張海玉，張國鋒，李 明，羅忠游，趙立斌

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000）

由于生態(tài)環(huán)境的不斷惡化和化石能源的日益消耗，可再生能源發(fā)電技術(shù)的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1]。由于可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定的時間特性和大規(guī)模發(fā)電的波動性，為提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可再生能源技術(shù)不斷得到提升。但風(fēng)電和光伏電站的平臺差異較大，數(shù)據(jù)信息不統(tǒng)一，現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境各異，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。因此，可再生能源技術(shù)研究的第一步需要對風(fēng)能和太陽能電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和奇異點(diǎn)檢測，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并據(jù)此對主要部件和數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將風(fēng)能和太陽能儲能電站中常用的數(shù)據(jù)分析算法集成到一個統(tǒng)一的分析系統(tǒng)中，對風(fēng)能和光能等可再生能源的開發(fā)具有積極意義[2]。

近年來，提出的對風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價方法中，各方案的綜合評價值差異不大，導(dǎo)致評價困難；其中，統(tǒng)計檢驗(yàn)方法、專家評分方法和集值統(tǒng)計迭代方法較難實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評價。層次分析法可以將思維以數(shù)學(xué)的方式展現(xiàn)，通過定量定性方法分析問題，確保綜合評價不再復(fù)雜化，這種方法十分適用于風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)權(quán)值測定。然而，該方法具有很強(qiáng)的主觀性，并不能保證評價結(jié)果為最優(yōu)[3]。

為解決傳統(tǒng)評價方法中存在的問題，文中提出基于改進(jìn)層次分析法的風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型，并驗(yàn)證了其在風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價中的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)預(yù)處理

風(fēng)能和光伏的高波動性導(dǎo)致了較高的功率滲透率。在微網(wǎng)絡(luò)中，無論是并網(wǎng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，還是孤網(wǎng)運(yùn)行的內(nèi)部能量平衡，都需要配置動態(tài)響應(yīng)速度短、性能好、壽命長、可靠性高的儲能系統(tǒng)[4]。各種能量儲存系統(tǒng)在響應(yīng)時間、使用壽命和轉(zhuǎn)換功率上存在很大差別，對各種能量儲存方式和混合多系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，對改善微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能具有重要意義。風(fēng)光儲能電站總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)光儲能電站總體結(jié)構(gòu)

新能源輸出存在短期負(fù)荷預(yù)測、故障診斷、儲能配置等問題，文中以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究[5]。但由于各種因素，風(fēng)電場、光伏電站在現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)中存在一些問題，如數(shù)據(jù)重復(fù)、錯誤等，增加了分析數(shù)據(jù)的難度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果出現(xiàn)偏差。為提高工作效率，在進(jìn)一步研究前必須對風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。選擇適當(dāng)?shù)奶幚硭惴ㄟM(jìn)行研究，該算法以C++語言為基礎(chǔ)編寫，減少動態(tài)鏈接庫的影響。在處理大量數(shù)據(jù)時，還可以為后續(xù)的分析做好準(zhǔn)備。

通過對風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，由于許多因素，如采集工具和數(shù)據(jù)記錄過程等，產(chǎn)生了許多問題。例如，在特定時間內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)時存在的問題如數(shù)據(jù)出錯（稱為奇點(diǎn)）、數(shù)據(jù)丟失、噪音污染等；同時，分析數(shù)據(jù)時存在數(shù)據(jù)格式的多樣性，維度不一致過程中的多重數(shù)據(jù)分析，需要從多組數(shù)據(jù)中提取主成分。當(dāng)數(shù)據(jù)存在重復(fù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)的時間刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，僅保留一個值作為分析值；當(dāng)數(shù)據(jù)為單數(shù)時，將超過新能源發(fā)電站的容量，并且附近數(shù)據(jù)的變化將突出。將這種情況看作一種奇異性，對這種奇異性進(jìn)行修正；在分析數(shù)據(jù)時，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和處理。采用聚類分析算法選取適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[6]。

2 風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型

2.1 充放電時間儲能數(shù)據(jù)分析

當(dāng)風(fēng)電場和光伏發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生多余電能時，儲能電池組可以按照風(fēng)光太陽能儲能系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)指令進(jìn)行充電，當(dāng)兩個系統(tǒng)輸出有功功率不足時，電池組自行放電，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出有功功率[7]，提高系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定性；并網(wǎng)變換器完成直流能量與交流能量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行；控制部分主要完成蓄電池充放電控制和變換器調(diào)節(jié)。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)向蓄電池儲能系統(tǒng)輸送電能時，針對蓄電池的充電特性，采用了恒流充電方式。蓄電池處于充電狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 儲能電池充電特性曲線

圖2 中，在初始階段，蓄電池的充電方式為恒流充電，其能夠確保充電電流保持不變，在這一階段，充電電壓和容量不斷增加，隨后采用恒壓充電，確保充電電壓不變，該階段的充電電流呈現(xiàn)下降趨勢，且逐漸接近于零[8]。

