新能源發(fā)電并網(wǎng)中電能質(zhì)量分析與評估方法

陳文升，劉 波

（上海電力設計院有限公司，上海 200025）

0 引言

目前，中國是世界第一能源消費大國，能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，支撐著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展。我國能源以以煤碳為主，在今后很長一段時間內(nèi)，煤電仍將在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導地位。隨著我國煤炭供應的日趨緊張以及目前我國中東部地區(qū)出現(xiàn)的嚴重霧霾天氣，將給我國未來能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的壓力。新能源作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，特別是風電、太陽能等新能源的開發(fā)利用，在我國已經(jīng)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，市場規(guī)模不斷擴大，在節(jié)能減排和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著積極的作用，是引導未來我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支柱力量。

伴隨著新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模風電、光伏發(fā)電將對電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。大規(guī)模風電和光伏發(fā)電等新能源的規(guī)劃建設、新能源并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響等方面的研究，是“十二五”期間需要重點關注的課題，盡管國內(nèi)外眾多學者在該方面的研究已經(jīng)開展了大量工作，但是在新能源工程領域還需梳理針對新能源發(fā)電較為合理的電能質(zhì)量分析與評估方法。鑒于此，本文從新能源并網(wǎng)中電能質(zhì)量的相關知識［1］入手，從電能質(zhì)量指標、電能質(zhì)量分析方法以及電能質(zhì)量評估方法等方面進行介紹和分析。

1 常用電能質(zhì)量指標

我國制定的電能質(zhì)量標準，是確保電力客戶安全用電、保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行、保護相關電氣設備正常運行的基本依據(jù)，也是實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)管和保障消費者用電權(quán)益的標準法律規(guī)定，各級供電部門和客戶均需按照標準進行供用電。隨著不同種類電氣設備以及新能源發(fā)電的接入，對并網(wǎng)設備的電能質(zhì)量要求越來越高。一方面，電能質(zhì)量指標如果與規(guī)定的標準指標偏離過大，將會給電網(wǎng)安全、輸變電和用電設備造成不同程度的損害；另一方面，電能質(zhì)量的優(yōu)劣也將直接關系到國民經(jīng)濟的總體效益，體現(xiàn)了我國電網(wǎng)發(fā)展的整體水平。因此，許多國家對電網(wǎng)的電能質(zhì)量頒布了許多標準和規(guī)定，由于國外電網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在明顯的不同，所頒布的標準也就各不相同。但是，制定的電能質(zhì)量標準的目的是一致的，都是為了確保新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后電網(wǎng)的電能質(zhì)量能夠滿足要求，持續(xù)保證對客戶提供優(yōu)質(zhì)的電能。

電能質(zhì)量是指電力裝置在正常工作狀況下不中斷和不干擾客戶使用電力的相關特性［2］。在我國新能源發(fā)展并網(wǎng)中，主要應用的電能質(zhì)量指標有電壓波動、諧波、閃變和三相不平衡。

2 電能質(zhì)量分析方法

新能源并網(wǎng)后，諸如風電、太陽能等由于具有隨機波動的特性，并網(wǎng)后將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。

目前，電力系統(tǒng)中各種不同類型的擾動引起的電能質(zhì)量問題，主要可分為穩(wěn)態(tài)問題和暫態(tài)問題兩大類。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)電能質(zhì)量通常以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類［2］。目前，在新能源并網(wǎng)中電能質(zhì)量分析方法可分為時域、頻域和變換域三類。

1）時域仿真方法 由于電力系統(tǒng)主要由RLC等元件組成，而且可以用微分方程來描述電力系統(tǒng)元件特性的方程，因此可以通過求解這些微分方程來研究電能質(zhì)量問題中存在的各種暫態(tài)現(xiàn)象。目前，大多采用時域仿真程序（如EMTP、PSCAD或SPICE）對包含新能源發(fā)電的電能質(zhì)量問題的各種暫態(tài)現(xiàn)象進行研究和分析。

2）頻域分析方法 分析諧波在系統(tǒng)中的分布情況。目前大多采用頻率掃描、諧波潮流計算等分析方法。

3）變換域分析方法 目前大多采用Fourier變換方法、短時Fourier變換方法、二次變換法和小波變換方法等。主要是將分析的采樣信號作上述某種變換，然后依據(jù)一些信號處理的方法來分析信號的特征特性，實現(xiàn)電能質(zhì)量的檢測分析和研究。

