引言

太陽能作為可再生能源和清潔能源,具有資源分布廣、能源清潔不產(chǎn)生污染以及取之不盡、用之不竭的特點(diǎn),因此受到了眾多國家的支持。隨著國家對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的大力推動(dòng)與支持,一系列光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策相繼出臺(tái),推動(dòng)了光伏項(xiàng)目的飛速發(fā)展。但光伏發(fā)電具有間歇性強(qiáng)、周期性強(qiáng)以及波動(dòng)性大等特點(diǎn),光伏并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極大挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)整體的沖擊與穩(wěn)定性影響,業(yè)內(nèi)已有較多專家深入研究了大規(guī)模、密集型以及10kV光伏并網(wǎng)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響,并對(duì)光伏并網(wǎng)的發(fā)電情況做了深入研究。但對(duì)于配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏的并網(wǎng),由于其點(diǎn)多面廣,發(fā)展迅速,且目前對(duì)于0.4kV光伏發(fā)電采集器受種種原因制約無法進(jìn)行集中管控,因此,對(duì)于0.4kV分布式光伏的發(fā)電效率以及實(shí)時(shí)發(fā)電功率仍無法做到預(yù)測(cè)。然而,目前0.4kV分布式光伏如雨后春筍般散落在各公用臺(tái)區(qū)與線路間,對(duì)于10kV配電網(wǎng)運(yùn)行安全以及穩(wěn)定性都造成了極大的挑戰(zhàn)。

本文將全面分析影響光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵因素,并對(duì)目前主流的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法進(jìn)行探討,提出針對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)算法,以加強(qiáng)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV光伏發(fā)電的輔助支撐,也為后續(xù)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏發(fā)電管控積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1光伏發(fā)電關(guān)鍵影響因素

光伏發(fā)電功率與諸多因素有關(guān),但針對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏,主要影響因素包括溫度、太陽光的輻照強(qiáng)度、傾角、天氣類型、設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等。

1.1溫度

光伏電池板表面溫度會(huì)對(duì)光伏電池板性能產(chǎn)生直接影響。光伏電池板吸收光粒子的效率在超過最高效率溫度后會(huì)隨著溫度的升高而降低,電池板溫度升高會(huì)使得電池板內(nèi)載流子的遷移率、擴(kuò)散長度以及少數(shù)載流子的壽命變差。同時(shí),光伏電池板由于其材料特性具有較強(qiáng)吸熱性,其溫度會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間加長而顯著上升,從而影響到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。在太陽能電池輸出M-I特性中,在照度不變的情況下,溫度的升高會(huì)使組件溫度上升,開路電壓和最大輸出功率下降。一般來說,廠家設(shè)備的光伏電池板普遍在20℃時(shí)效率最佳。

1.2太陽輻照度

太陽輻照度是指太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收、散射、反射等作用后到達(dá)固體地球表面上單位面積單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量,其單位為:瓦特/平方米(w/m2）。同時(shí),太陽輻照度是定量描述和研究太陽光輻射的重要參量。

硅是光伏電池主要元素,在太陽輻射粒子的作用下,電子與空穴會(huì)在硅材料中相應(yīng)移動(dòng),此時(shí)會(huì)在電池板中產(chǎn)生電場,進(jìn)而形成電流,輸出電功率。因此,太陽輻照度的強(qiáng)弱對(duì)光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率有直接影響。但由于各地區(qū)情況、維度等不同,太陽輻照度的值也有所不同,目前我國氣象局和美國NASA等都會(huì)發(fā)布地區(qū)太陽年均輻射量及日均總輻射量,可作為地區(qū)太陽輻照度的重要參考。同時(shí),對(duì)于10kV光伏并網(wǎng)或部分0.4kV分布式光伏并網(wǎng)都安裝有輻照度監(jiān)測(cè)裝置,可對(duì)太陽輻照度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.3設(shè)備轉(zhuǎn)換效率

設(shè)備轉(zhuǎn)換效率是指光伏電池板在吸收太陽能后將光能轉(zhuǎn)換為電能的最終轉(zhuǎn)換效率。設(shè)備由光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統(tǒng)等組成,其中最重要的元件是逆變器,逆變器的選用及其質(zhì)量直接影響光伏發(fā)電的效率。同時(shí),逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一部分,能夠?qū)⒐夥姵匕瀹a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,且具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能,其轉(zhuǎn)換效率取決于輸入與輸出功率的關(guān)系。目前,大多數(shù)主流廠家的設(shè)備轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到85%及以上,但轉(zhuǎn)換效率還與設(shè)備的質(zhì)量及使用環(huán)境等有密切關(guān)系。

2光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法

光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率的預(yù)測(cè)主要分為直接預(yù)測(cè)與間接預(yù)測(cè)兩大類別。

直接預(yù)測(cè)法是根據(jù)對(duì)光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率造成關(guān)鍵影響的因素直接獲取數(shù)據(jù),如當(dāng)天氣候數(shù)據(jù)、輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù),并建立直接測(cè)量模型,最后構(gòu)建虛擬電廠,模擬其光伏電站輸出功率。直接預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)是建模難度比較大,對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及準(zhǔn)確性要求比較高,且不同工作狀態(tài)和情況及各關(guān)鍵因素的變化可能會(huì)影響到模型的準(zhǔn)確性。

