基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量研究

趙玉林，周 航，王余陽，李藍青，魏 聰，王子博，莊 鎖

（1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京郵電大學 先進技術研究院，江蘇 南京 210023；3.國電南瑞科技股份有限公司 電網安全穩定控制技術分公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

“碳達峰·碳中和”目標的提出，促進了風電場并網規模的大幅增長。風電是一種輸出不可控、難以預測的資源[1]，大規模風電并網可能對電網電能質量造成嚴重影響，針對風電并網電能質量研究的重要性也日益凸顯[2]，[3]。

國內外學者針對風電并網以及電能質量問題進行了大量的研究。文獻[4]，[5]研究了風電并網對電力系統的影響，并提出風電并網后的電能質量計算方法，為進一步量化評估風電并網電能質量提供參考。在電能質量評估問題上，文獻[6]提出了基于層次分析法的分布式電源電壓支撐能力評估方法，由于依靠專家經驗打分，該方法應用于風電并網電能質量評估時容易出現主觀性過強，忽略客觀數據導致評估結果與事實不符的問題。文獻[7]～[10]提出了基于神經網絡方法、基于組合賦權TOPSIS法、基于有序加權平均算子方法、基于改進層次分析法等電能質量綜合評估方法，這些方法對于電能質量評估具有重要價值。然而，由于風力發電自身特性的問題，這些方法應用于風電并網系統電能質量評估時均存在待完善的地方。文獻[11]提出基于數據包絡分析的電能質量綜合評估方法，該方法能夠有效評估分布式電源電能質量，但客觀數據較少時該方法評估結果準確性不足。文獻[12]～[15]提出了改進的灰色關聯投影法、基于突變決策的綜合評估法、主客觀變異系數組合賦權綜合評估法、加權秩和比法的電能質量綜合評估方法，在進行分布式能源并網電能質量評估上具有較好效果。由于評估指標采用通用評估指標，未根據評估對象特性選取對應指標，導致評估結果不夠貼合風電并網系統實際情況。

針對以上問題，本文提出一種基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量綜合評估方法。該方法采用層次分析法和熵權法計算指標主、客觀權重，并組合得到綜合權重，能夠有效避免單一權重造成的評估誤差。針對電能質量評價指標存在一定的模糊性問題，使用模糊綜合評判法增強評價指標之間的關聯性，提升風電并網系統電能質量綜合評估結果準確性。最后通過實例進行電能質量評估，驗證所提方法的有效性。

1 風電并網系統電能質量評估指標體系

1.1 風電并網系統電能質量評估總體思路框架

基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量綜合評估總體框架如圖1所示。

圖1 基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量綜合評估框架圖Fig.1 Comprehensive evaluation frame diagram of power quality of wind power integrated system based on fuzzy compre-hensive evaluation

首先對電力系統電能質量評價指標進行梳理；其次，分析風電并網運行特性以及風電并網后引起的電能質量問題，根據分析結果提出風電并網系統電能質量評價指標；再次，提出了基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量評價方法，分別使用熵權法及層次分析法計算指標的客觀權重與主觀權重，結合主客觀權重計算綜合權重以降低權值偏差，使用綜合權重及模糊算子對風電并網系統電能質量進行模糊綜合評估；最后選取5個大型風電場變電站母線節點數據進行實例分析，驗證所提方法的合理性與有效性。

1.2 電能質量指標

隨著電網中接入對電能質量敏感的用電設備的增多，對電能質量要求也越來越高。電能的理想狀態是完美對稱的正弦波，然而隨著電網中各種非線性負荷的不斷增長及非線性電力電子設備的接入，電能波形相較于對稱正弦波出現偏差，也就出現了電能質量問題。廣義上的電能質量問題是指導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率問題。

實際應用中通常從電壓、頻率、波形3個方面來衡量電能質量優劣，依此可按圖2劃分電能質量評價指標。

圖2 電能質量評價指標Fig.2 Power quality evaluation index

由于不同系統的結構、構成器件不同，電能質量指標也具有一定的差異性，因此評價不同系統電能質量應根據其結構特點選擇相應的電能質量評價指標。

1.3 風電并網特點及其對電能質量的影響

風力發電指通過風力發電機將風的動能轉化為電能的過程，因此風力發電輸出功率與風速的立方成正相關，風力資源的不確定性導致風電機組輸出功率具有較大的隨機性、波動性及間歇性。