3 電能質(zhì)量評估方法

隨著電力市場改革的推進，電力產(chǎn)品必然要求做到按質(zhì)定價、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價，因此有必要建立一套全面、公正和有效的包含新能源發(fā)電的電能質(zhì)量綜合評價體系，對電能質(zhì)量進行科學的綜合評價。首先，電能質(zhì)量綜合評價是對某區(qū)域電網(wǎng)或某供電節(jié)點電能質(zhì)量優(yōu)劣的一種主要方法；采用公開、合理、公正、全面的電能質(zhì)量評價方法，對電能質(zhì)量進行綜合的評價，是建立公平的電力市場的重要組成部分之一，是供用雙方制定供電合同及明確電能質(zhì)量責任的重要依據(jù)；其次，電能質(zhì)量綜合評價是電能商品按質(zhì)定價的客觀要求［3］。

新能源發(fā)電并網(wǎng)中電能質(zhì)量綜合評估的一般過程：建立電能質(zhì)量綜合評價指標體系，明確評價電能質(zhì)量指標項目；搜集單項電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，采用一定的方法對指標進行歸一化處理；根據(jù)參評單項電能質(zhì)量指標重要性的不同，采用適當?shù)姆椒ù_定指標相應的權(quán)重值；選擇或構(gòu)造適當?shù)木C合評價模型，計算綜合評價對象的電能質(zhì)量綜合評價值［3］。

文獻［1］為了克服傳統(tǒng)的單一賦權(quán)方法的不足，提出了確定電能質(zhì)量各評估指標權(quán)重的組合賦權(quán)法（即主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合），并利用該方法對公共連接點的電能質(zhì)量模糊綜合評價。該方法可以有效提高電能質(zhì)量模糊綜合評價的客觀性和科學性。

文獻［4］提出了將可拓學與層次分析法（AHP-Analysis of Hierarchy Process）相結(jié)合的電能質(zhì)量評估方法。該方法利用可拓學中的物元理論對電能質(zhì)量進行物元分析，利用相關函數(shù)理論進行量化并形成關聯(lián)值矩陣；然后利用層次分析法得到各評價指標的權(quán)重；最后利用該方法對公共連接點（PCC-Point of Common Coupling）的電能質(zhì)量問題進行了綜合評價。

文獻［5］考慮在電能質(zhì)量評估中的多種評價指標的情況，提出了基于密切值法的電能質(zhì)量評估方法。該方法可以在不需要確定隸屬函數(shù)等主觀參數(shù)的情況下開展綜合評估分析，因此，評估得到的結(jié)果更具有客觀性和有效性。

考慮到電能質(zhì)量評估是一個有多個評估指標多個影響因素決定的問題，文獻［6］提出了基于模糊多目標決策理論的電能質(zhì)量綜合評估方法。該方法分析了各個評估指標的特點，確定了其相應的目標類型，提出了相應的數(shù)學模型以及構(gòu)造判據(jù)的相對優(yōu)屬度矩陣，并基于該矩陣對電能質(zhì)量進行綜合評估。例如：投影尋蹤法（projection pursuit）具有逼近一般非線性影射和分類的能力，而遺傳算法具有全局搜索能力強、信息處理的隱并行性和魯棒性強、可規(guī)?；葍?yōu)點。鑒于此，文獻［7］提出了基于遺傳算法的投影尋蹤理論的電能質(zhì)量評估方法。

文獻［7］提出的方法，首先利用投影尋蹤法把多評價指標問題轉(zhuǎn)化為單一投影指標問題，然后利用遺傳算法優(yōu)化了投影方向，并根據(jù)最佳投影值與對應等級的關系建立了用于綜合評估電能質(zhì)量的遺傳投影尋蹤插值模型。

文獻［8］在分析電能質(zhì)量綜合評估的基礎上，提出了基于遺傳算法的Shepard插值理論的電能質(zhì)量綜合評估方法。該方法構(gòu)建了電能質(zhì)量綜合評估的Shepard模型，并利用加速遺傳算法求解所提出的Shepard模型中的非線性優(yōu)化問題。為了適應未來數(shù)字化社會電能質(zhì)量的多層次需求和電力市場的多層次交易的挑戰(zhàn)。

