第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
考虑到风电基地中不同风电场的地理位置、装机容量，辐射状拓扑可能并不是可靠性、经济性和技术性综合性能最优的方案，需要根据实际情况进行选择。鉴于国内外研究中对于风电基地功率汇集系统的综合评估研究还较少，不能满足实际工程的需要，因此研究风电基地功率汇集系统的指标评价体系和综合评估方法，以为工程建设提供全面、科学、客观的汇集方案选择方法，具有重大的实际意义。在计及负荷波动以及电源输出功率变化时，随机潮流计算是一种有效分析静态安全性的方法。目前的研究中，随机潮流计算同样可通过解析法和模拟法两类实现。模拟法的基本思想是通过多次抽样得到风电场不同的出力状态，在各状态下进行确定性潮流计算，再对状态变量的计算结果进行统计得到其累积分布概率等参数。由于模拟法的精度与模拟次数密切相关，故为保证一定的精度，该方法所需耗时长，内存占用大，实际上常作为标准来验证其它算法的效率和精度。解析法则是通过数学运算得到状态变量的统计特征值，再由级数展开等方法来拟合状态变量的概率分布，理论上通过一次计算即可得到结果，相应地，此种方法的误差较大。故国内外针对如何改进解析法中各环节误差的研究较多，文献[26]分析了基于半不变量的随机潮流计算各环节的误差（线性化误差、相关性引起的误差），比较了两种不同级数展开方法的精度。文献[27]由潮流方程的泰勒级数展开式导出了模拟线路开断的计算方法，但未计及电网中的其它不确定因素，当某些线路开断导致功率波动较大时，考虑到线性化误差该方法也不适用，文中提出采用传统补偿法来进行静态安全分析。
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1.2 国内外研究现状
本文从可靠性、经济性和技术性三方面建立风电基地的指标评估体系，并提出各指标的计算方法，进而选取合适的综合评价方法，以对风电基地功率汇集系统进行定量评估。研究的关键问题为可靠性评估方法和模型、技术性指标的选取和计算方法，以及综合评估方法。可靠性评估中，需要针对风电基地的实际情况来建立可靠性评估模型；在进行技术性评估时，主要根据确定性潮流计算结果来选取稳态指标并计算，同时考虑到风电场出力的随机、波动性，选取随机潮流计算来分析风电基地在不同功率汇集系统下并网时 PCC 点电压的波动、越限概率。基于指标计算结果，需要选取合适、有效的综合评价方法来进行风电基地功率汇集系统综合评估。以下从可靠性、随机潮流计算和综合评价方法三方面来阐述国内外研究现状。分析可靠性的方法主要有解析法和模拟法两大类。解析法的基本思想是：根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑关系，建立系统的可靠性概率模型。通过递推或迭代等过程精确求解此模型,从而计算出系统的可靠性指标[6]。故障模式与后果分析法(FMEA)[7]是最基本的一种解析法，该方法的核心是分析系统可能出现的所有故障事件及对应的后果，再以此为基础计算可靠性指标，但实际系统往往含有大量元件，网络的接线形式也较复杂，采用 FMEA 法需要进行大量的枚举分析，工作量大且易漏掉某些故障事件。文献[8]基于最小路法，采用网络等值法进行带有分支馈线的复杂配电网可靠性评估，其思路是通过分层等效，将下层线路、元件等值为一个等效元件，使复杂系统简化为基本的辐射状接线系统，再从上层往下逐层分析负荷点的停运率、停运时间等可靠性指标。文献[9]提出一种基于数据结构的改进故障遍历法，引入了数据结构中的深度优先搜索、广度优先搜索以及邻接表的概念，加快故障遍历速度；文献[10、11]考虑到故障树算法的局限性，研究如何将故障树转化为贝叶斯网络，并由算例分析验证了采用贝叶斯网络进行建模的有效性。文献[12~15]分别研究了基于最小割集法、二叉树模型和遍历技术、简化网络模型、最短路思想的配网可靠性评估算法。模拟法通过重复多次试验对元件概率分布采样来进行状态的选择和估计，再对每次试验结果进行统计得到可靠性指标，包括蒙特卡罗模拟法(MCS)、人工神经网络法(ANN)、非指数分布法等。