風機輸出電能通過電力電子變流器將不穩定的風電轉化為滿足并網要求的電能，并入電網實現能源消納，這一過程中電力電子變流器及控制模式的選擇對輸出電能有著巨大影響。目前電力電子變流器控制模式分為跟網型和構網型，跟網型采用鎖相環實現與交流電網同步，構網型則采用功率控制實現交流電網同步。風電并網系統在并網對象上分為并入交流電網和直流電網兩種，不同的并網控制方法及并網對象會導致不同的電能質量問題。由于目前構網型控制以及風電場直流并網依舊處于研究階段，在實際應用中多采用跟網型交流并網，因此本文主要針對跟網型交流并網場景下的風電并網系統進行電能質量問題研究。

風速變化、風機投切、湍流等因素可能會導致風機輸出電壓發生改變，進而出現電壓偏差、電壓波動、電壓閃變等問題。變速風電機組中含有大量非線性電力電子器件，風電機組并網也需要電力電子器件的參與，非線性電力電子器件的使用會帶來嚴重的諧波注入問題。即使對風電機組進行控制調節也難以避免風電機組輸出電能波動，而這些微小的電能波動可能導致風電并網后電網的運行狀態發生改變，影響電網電能質量水平。隨著可再生能源大力發展，風電規模大幅增長，風電在電網中所占比例也相應提高，風電并網給電網帶來的電能質量問題變得更加嚴重。

1.4 風電并網系統電能質量的評價指標

電能質量評價指標較多，且各指標的選取與計算流程復雜繁瑣。由于目前現有風電場多為跟網型交流并網風電機組，針對該場景下的風電機組運行特性及并網特點，選取對應的風電并網系統電能質量的評價指標。通過分析，得到如下的評估指標。

①電壓偏差

系統無功功率的不平衡是導致電壓偏差問題的主要原因。風機并網瞬間出現的沖擊電流，風機啟動時從電網吸收的無功功率以及運行過程中風機消耗無功功率，都會導致電網電壓降低；風電場脫網時，用以調節風電場并網點電壓水平的無功補償設備會引起電網電壓的上升，進而產生電壓偏差問題。

電壓偏差過大會影響電氣設備和電力系統的穩定運行，電氣設備可能由于過電壓或者過電流而損壞。當系統運行電壓低于額定電壓時，輸電線路的功率極限大幅度降低，導致系統頻率失穩，因此風電并網系統電壓偏差問題不容忽視。

②電壓波動與電壓閃變

風力資源的波動性及風電機組的固有特性可能導致電網電壓波動，進而出現電壓閃變現象。在風力發電過程中，風速和湍流強度的變化會導致風機輸出功率變化，功率的劇烈變化會導致并網電能出現電壓波動與電壓閃變問題。

風電場并網運行時，風力變化會引起機組輸出功率變化，由于出口電壓一定，會出現有功電流和無功電流變化，最終導致電壓的波動和閃變問題。電壓波動和閃變問題不僅會出現在持續運行過程中，也會發生在啟動、停止和切機階段。電壓波動以及電壓閃變會加速設備絕緣的老化，縮短設備壽命，增加電網損耗，不利于電網安全運行。

③諧波

風力發電機組自身產生的諧波很小，可以忽略不計，但由于風電機組并網運行過程需要電力電子器件的參與，接入電力電子器件之類的非線性設備會帶來較嚴重的諧波問題。

在定速風電機組持續運行過程中，電力電子器件處于停機狀態不會產生諧波；定速風電機組并網過程中，風力發電機通過電力電子器件連接電網，會產生短時諧波，由于時間短可以忽略，因此定速風電機組的諧波問題可以忽略不計。然而變速恒頻風電機組由于采用大量非線性電力電子器件，在運行時變頻器、變流器也處于運行狀態，會形成諧波。機組中用來補償機組功率因數而并聯的補償電容器可能與系統電抗發生諧振，加劇諧波問題。諧波會導致輸電線路損耗、用電設備過熱、附加損耗增加，降低設備的效率和耐久性。

