影響光伏功率輸出因素的研究與分析

王仕俊 平 常 薛國斌 王定剛 姜 濤

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影響光伏功率輸出因素的研究與分析

王仕俊1平 常1薛國斌1王定剛2姜 濤2

（1. 國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050；2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司送變電工程有限公司，蘭州 730050）

本文分析了光伏電站輸出功率的影響因素，重點(diǎn)討論了光伏系統(tǒng)自身電氣參數(shù)以及氣象要素中的輻照度、天氣狀況、溫度和季節(jié)對光伏發(fā)電量的影響。通過對某30MW光伏電站的歷史發(fā)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出了相應(yīng)的結(jié)論。該結(jié)論也為預(yù)測發(fā)電功率的輸入樣本的選取提供了理論基礎(chǔ)。

電氣光伏電站；電氣功率；電氣屬性；氣候條件

近年來，隨著國家補(bǔ)貼力度加大和光伏產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步，二次能源光伏產(chǎn)業(yè)得到了很大程度的發(fā)展，其組件成本也呈現(xiàn)出持續(xù)走低的勢頭。然而，太陽能屬于穩(wěn)定度低、時(shí)斷時(shí)續(xù)的二次能源，使得光伏電站的輸出功率也存在穩(wěn)定性差以及間歇性的特征。其中，光伏電站電氣屬性、天氣氣候條件是影響光伏發(fā)電量的重要因素，故準(zhǔn)確認(rèn)識到這兩個因素對預(yù)測光伏發(fā)電功率的影響，從而進(jìn)行適當(dāng)計(jì)劃和調(diào)度，具有重要的研究意義。影響光電功率的種類因素有很多，一般分以下兩類，一類是光伏電站本身電氣屬性，另一類是外部氣象環(huán)境，或者外部氣象屬性。一般認(rèn)為：輻照度、天氣類型、季節(jié)、溫度等屬于外部氣象屬性。本文將依據(jù)某30MW光伏電站所采集到的歷史數(shù)據(jù)，對這兩個主要因素展開分析，從實(shí)例說明這兩個因素對光伏輸出的具體影響。

1 本身電氣屬性對光伏輸出的影響

對于光伏電站內(nèi)部本身就擁有的屬性，要考慮因素繁多復(fù)雜，并且一些性能參數(shù)在工程中并不作參考之用。但是對光伏電站已并網(wǎng)投入運(yùn)行的情況下，光伏輸出電量展現(xiàn)出較高的相關(guān)性，光伏板的自身屬性配置信息，包括光伏地理位置、安裝的高低角度、電池轉(zhuǎn)化為電能的效率、逆變器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率、電池表面是否清潔等，這些相關(guān)信息因素已經(jīng)被考慮在歷史輸出功率之中，在光伏電池的相關(guān)組件的壽命期間，它們變化很小，在短期功率預(yù)測中將其視作為恒定不變的量，故通常把光伏歷史輸出的數(shù)據(jù)樣本當(dāng)作預(yù)測模型的樣本輸入。

2 氣象要素對光伏輸出的影響

2.1 太陽輻照度的影響

本節(jié)依據(jù)某30MW光伏電站所測得的歷史數(shù)據(jù)，從2017年12個月份中，選取每月的15號，對其發(fā)電量、輻射量以及峰值日照時(shí)之間的關(guān)系進(jìn)行說明。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 光伏電站歷史數(shù)據(jù)

1）發(fā)電量和輻射量的關(guān)系

輻照強(qiáng)度的概念是，在單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積受到的太陽垂直投射所接收的輻射能量。光伏板的輸出功率隨著吸收的輻照強(qiáng)度變強(qiáng)而增加。其關(guān)系圖如圖1所示。從走勢圖中可以直觀看出，光伏輸出功率的走勢隨著太陽輻照強(qiáng)度的走勢變化而變化，而且兩者波動趨勢相似。

圖1 發(fā)電量和輻射量走勢圖

2）發(fā)電量和峰值日照數(shù)的關(guān)系

先來解釋兩個定義：日照時(shí)數(shù)指當(dāng)?shù)刂苯犹栞椪斩瘸^0.12kW/m2所有時(shí)間段的總和，單位為h。峰值日照時(shí)數(shù)指某地區(qū)一天時(shí)間內(nèi)，地面上累計(jì)接收到的輻照度之和，再除以1kW/m2后所得到的光照小時(shí)數(shù)，單位為小時(shí)（h）。

本光伏電站所采集的輻射量是以MJ/m2為單位，依據(jù)峰值日照時(shí)數(shù)的定義，由輻照度推導(dǎo)峰值日照時(shí)數(shù)時(shí)，需要將其單位換為kW·h/m2，才能與定義相匹配。兩種單位換算式為：1J=2.778×10-7kW·h。比如：表1中1月15日有10h的太陽輻照度大于0.12kW/m2，則日照時(shí)數(shù)為10h。而全天太陽輻照度之和為18.93MJ/m2，先換算為5.3kW·h/m2，便可得峰值日照時(shí)數(shù)為5.3(kW·h/m2)/1(kW/m2)=5.3(h)。