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第 2 章 风电基地功率汇集系统可靠性、经济性评估
2.1 风电基地典型功率系统指标评估体系
本文在建立风电基地功率汇集系统指标评估体系时采用层次结构，各层指标由综合到具体，这种结构既方便地描述指标间的关系，又有利于使评价过程方便、准确。一级指标包含技术、经济和可靠性指标，各一级指标又包含若干项二级指标。可靠性方面，将风电基地视为电源系统，选取等效停运率指标、年缺供电小时数和期望缺供电能指标，通过期望故障受阻电量相等原则将因功率汇集系统故障导致部分风电场不能输出功率的部分停运状态等效为风电基地整体的完全停运状态，并计算对应指标。经济性方面，主要考虑投资成本、运行损耗和因不完全可靠造成的损失。技术性方面，分别从稳态和暂态性能出发，选取描述电压、功率损耗、功率分布和风电场容量可信度、暂态情况下电压跌落等指标对功率汇集系统进行评估，具体各项指标如图 2-1 所示。
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2.2 风电基地典型功率汇集拓扑方式
通过研究目前规划中或已建成的风电基地功率汇集系统，本文总结出风电基地的三种典型功率汇集拓扑方式，分别为：链状、辐射状、链状和辐射状混联，以下为这三种功率汇集方式的具体介绍：扑如图 2-2，链状拓扑模式是风电基地中风电场先串接，再与汇集站相连，具体连接方式为距离汇集站较远或因地形限制不能直接与汇集站相连的下游风电场先与靠近汇集站的上游风电场逐个相连，由远及近地将各风电场输出功率汇集，再由汇集点集中送出。链状汇集拓扑最大的优点是需要的断路器、隔离开关、输电线路少，设备成本低，但因同一“串”中，上游输电线路故障将导致该位置处所有下游风电场有功功率不能输出，即输电通道可靠性较低，运行性能差于辐射状拓扑。如图 2-3，辐射状拓扑中风电基地中风电场直接与升压汇集站相连，各风电场的输出通道互不影响，因此这种连接方式下，风电基地总体的可靠性最高，但所需输电线路、断路器、隔离开关等设备较多，导致经济成本高。考虑到辐射状的大部分运行性能较好，故具体采用哪种拓扑方式需要根据实际地理位置和风电场的装机容量，进行综合评估后选择。基于以上提出的风电基地的典型功率汇集拓扑模式，本文从可靠性、经济性和技术性三个方面建立评估指标体系并提出各指标的计算方法，结合风电基地出力特效对部分指标现有算法进行改进，最终建立科学、全面的综合评估模型以对风电基地功率汇集系统进行评估，为实际风电基地的规划建设提供参考。
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第 3 章 风电基地功率汇集系统技术指标计算方法.............16
3.1 电压指标............ 16
3.2 功率损耗............. 22
3.3 潮流熵....... 23
3.4 容量可信度........ 24
3.5 短路容量............ 27
第 4 章 风电基地功率汇集系统综合评估方法...........33
4.1 基于熵权法的权重确定方法.......... 34
4.2 基于灰色面积关联分析法的综合评估方法...... 35
4.3 宁夏电网算例分析...... 37
4.4 本章小结............ 40
第 5 章 结论与展望.....41
5.1 总结.......... 41
5.2 展望.......... 42
第 4 章 风电基地功率汇集系统综合评估方法