④三相不平衡

若風電場并網運行過程中出現三相電壓不平衡的問題，會導致運行中的風機出現過流、不對稱運行等問題。過高的某一相的電壓會加速風機磨損，縮短風機使用壽命。此外還會加劇風機鐵芯發熱情況，損害其絕緣水平，甚至會導致電機出現燒毀、擊穿等故障。因此在評估風電并網的電能質量問題時，考慮風電并網后的三相不平衡問題是十分必要的。

隨著并網技術的進步，波形失真、頻率偏移、電磁暫態等電能質量問題得到了較好控制，在風電并網過程中出現概率較低，因此不予考慮。綜上，選取電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波、三相不平衡5個指標，建立風電并網系統電能質量的評價指標體系，如圖3所示。

圖3 風電并網系統電能質量的評價指標Fig.3 Power quality evaluation index of wind power integrated system

2 基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量量化評估

2.1 風電并網系統電能質量評估數據處理與隸屬函數

進行模糊綜合評判，首先應確定因素集U以及評語集V[16]。通過分析，選取風電并網系統電能質量的評價指標為電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波、三相不平衡，由此獲得因素集U：[U1（電壓偏差），U2（電壓波動），U3（電壓閃變），U4（諧波），U5（三相不平衡）]。

將電能質量劃分為5個不同的等級，構成五級模糊評判集V：[V1（電能質量好），V2（電能質量較好），V3（電能質量一般），V4（電能質量較差），V5（電能質量差）]。

通過模糊評判集量化評估指標，得到風電并網系統電能質量優劣等級量化分級結果，如表1所示。

表1 風電并網電能質量評估結果量化分級Table 1 Quantitative grading table of wind power integrated power quality evaluation results

根據表1得到評語集V：[95，85，75，55，40]。然后對初始數據進行無量綱處理，對于本文選取的風電并網電能質量評估指標而言，數據越小代表電能質量越優。對風電并網電能質量評估指標數據進行無量綱化處理后為

式中：xij為第i個評價對象的第j個風電并網電能質量評價指標的實測值，i=1，…，m，j=1，…，n；max（xj），min（xj）分別為同一電能質量評價指標下不同對象的最大與最小值，無量綱化處理后得到評判指標矩陣Y。

評判指標矩陣中，每個數據對應的不同評語的隸屬度可以通過隸屬函數來計算，采用Gauss型隸屬函數f（y）為

式中：y為風電并網系統電能質量評價指標；σ，c為Gauss隸屬函數的2個參數，σ取0.3；c為隸屬函數的中心位置，采取5個c值：c1=1，c2=0.75，c3=0.5，c4=0.25，c5=0，以保證每個指標具有5個評語隸屬度。

將參數σ和c代入式（2），得到5個評判集對應的隸屬度計算式。將評判指標矩陣Y中的指標yij分別代入到5個評判等級的隸屬函數中，計算指標yij對評判等級Vk的隸屬度fVk（yij）（k=1，2，…5；j=1，2，…n），進一步得到評判矩陣F為

2.2 權重計算方法

2.2.1客觀權重計算方法

熵權法按照各指標傳遞給決策者的信息量大小來分配權重，是一種客觀的賦權法[17]。當某項評價指標在系統中作用較小時，其信息熵權也較小，相較于其他指標對于決策產生的影響也較小。熵權法計算權重具體步驟如下。

①對評判指標矩陣Y進行標準化處理，針對傳統熵權法存在pij=0，導致pij無意義的情況，本文采用式（4）進行標準化處理。

②分別求取各風電并網電能質量評價指標的信息熵Ej。

③計算每個風電并網電能質量評價指標的信息熵權重ωj，得到評價指標客觀權重ω=[ω1ω2…ωn]。

2.2.2主觀權重計算方法

層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種能夠合理地將定性與定量的決策結合起來的主觀賦權法[18]。該方法根據專家主觀經驗以及評估需求將評判因素組成判斷矩陣，用以計算權重。采用層次分析法計算風電并網系統電能質量評價指標主觀權重的步驟可分為以下3步。