間接預(yù)測(cè)法是根據(jù)歷史數(shù)據(jù),如氣象數(shù)據(jù)、輻射數(shù)據(jù)以及設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等情況,通過建立光電轉(zhuǎn)換模型,得出光伏電站的輸出功率。間接預(yù)測(cè)法的特點(diǎn)是在整個(gè)預(yù)測(cè)過程中要建立多個(gè)預(yù)測(cè)模型,每個(gè)模型需要經(jīng)過反復(fù)推敲運(yùn)算,若是關(guān)鍵模型建立錯(cuò)誤,將導(dǎo)致整個(gè)模型失效,直接影響到光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)于光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)的具體算法較多,目前應(yīng)用較多的是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)、多維時(shí)間序列局部支持向量回歸的發(fā)電功率預(yù)測(cè)以及基于KmeanSSVs的光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)等,這幾類算法均對(duì)光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行了預(yù)測(cè)及驗(yàn)證,也是近幾年光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)的主流研究方向。

3區(qū)域配電網(wǎng)#0.4(分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)算法

針對(duì)0.4kV分布式光伏的具體情況,由于其分布范圍廣且零散,并以居民或小工廠用戶為主,獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)質(zhì)量均有較大局限,無法與10kV光伏并網(wǎng)的情況相提并論。但0.4kV分布式光伏的實(shí)時(shí)發(fā)電功率,直接影響到10kV線路以及公用臺(tái)區(qū)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此,本文提出了區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)算法,是在應(yīng)用直接預(yù)測(cè)法的基礎(chǔ)上,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正,優(yōu)化算法。

區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率與以下因素直接有關(guān):太陽輻照度、0.4kV分布式光伏對(duì)象的報(bào)裝容量、溫度、濕度、天氣類型以及設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等。綜合起來,光伏實(shí)時(shí)發(fā)電輸出功率表達(dá)式為:

式中,1為太陽輻射強(qiáng)度(kw/m2）:9為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),主要考慮設(shè)備轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備運(yùn)行情況等:s為0.4kV分布式光伏對(duì)象的報(bào)裝容量(kw）:7為氣候系數(shù),主要考慮溫度、濕度、天氣類型等。

3.1太陽輻射強(qiáng)度I

以全市情況為參考對(duì)象,由于考慮到各區(qū)域乃至各條10kV線路或臺(tái)區(qū)的實(shí)時(shí)太陽輻照強(qiáng)度會(huì)有較大不同,且由于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性問題及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低,無法直接選取0.4kV分布式光伏對(duì)象的實(shí)時(shí)輻照度,因此本算法直接選取預(yù)測(cè)對(duì)象臨近的多個(gè)10kV光伏分布點(diǎn)的實(shí)時(shí)太陽輻射強(qiáng)度I,并與歷史光伏輻照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),優(yōu)化太陽輻射強(qiáng)度I至合理區(qū)間。如需要預(yù)測(cè)某臺(tái)區(qū)下所有0.4kV分布式光伏的太陽輻射強(qiáng)度,則選取該0.4kV分布式光伏臨近的多個(gè)10kV光伏分布點(diǎn)的實(shí)時(shí)太陽輻射強(qiáng)度1作為參考值,與歷史同月光伏輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),優(yōu)化太陽輻射強(qiáng)度值,作為最終太陽輻射強(qiáng)度1值。太陽輻射強(qiáng)度的準(zhǔn)確性將直接影響到光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.2經(jīng)驗(yàn)系數(shù)η及氣候系數(shù)T

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)η包括了設(shè)備轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境以及投運(yùn)時(shí)間等,其取值需要依據(jù)進(jìn)行光伏實(shí)時(shí)發(fā)電預(yù)測(cè)的0.4kV分布式光伏的廠家情況、設(shè)備投運(yùn)時(shí)間、設(shè)備所處運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行綜合評(píng)估。采用最終算法進(jìn)行區(qū)間評(píng)估,選取0.6～0.96作為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值。

氣候系數(shù)T主要考慮了溫度、濕度、天氣類型等外圍環(huán)境影響因素,并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)下參考對(duì)象光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率值,綜合評(píng)估外圍因素對(duì)光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率值的影響。依據(jù)最終算法對(duì)不同溫度、濕度、天氣類型進(jìn)行區(qū)間評(píng)估,選取0.9～0.98作為氣候系數(shù)的取值。

3.30.4kV分布式光伏對(duì)象的報(bào)裝容量s

0.4kV分布式光伏對(duì)象報(bào)裝容量的多少直接影響預(yù)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)發(fā)電功率,因此,選取不同的預(yù)測(cè)對(duì)象,其報(bào)裝容量應(yīng)有不同取值。如需預(yù)測(cè)某一10kV線路下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率,則選取該10kV線路下所有0.4kV分布式光伏報(bào)裝容量累加值作為總報(bào)裝容量s:同理,若需預(yù)測(cè)某一臺(tái)區(qū)下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率,則選取該臺(tái)區(qū)下所有0.4kV分布式光伏報(bào)裝容量累加值作為總報(bào)裝容量s。

3.4(不同預(yù)測(cè)對(duì)象下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電輸出

依據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)算法,則能對(duì)不同區(qū)域或變電站等進(jìn)行0.4kV分布式光伏發(fā)電功率的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè),具體展現(xiàn)如表1所示。

4結(jié)語

綜上所述,通過分析影響光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵因素及光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法,提出了針對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測(cè)算法,為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及實(shí)時(shí)發(fā)電情況的掌握提供了有力支持。

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