依照峰值日照數(shù)、日照時(shí)數(shù)以及發(fā)電量的關(guān)系，可繪出其在一天內(nèi)的走勢，如圖2所示。

圖2 發(fā)電量與日照時(shí)、峰值日照時(shí)走勢圖

由走勢圖直觀看到，發(fā)電量與峰值日照時(shí)的走勢十分接近，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而與日照時(shí)數(shù)的關(guān)系不是很緊密。

本節(jié)對輻射量的影響開展了直接分析，然后通過“峰值日照數(shù)”間接分析了輻射量的影響，得出結(jié)論：輻照強(qiáng)度在發(fā)電量中有所體現(xiàn)，且二者有密切的線性關(guān)系。同時(shí)證明了峰值日照時(shí)也可以作為預(yù)測光伏輸出功率的參考標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.2 天氣類型的影響

由于存在不同類型天氣狀況，使得光伏電池板所接收的輻照強(qiáng)度、濕度、溫度有很大變化，會導(dǎo)致光伏輸出有較大的差異。本節(jié)選取了7月份18—25日的發(fā)電量數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從結(jié)果分析可知，晴天的發(fā)電量最高，而陰雨天的發(fā)電量較低。即在不同天氣下的光伏輸出量有很明顯的不同，而在相同的天氣環(huán)境下，比如晴天，在一天內(nèi)的發(fā)電總量基本相同。

圖3 不同天氣環(huán)境的發(fā)電數(shù)據(jù)

由本節(jié)對天氣類型影響的分析可知，要想最大限度提升光伏發(fā)電量的短期預(yù)測水平，就需按照不同天氣情況的特點(diǎn)，對光伏電站歷史發(fā)電量開展分類整理，將其作為發(fā)電預(yù)測的輸入樣本，以便達(dá)到良好的預(yù)測效果。

2.3 季節(jié)的影響

已并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電站在天氣環(huán)境不同的季節(jié)當(dāng)中，有效日照時(shí)數(shù)的長短、太陽入射角的高低不斷地變化，進(jìn)而使得輸出功率也跟著產(chǎn)生波動。

本節(jié)通過光伏電站所測得的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖說明，見表2。本文挑選了春季2月20日、夏季5月9日，秋季9月13日以及冬季12月18日這4天的有效時(shí)間段內(nèi)整點(diǎn)瞬時(shí)輸出的功率大小。這4天天氣狀況都為晴天。

表2 某光伏電站不同季節(jié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

為了直觀判斷季節(jié)對輸出發(fā)電量的影響，本文又依據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制了圖4。從圖中可以看到，圖中分別體現(xiàn)了四季的日照時(shí)間長短以及一年四季輻照度的差異性對光伏發(fā)電輸出功率的影響。由4條曲線的走勢也可以得出：夏秋兩季的輸出功率的有效時(shí)間最長，而冬季的有效時(shí)間最短；而且春秋兩季相比較冬季而言其最大輸出功率較大。

圖4 季節(jié)功率數(shù)據(jù)圖

故由本節(jié)可知，不同季節(jié)中的同一種天氣情況下，光伏發(fā)電曲線的變化規(guī)律基本相似，但功率值的大小以及發(fā)電有效時(shí)間段的長短不同。若按照一年四季將發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化處理，對光伏預(yù)測分而治之，則有利于降低預(yù)測復(fù)雜性，還可以提高準(zhǔn)確性。

2.4 溫度的影響

環(huán)境氣溫的升高，致使光伏組件輸出的電流會有一定程度的增加，但光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率將明顯地降低，使得工作減小，但是下降幅度相對要厲害，所以輸出總功率也會跟著氣溫值的逐漸變高而漸漸減小。本文將以單晶組件DM60-285的性能參數(shù)為例來說明。光伏組件的電學(xué)性能見表3。

表3 光伏組件DM60-285的電學(xué)性

表中的“STC”指當(dāng)光伏電池組件所處的環(huán)境狀況為輻照度為1kW/m2、電池溫度為25℃，大氣質(zhì)量為1.5時(shí)，組件輸出峰值功率才能達(dá)到285W。

光伏組件的溫度系數(shù)見表4。

表4 光伏組件的溫度系數(shù)

由表4可知，“最大功率溫度系數(shù)”是-0.42%/℃，即光伏板的工作環(huán)境熱度每升高1℃，發(fā)電量減少0.42%。假設(shè)光伏電池所處環(huán)境的溫度是55℃，電池的輸出發(fā)電量相對于峰值功率減少的百分比為-0.42%×(55℃-25℃)=12.6%。