基于第 2、3 章的建立的模型及指标计算方法求得各二级指标数值后，通过选取合适的权重确定方法并进行建立综合评估模型可对风电基地功率汇集系统进行综合评估，图 4-1 为风电基地功率汇集系统综合评估流程图，具体评估步骤如下：（1）根据本文定义的各项指标及计算方法计算各级指标；（2）由熵权法确定二级指标的权重，一级指标权重除可由熵权法确定外，还可根据专家经验或运行要求主观确定；（3）设定各二级指标的参考序列，计算不同拓扑方案各二级指标形成的比较序列与参考序列的相关面积，由此得到关联系数公式中的分辨系数；（4）计算不同比较序列各指标的关联系数，加权求和得到一级指标的关联度；（5）对一级指标加权求和得到不同拓扑方案的综合评估值，该值越大表示方案越优。
4.1 基于熵权法的权重确定方法
权重是进行综合评价前需确定的重要参数，表示某指标在整个评价体系中的重要程度，指标权重的取值很大程度上直接决定了评价结果的可靠性。大型风电基地不同功率汇集系统的评估指标中，会出现各评价方案的一些指标相差较大，而另一些指标较为接近的情况。很显然若不同方案中某指标值差异越大，该指标越能有效区分各方案的不同，应赋予其较高的权重；而指标值相近的指标在不同方案的评估中所提供的有效信息少、贡献小，其权重也应较小。熵权法的原理是采用熵来度量数据携带的有效信息量，熵值越大说明该数据携带的有效信息越多，其权重应较大；反之熵值小的数据携带的有效信息也较少，权重应较小。由以上分析知，熵权法能较好的满足本文有效区分不同拓扑方案的需求，得到科学、客观、有效的评估结果，故本文采用熵权法确定不同指标的权重。
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总结
随着国内风电基地的逐步建设，在进行各风电场功率汇集时，考虑各风电场实际地理位置、风电基地内部地形、装机容量等因素的影响，如何以三种典型拓扑（辐射状、链状、辐射状和链状混联拓扑）为基础选择可靠性、经济性和技术性最优的方案，是工程中急需解决的问题。由于目前国内外针对风电基地功率汇集系统的指标评价体系和综合评价方法方面的研究还较少，本文对风电基地功率汇集系统的指标评价体系和综合评价方法进行了全面研究，论文的主要工作以及取得的成果如下：
（1）可靠性评估方面，根据传统发电厂可靠性评价中的期望故障受阻电量不变原则，建立了适用于风电基地功率汇集系统可靠性评估的方法和模型。通过将各拓扑方案下风电基地中所有风电场逐步等效为一座总容量相等的等效风电场，分析各子系统的停运概率和对应的停运容量，并根据期望故障受阻电量相等计算风电基地总体在不同功率汇集方式下的等效停运率。最后通过算例分析证明了所提方法的有效性，并验证了辐射状拓扑可靠性优于链状拓扑这一结论。在常规经济性评估的基础上，计入可靠性指标中期望少供电量 EENS 造成的经济损失，建立风电基地功率汇集系统的经济评估指标。
（2）技术指标评估方面，分别从稳态和暂态性能出发选取指标建立指标评价体系，并针对其中的非常规指标提出了具体计算方法。稳态方面，基于确定性潮流计算、计及风速随机性和相关性的随机潮流计算选取了衡量电压质量、功率损耗和潮流均衡度的指标。同时在随机潮流计算中，针对具有相关性的风电场群进行了以减小线性化误差为目标的算法改进，并由算例分析验证了改进方法的有效性，并以此为基础进行了不同拓扑方案下节点电压越限概率和节点方差指标的算例分析。暂态方面，分别选取短路容量和平均电压跌落指标衡量不同拓扑下各拓扑的暂态特性。
（3）基于可靠性、技术性、经济性典型指标建立的评估体系，选取了熵权法确定各二级指标的权重，并采用了基于面积的灰色关联分析法对风电基地功率汇集系统进行综合评估，最后将本文所提风电基地综合评估方法应用于实际中，针对宁夏电网规划的新能源基地进行了实际算例分析，由综合评价结果有效比较了各待比较方案的优劣，验证了本文所提方法的有效性。
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参考文献（略）