jié)論。

當(dāng)然，實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址要考慮更多方面的因素，綜合決策考慮所有因素不現(xiàn)實(shí)、也不科學(xué)，因此如何從眾多因素中挑選出主導(dǎo)因素成為下一個(gè)研究的內(nèi)容。

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