對基于晴空指數與波動特性的光伏電站可靠性研究

鄭飛

摘要：為了進一步提升光伏電站可靠性分析結果的準確性，筆者在分析中引入了晴空指數與波動特性，建立起了多狀態模型，同時，在本文中提出了相對應的分析方法。經過仿真試驗，證實了該模型的合理性，實現了可靠性分析質量的提升。

關鍵詞：晴空指數;波動特性;光伏電站;可靠性分析

引言：

當前，新能源的開發與使用受到了人們的重點關注，且有著較好的發展前景。但是，在新能源開發中，光伏發電存在波動性與不確定性，對電力系統產生了一定的負面影響。所以，必須要進行光伏電站的可靠性評價，并建立起科學可靠性的光伏電站模型。為了確保光伏電站建模以及可靠性研究的科學性、準確性，必須要引入晴空指數以及波動特性，實現太陽輻照度模擬模型的建立，以此為基礎完成后續的可靠性研究。

1.模型的構建

1.1太陽輻射模型的構建

1.1.1晴空指數與波動特性

晴空指數表示了設定時間內的天氣情況，如，每天的平均晴空指數代表了這一天中整體的天氣情況，表示了這一天中地表接受到的太陽輻射量總和與天文輻射量總和的比值。利用算式的形式能夠表示為：k_DC1=，其中，H_T代表了一天中地表接受到的太陽輻射量總和;H_C代表了天文輻射量總和。

波動特性主要表示了設定時間能為太陽輻射強度的情況。利用算式的形式能夠表示為：k_V1=，I_S=I_Ck_DCI。其中，I_T，K代表了設定時間段中第k段時間內地表的平均太陽輻射強度;I_S，K代表了設定時間段中一天內地表的太陽獨照均值曲線上，第k個時間點的輻照強度;Δt代表了研究輻照度的時間間隔;I_C代表了天文輻照強度;I_S代表了地表的太陽輻照均值;nd代表了研究時間的間隔數。

1.1.2輻照度模擬模型

在某一時刻（t）時，地表上的太陽輻射強度可以用公式完成計算。其中，I_B（t）代表了某一時刻（t）地表上太陽輻射強度的基準值;ΔI（t）代表了某一時刻（t）地表上太陽輻射強度的波動分量。在本此可靠性分析中，認定I_B（t）與I_S（t）相同。當將晴空曲線設定為基準值時，能夠保證基準曲線始終處于太陽輻射曲線的中間處，此時擬合的效果更顯著，能夠結合相關數據建立起設定時間內地表上的太陽輻射強度曲線。

1.2光伏電站模型的構建

1.2.1基于多狀態的光伏電站模型

在本次研究中，主要對由于太陽輻射而導致的光伏電站運行狀態的改變進行分析。對于地表的太陽輻照度來說，其與晴空指數和波動特性有著十分緊密的關系。所以，能夠通過每日平均晴空指數與波動特性的數值完成光伏電站運行狀態的劃分（N份和M份），并建立起光伏電站的狀態模型。為了減少分析中的步驟，在后續的計算中可以設定N=M^[1]。

當光伏電站此時的運行狀態為i^th時，若是其運行狀態發生改變，則狀態數達到M²是可能的。由此能夠得出，光伏電站狀態為j^th時的概率為P=，。其中，λ_ij代表了光伏電站由i狀態轉移到j狀態的轉移率;n_ij代表了光伏電站由i狀態轉移到j狀態的轉移次數;T_i代表了光伏電站處于狀態i的總時長，可以得出：。

1.2.2光伏電站出力模型

一般來說，光伏電站僅向電網提供有功功率。在光伏電站中，建有無功補償裝置，包括靜止無功補償裝置等等。所以，光伏電站的無功能夠實時的被平衡，在分析中可以忽略。

結合NASA網站中包含的多年月平均溫度數據，結合RETScreen軟件，能夠估算出由于環境溫度而引起的發電量損失數據，估算結果為4%。由于風速對于光伏發電量的影響有著較高的復雜性，所以在實際的分析中可以不予考量。