文獻［9］基于短板效應理論，并依據(jù)電磁兼容的敏感特殊客戶需求水平、規(guī)劃水平、兼容水平和設備免疫力水平，提出了科學評價電能質(zhì)量綜合等級的方法，該方法有利于區(qū)分電能質(zhì)量等級以及對電能質(zhì)量進行定性評價。

文獻［10］以概率統(tǒng)計和矢量代數(shù)為基礎，提出了基于日周期的電能質(zhì)量量化和評價方法。該方法采用矢量代數(shù)法將電能質(zhì)量的各分項評估指標歸一量化分析后，進而得到評價電能質(zhì)量的綜合唯一量化指標，最后利用該方法對電能質(zhì)量進行綜合評價。

文獻［11］提出了基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡的電能質(zhì)量綜合評價方法。該方法對電能質(zhì)量的各單項指標進行分級，然后利用隨機分布的原理隨機生成了大量的樣本并將其用于訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，建立了電能質(zhì)量綜合評價的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

文獻［12］結(jié)合層次分析法和模糊方法，提出了電能質(zhì)量模糊綜合評價方法。該方法先利用層次分析法確定指標的主觀權(quán)重，然后再根據(jù)不同評價對象的具體情況對這些權(quán)重進行修正，得到可變綜合權(quán)重，最后利用模糊綜合評判對公共連接點（PCC）的電能質(zhì)量進行了綜合評判。

文獻［13］按照電能質(zhì)量好壞程度將各分項指標劃分為五級評價標準區(qū)間，并采用區(qū)間平均分布密度的概念建立了電能質(zhì)量評價的模糊模型，之后運用層次分析法確定電能質(zhì)量各評價指標的權(quán)重大小，在此基礎上提出了二級模糊綜合評價方法。

文獻［14］提出了利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡進行電能質(zhì)量經(jīng)濟性評估的方法，并針對公共連接點節(jié)點電壓跌落引起經(jīng)濟損失的特點，建立了用于評估電壓跌落造成經(jīng)濟損失的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡。

文獻［15］利用層次分析群決策法確定各評估指標的權(quán)重，在此基礎上利用模型樹（Model Tree）建立了電能質(zhì)量綜合評價模型和方法。該方法不僅完全可以模擬專家對電能質(zhì)量的評價，而且避免了評價過程中人為的主觀影響和不確定性，因此具有較強的客觀性和通用性。

文獻［16］提出了一種基于熵權(quán)的層次分析法的電能質(zhì)量模糊綜合評估方法。該方法利用熵權(quán)修正了采用層次分析法得到的電能質(zhì)量各項評估指標的權(quán)重，得到可變的綜合權(quán)重，并在此基礎上利用模糊綜合評判的方法對電能質(zhì)量進行了綜合評估。

文獻［17］提出了基于物元分析法的電能質(zhì)量綜合評估方法，建立了電能質(zhì)量綜合評估的物元分析模型，利用該模型可以確定各指標的客觀權(quán)重；該方法應用物元可拓集方法，構(gòu)造了物元矩陣，最后根據(jù)計算出的關聯(lián)度大小對電能質(zhì)量進行了綜合評估。

文獻［18］提出了基于置信度準則的電能質(zhì)量模糊綜合評價方法，建立了電能質(zhì)量綜合評價層次遞階模型，在模型中綜合考慮了影響電能質(zhì)量的各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)因素。

文獻［19］基于屬性識別理論，通過建立電能質(zhì)量綜合評價的屬性識別理論模型，利用層次分析法確定電能質(zhì)量綜合評價中各指標的權(quán)重，在此基礎上提出了一種基于層次分析法和屬性識別理論的電能質(zhì)量綜合評價體系和方法。

文獻［20］基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊識別理論方法，提出了一種基于模糊神經(jīng)識別網(wǎng)絡模型的電能質(zhì)量綜合評估方法。

4 結(jié)語

本文從電能質(zhì)量定義著手，介紹了常用的幾種電能質(zhì)量指標，列舉分析了電能質(zhì)量分析方法，并在此基礎上對電能質(zhì)量的評估方法進行進行分析和綜述，為全面了解新能源發(fā)電綜合量化分析與評估電能質(zhì)量方面的知識提供幫助，對衡量含新能源發(fā)電的電能質(zhì)量優(yōu)劣提供一定的參考價值。

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