當(dāng)電能從蓄電池儲能系統(tǒng)流向電網(wǎng)側(cè)時，蓄電池處于放電狀態(tài)，放電特性曲線如圖3 所示。

圖3 放電特性曲線

圖3 中，放電電流滿足如下關(guān)系：Ik＞Ik+1,k=1,2,3,4,5。隨著放電電流的增加，儲能電池的放電時間會不斷縮短，端電壓降低。當(dāng)放電電流恒定時，儲能電池的電壓出現(xiàn)變化，放電時間也會發(fā)生改變，從前期的增長到迅速下降[9]。

2.2 風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價

在對風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價時，從代表性、系統(tǒng)適用性、模糊綜合評價指標(biāo)體系的適用性等方面建立模糊綜合評價指標(biāo)體系，并建立相對成員評價指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)的模糊評價矩陣[10]。評價模型的最終目標(biāo)是比較各方案的優(yōu)劣，從中選擇一種相對最佳的方案，通過優(yōu)化后的相關(guān)性，確定理論領(lǐng)域內(nèi)各評價指標(biāo)的相對隸屬度以及各評價指標(biāo)的相對優(yōu)劣。

設(shè)評價指標(biāo)共有n個，針對風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)的方案共有m個，則建立的評價指標(biāo)樣本系為：

其中，x(i,j)表示指標(biāo)值為非負(fù)值，由于在最初階段不同的指標(biāo)都具有隸屬度，因此，需要進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)處理，消除指標(biāo)的量綱效應(yīng)，確保建模具有通用性，文中選用標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證不同指標(biāo)的處理信息[11-13]。標(biāo)準(zhǔn)化處理計算公式為：

其中，xmax(i)表示樣本數(shù)據(jù)i的最大值，xmin(i)表示樣本數(shù)據(jù)i的最小值，r(i,j)表示經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的評價指標(biāo)，即方案j對指標(biāo)i的相對隸屬度。在確定所有的r(i,j)后，建立模糊評價矩陣：

根據(jù)評價矩陣確定不同評價指標(biāo)的權(quán)重[14-15]。選取n階判斷矩陣，設(shè)定約束條件，根據(jù)約束條件得到全局最小值。不同判斷矩陣對平均隨機(jī)一致性指標(biāo)系數(shù)值不同，即CIC(n)，文中設(shè)定的閾值為0.10，如果CIC(n)＜0.10，則證明得到的矩陣具有一致性，評價結(jié)果可以接受；否則證明不具備一致性，評價結(jié)果不能接受[16]。

通過相乘和累加相對隸屬度，得到基于改進(jìn)層次分析法的綜合評價指標(biāo)z(j)，計算公式為：

其中，z(j)代表得到的綜合評價指標(biāo)，z(j)數(shù)值越大，則證明該方案越優(yōu)越。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證文中研究的基于改進(jìn)層次分析法的風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型的數(shù)據(jù)評價效果，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選擇基于模糊分析法的風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型和基于動態(tài)等值分析法的風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型以及文中評價模型對風(fēng)光儲能電站數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，分析3 種評價模型的組合風(fēng)速評價結(jié)果、有功功率評價結(jié)果。根據(jù)有功功率誤差結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。組合風(fēng)速評價結(jié)果如圖5 所示。

分析圖5 可知，在風(fēng)速平穩(wěn)的狀態(tài)下，文中評價模型與傳統(tǒng)評價模型的評價結(jié)果相差度較小，雖然文中模型評價結(jié)果與實(shí)際值更加接近，但是并未過多高于傳統(tǒng)模型，然而當(dāng)風(fēng)速突然增加和降低時，文中模型的評價準(zhǔn)確度明顯高于傳統(tǒng)模型。

為了驗(yàn)證所提方法的科學(xué)有效性，實(shí)驗(yàn)分析了不同評價模型對有功功率的評價，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6 可以得到有功功率評價誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

圖6 有功功率評價結(jié)果

表2 有功功率評價誤差

在存在風(fēng)速波動和有功功率控制的情況下，文中設(shè)計的評價模型評價效果與實(shí)際評價結(jié)果基本一致，而傳統(tǒng)模型的評價落差較大，這是由于在實(shí)際評價中，風(fēng)光儲能電站的運(yùn)行狀態(tài)不同，傳統(tǒng)模型難以在短時間內(nèi)確定運(yùn)行狀態(tài)，因此評價結(jié)果精準(zhǔn)度不高，驗(yàn)證了所提方法的科學(xué)有效性。

4 結(jié)束語

風(fēng)光儲能電站的數(shù)據(jù)評價模型主要難點(diǎn)是如何合理確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。為此，文中通過構(gòu)造判斷矩陣確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，并借助加速遺傳算法保證判斷矩陣的一致性，計算每個元素的權(quán)重層次分析。研究結(jié)果表明，改進(jìn)的層次分析法評價結(jié)果更加客觀、穩(wěn)定，方法通用性更強(qiáng)，在風(fēng)能太陽能蓄能電站數(shù)據(jù)綜合評價中具有應(yīng)用價值。