①建立判斷矩陣。對風電并網系統電能質量評價指標重要性兩兩比較，根據專家意見，使用如表2所示的九標度法對風電并網系統電能質量評價指標兩兩比較打分，構造判斷矩陣A。

表2 九標度法各標度值意義Table 2 Significance of each scale value of nine scale method

②計算風電并網系統電能質量評價指標。對判斷矩陣A進行按列歸一化處理，使用算術平均法求權重，獲得風電并網系統電能質量評價指標主觀權重θ。

式中：n為判斷矩陣階數,即風電并網系統電能質量評價指標個數；aij為判斷矩陣A中第i行第j列專家評分；a*ij為aij對應位置歸一化后的值；θi為第i個風電并網系統電能質量評價指標主觀權重值。

③計算排序權向量并進行一致性檢驗。首先計算最大特征值λmax，并進一步計算風電并網系統電能質量評價指標，判斷矩陣一致性指標CI，通過查表獲得判斷矩陣的平均一致性指標RI。結合CI與RI計算一致性比率CR。

若計算得到的一致性比率滿足CR＜0.1，則判斷矩陣通過一致性檢驗，判斷矩陣A與主觀權重向量θ合理；否則需要重新對風電并網系統電能質量評價指標進行評分，構造新的判斷矩陣A，直到通過一致性檢驗。

2.2.3綜合權重計算方法

針對熵權法客觀性過強使得評估指標在反應風電并網系統電能質量問題重要程度上不夠貼合實際的問題，以及層次分析法的主觀性過強缺乏客觀依據問題，結合熵權法以及層次分析法計算風電并網系統電能質量評價指標綜合權重λ為

式中：θ為風電并網系統電能質量評價指標主觀權重值；ω為風電并網系統電能質量評價指標客觀權重值。

2.3 基于模糊綜合評判的風電并網系統電能質量綜合評估流程

式中：bi（Vk）為每個電能質量指標相對評語Vk的隸屬度。

最后量化計算風電并網系統電能質量綜合評估結果，評估結果量化計算方法為

根據計算得到電能質量評估結果，與表2風電并網電能質量評估結果量化分級區間對應，得到風電并網系統電能質量優劣評語。

3 實例分析

在本文實例分析中，選取了國內5個大型風電場，其中，風電場2，4為內陸風場，1，5為沿海風場，3為海島風場[10]。5個風電場拓撲結構如圖4所示。

圖4 風電場拓撲結構圖Fig.4 Topological structure diagram of wind farm

結合本文對于風電并網系統電能質量的分析及選取的評估指標，采用5個風電場某時間段的母線節點監測數據進行實例分析，5處監測點電能質量初始數據如表3所示。

表3 監測點電能質量初始數據Table 3 Initial power quality data of monitoring points

隨著并網技術的發展，波形失真、頻率偏移等電能質量問題可以忽略。本文選取電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波、三相不平衡5個指標對風電并網系統電能質量進行綜合評估。

3.1 綜合權重計算

①基于熵權法求取客觀權重

由表3可得初始數據矩陣X，并使用式（1）對初始數據進行無量綱處理，得到風電并網電能質量評價指標的評判指標矩陣Y：

通過式（4）對評判指標矩陣Y進行處理，得到矩陣P：

計算各風電并網電能質量評價指標的信息熵，得到信息熵向量Ej：

最后對信息熵向量Ej進行單位化處理，得到客觀權重ω：

②基于層次分析法求取主觀權重

通過專家對風電并網電能質量評價指標進行重要性評估，得到專家評分數據，如表4所示。

表4 專家九標度法評分Table 4 Expert nine scale method score

由表4得到判斷矩陣A：

進行求和歸一化處理，得到主觀權重θ：θ=[0.474 1 0.194 5 0.092 6 0.061 6 0.177 1]