所以，氣溫有一定程度地升高，電池組件的輸出發(fā)電量就會有所減少。在實(shí)際光伏系統(tǒng)中，除了光伏電池，包括逆變器在內(nèi)的其他組件也會受到溫度影響，進(jìn)而影響光伏輸出。所以光伏預(yù)測中，溫度也是必須要考慮的因素之一。

3 結(jié)論

本文從光伏系統(tǒng)自身因素以及氣象要素兩方面入手：①分析了光伏發(fā)電的功率特性，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理作圖；②對氣象要素即太陽輻照度、天氣情況、季節(jié)、溫度的影響做了分析，得到結(jié)論以及建議如下。

1）影響光伏發(fā)電的氣象因子是多元化的，譬如太陽輻照度、天氣類型、季節(jié)、環(huán)境溫度等都對光伏發(fā)電功率存在或正或負(fù)的作用。所以建議利用收集的歷史發(fā)電數(shù)據(jù)與氣象因素相結(jié)合的方式，對光伏輸出功率進(jìn)行預(yù)測。即挑選與“待預(yù)測日”天氣環(huán)境相似的日期，將其歷史發(fā)電負(fù)荷視為輸入數(shù)據(jù)，然后對“待預(yù)測日”開展預(yù)測。選取相似日的方法是：依據(jù)待預(yù)測日的環(huán)境類型，選取前三年同一時(shí)期的前后10天的相同天氣類型的日期作為相似日[4]。

2）在此光伏電廠所處的環(huán)境氣候中，夏季很熱且冬季最為寒冷。若單獨(dú)考慮了溫度的作用，則冬季發(fā)電量應(yīng)為最高。但春秋兩季氣候干爽，有效峰值日照時(shí)間長，陽光充沛，所以輻照度在時(shí)間和強(qiáng)度上明顯優(yōu)于冬季，故春天和秋天才為光伏電站發(fā)電的最佳時(shí)節(jié)。綜上，發(fā)電量最好時(shí)刻應(yīng)該在春秋兩季的晴天正午時(shí)刻，建議光伏電站將春秋兩季作為運(yùn)行期，將檢修期盡量調(diào)整到冬季。

3）即使是相同的季節(jié)，由于每時(shí)每刻的天氣情況都是有所差異的，而且不容易定量分析，導(dǎo)致光伏組件輸出的發(fā)電量因真實(shí)天氣情況的變換而波動，給預(yù)測工作加大了難度。所以為了準(zhǔn)確預(yù)測天氣環(huán)境，建議縮短預(yù)測的時(shí)間尺度，依據(jù)實(shí)際情況，將預(yù)測時(shí)間設(shè)為0.25～4h不等。

[1] 賈良寶. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電輸出功率短期預(yù)測的研究[D]. 鄭州: 中原工學(xué)院, 2014.

[2] 趙爭鳴, 雷一, 賀凡波, 等. 大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(12): 101-107.

[3] 李啟帆. 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新能源光伏發(fā)電功率預(yù)測方法研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2014.

[4] 代倩, 段善旭, 蔡濤, 等. 基于天氣類型聚類識別的光伏系統(tǒng)短期無輻照度發(fā)電預(yù)測模型研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(34): 28-35.

[5] 王飛, 米增強(qiáng), 甄釗, 等. 基于天氣狀態(tài)模式識別的光伏電站發(fā)電功率分類預(yù)測方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(34): 75-82+14.

[6] 陳寧寧, 宋子豪, 汪澤州. 模型預(yù)測控制在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(4): 79-83.

[7] 婁寶磊. 灰色動態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光伏短期出力預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(12): 47-51.

[8] 趙書強(qiáng), 王明雨, 胡永強(qiáng), 等. 基于不確定理論的光伏出力預(yù)測研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(16): 213-220.

[9] 田春光, 田利, 李德鑫, 等. 基于混合儲能系統(tǒng)跟蹤光伏發(fā)電輸出功率的控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(14): 75-83.

Research and analysis of factors affecting the output of photovoltaic power

Wang Shijun1Ping Chang1Xue Guobin1Wang Dinggang2Jiang Tao2

(1. Gansu Electric Power Economy & Technology Research Institute, Lanzhou 730050; 2. Gansu Electric Transmission & Transformer Co., Ltd, Lanzhou 730050)

Aiming at the factors affecting the output power of photovoltaic power plants to do the research, discusses the influence of environmental conditions of photovoltaic system itself the electric parameters and the meteorological elements in the solar irradiance, weather, season and temperature on the photovoltaic power generation, power generation by analyzing and sorting the historical data of a 30MW photovoltaic power plant, get the corresponding conclusion the results also provide a theoretical basis for the selection of the input power of the sample forecast.

electrical photovoltaic power station; electrical power; electrical properties; climate conditions

2018-03-26

王仕俊（1988-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、輸變電工程設(shè)計(jì)及電網(wǎng)建設(shè)等。