在不考慮環境溫度、風速的條件下，光伏發電站輸出功率的表達式如下：

其中，P_V（t）代表了光伏發電站在t時刻輸出的功率;P_sn代表了光伏電站的額定輸出功率;I_std代表了在標準測試條件下的單位光強;R_c代表了設定值;η_c代表了在標準測試條件下光伏陣列的能量轉化效率。

2.可靠性分析

2.1可靠性指標

在光伏電站的可靠性分析中，使用的可靠性指標有兩種，即概率性指標與確定性指標。其中，常用的概率性指標主要有缺電頻率、失負荷概率、缺電時間望等等。可以使用序貫蒙特卡洛模擬，完成對光伏發電站可靠性的評估，此時，使用的時序可靠性指標為LOLF（缺電頻率）指標。對于缺電頻率指標來說，其主要表示了設定時間內發電系統無法滿足符合需求發生的次數，表達式為：。其中，F代表了光伏發電站處于i狀態時的頻率;λ_k代表了狀態的轉移率;P_i代表了光伏發電站的故障概率;A為光伏發電站故障的集合;B為光伏發電站正常運行的集合。

2.2可靠性分析

在使用序貫蒙特卡洛模擬進行可靠性分析時，主要使用了抽樣元件狀態持續時間的概率分布。首先，需要要對按時間順序的元件狀態轉移過程進行模擬;其次，要展開合并，形成基于時間順序的光伏發電站狀態轉移過程。

對于光伏發電站來說，其具有間歇性以及模塊化的特點，能夠在自然停機的時間內展開維修以及檢測，所以，在實際的可靠性分析中，可以不考量光伏發電站故障的發生，僅考量在太陽輻照度變化的情況下光伏發電站的有功輸出^[2]。基于這樣的情況，光伏發電站可靠性分析的具體過程如下：第一，結合雙狀態停運模型對傳統發電機組在每個小時中的停運狀態進行確定，由此能夠得出在模擬周期內，傳統發電機組的可用放電容量序列;第二，結合公式P=，完成光伏發電站運行狀態的判斷，并制作出光伏發電站多狀態運行序列表;第三，結合實際測出的擬合某一時刻（t）地表上太陽輻射強度的波動分量的正態分布參數，計算出相對應的太陽輻射照度;第四，結合光伏發電站輸出功率表達式，計算出光伏發電站在模擬周期中的出力序列;第五，判斷發電系統的運行狀態，并計算出光伏發電系統的可靠性指標（缺電頻率）。

為了確保上述方式的科學性，筆者利用RBTS進行了仿真模擬測試，結果顯示，該方式得出的數據與實測數據溫和，證實了多狀態模型的合理性。筆者在依照上述過程對光伏發電站的可靠性進行分析時，進一步分析了光伏發電站多狀態模型對該評估的影響。結果發現，當光伏發電站的容量增加時，可靠性指標（缺電頻率）的數值呈現出先上升后下降的趨勢。由于在多狀態模型中，考量了天氣類型、波動特性等，所以得出的可靠性分析結果說服力較高。

總結：

綜上所述，在分析光伏發電站的可靠性過程中，引入晴空指數以及波動特性，并建立起多狀態模型，提升了可靠性分析結果的說服力。為了確保獲得的太陽輻射與實際規律相符合，只能使用的劃分方式，完成光伏發電站模型的構建。

參考文獻

[1]宗炫君，袁越，蔣科等.基于晴空指數與波動特性的光伏電站可靠性分析[J].電力工程技術，2019，38（01）：36-41.

[2]楊蘇，黃俊輝，關志堅等.含光伏電站發電系統可靠性評估方法研究[J].電力需求側管理，2017，19（04）：23-28.