對得到的主觀權重進行一致性檢驗：

使用式（8）計算結果，得到最大特征值λmax=5.068 9以及判斷矩陣CI=0.017 2。通過查表獲得五階判斷矩陣RI=1.12，進一步計算得到CR=0.015 4＜0.10，通過一致性檢驗，判斷矩陣A與主觀權重θ合理。

③綜合權重計算

通過式（9）求得綜合權重λ：

由計算得到的風電并網系統風電評估指標的綜合權重可見，電壓偏差所占權重最高，達到0.4881。結合表3，可以確定電壓偏差在風電并網過程中對電網電能質量影響最大。因此在風電并網過程中建議優先考慮電壓偏差問題。

3.2 綜合評估分析

基于表3數據對5處監測點數據進行模糊綜合評估。首先將評判指標矩陣Y監測點1的數據代入式（3），計算得到監測點1的評判矩陣F1為

接著采用加權平均型模糊綜合算子進行總體評估：

最后由式（12）計算得到監測點1模糊評判分數Z1=70.633 9。

同理，得到其他4條線路模糊評判分數：（72.126 4 71.889 0 53.217 3 85.106 1 56.983 9），由5處監測點的評估結果可以得到電能質量優劣排序：監測點4＞監測點1＞監測點2＞監測點5＞監測點3。

3.3 結果分析

為驗證本文方法的有效性，使用基于突變決策的綜合評估法、主客觀變異系數組合賦權綜合評估法以及加權秩和比法[13]～[15]，對表3數據進行評估，評估結果如表5所示。

表5 不同評估方法對表3 數據評估結果Table 5 Different evaluation methods for table 3 data evaluation results

由表5所知：本文方法評估結果與文獻[13]，[14]方法評估結果一致；與文獻[15]評估結果相比，在監測點3與監測點5的評估上存在差別。這是因為本文分析風電并網特性后選取的風電并網系統電能質量評估指標相較于文獻[13]～[15]，排除了頻率偏差因素。在排除頻率偏差因素后，評估結果為監測點5電能質量好于監測點3，符合數據實際情況。在基于層次分析法計算主觀權重過程中，專家認為電壓偏差問題較其他電能質量問題更為頻繁且較難控制；由客觀權重可知，不同監測點三相不平衡問題差異較大，可對問題嚴重線路進行專項治理，提升電能質量；根據表3中原始數據可知，電壓偏差問題較其他問題更為嚴重，因此電壓偏差指標重要性高于其他指標，在權重中占比更大。本文評估結果：監測點4＞監測點1＞監測點2＞監測點5＞監測點3，符合實際情況。

基于突變決策的綜合評估法不需要計算指標權重，直接采用指標重要性排序均值，難以體現重要指標在評估中的價值。加權秩和比法在秩代換過程中存在信息損失，且采用單一客觀權重忽視了專家、用戶、運維工程人員經驗，導致評估結果不夠貼合實際。對此，本文結合熵權法及層次分析法計算綜合權重，綜合考慮專家意見以及電能指標實測數據波動情況，指標權重更合理。主客觀變異系數組合賦權綜合評估法未考慮指標模糊性及指標間的關聯性，對此，本文采用模糊綜合評判進行綜合評估，綜合考慮指標模糊性與指標間的關聯性，使得評估結果更加合理貼近實際。

實例評估結果驗證了本文所提方法的可信性，通過與不同評估方法、評估結果的對比分析驗證了本文方法的優越性，能夠準確反映風電并網系統電能質量實際情況。

4 結論

本文在分析電能質量評價指標、風電以及風電并網特性基礎上，提出風電并網系統電能質量的評價指標；使用層次分析法和熵權法計算綜合權重，并進行模糊綜合評價。最后使用本文所提方法對風電并網系統電能質量數據進行了評估，根據評估結果得到如下結論：①本文所提方法能夠有效獲得各個指標主客觀權重，更直觀的體現出風電并網對電網電能質量的影響，有助于采取對應措施提升電網電能質量，對提高風電并網系統電能質量具有一定參考價值；②本文所提評估方法能夠對風電并網系統電能質量做出準確的、符合實際情況的評估，評估結果驗證了本文方法的有效性和評估指標的合理性。