光伏發電功率持續時間特性的概率分布定量分析

于延龍 陳喜軍

摘要：基于德國和國我實測數據的分析表明：光伏出力的持續時間分布存在明顯的雙峰值特征，適合采用逆高斯分布和廣義極值分布函數進行加權混合擬合;雙峰值特征表明，光伏發電可能在局部云層擾動下出現快速功率波動，從而只能在數分鐘內保持出力狀態不變，也可能在天氣條件良好時跟隨日地運動緩慢變化，其出力可維持某一狀態長達數小時?

關鍵詞：光伏發電;持續時間特性;預測方法

1.光伏發電功率持續時間

基于光伏發電功率狀態的概念，可以進一步定義光伏發電功率的持續時間為：光伏發電功率連續維持在某一給定出力狀態不變的時間長度?應當注意，持續時間的概念總是針對一個具體出力狀態而言的，且光伏電站輸出功率多次進出給定出力狀態時的持續時間需分別統計，不作累加?持續時間特性能夠非常直接地獲取光伏發電功率維持在任意給定功率區間的時長及其置信度，結合區域電網能夠承受的最大光伏出力波動范圍，持續時間分布可用于確定平抑過量光伏出力波動的最佳測量與控制周期、檢驗光伏電站在不同狀態下輸出波動性的合格率等。需要額外說明的是，考慮到光伏發電功率在夜間恒定為0，并無隨機性，且大量的夜間零出力容易湮沒更為重要的白晝出力特性，

2.持續時間分布雙峰值特征的定量分析

本節進一步對持續時間兩個局部極大值對應的持續時間長度?概率相對大小與電站運行點?光伏裝機容量?光伏陣列散布范圍的關系進行分析?對于任意光伏電站/區域光伏發電功率，隨著其運行點（出力狀態）的升高，其最長持續時間呈現出先快速減少后略微增加的趨勢?相比較而言，光伏發電在低出力狀態相對較為穩定?舉例在本節的光伏出力狀態劃分方式下，兆瓦級電站的持續時間可達到295min（約5h），而區域光伏發電總和的最長持續時間更是可以達到540min（約9h）?

根據前述分析，可以推斷持續時間分布雙峰值的物理內涵如下：1.加強光伏發電陣列的地理散布、增加裝機容量有利于降低甚至完全消除第一峰值，故而第一峰值的本質應當是來自于局部云層移動、遮蔽、消散引起的光照快速變化。

3.光伏發電功率持續時間分布的擬合

3.1混合PDF

由前述分析可知，光伏發電功率的持續時間特性存在雙峰值的特點，故而無法使用常見的PDF進行擬合，為此本文提出采用混合PDF擬合的方法，其中混合PDF的定義為：式中：g1（x），g2（x），…，gK（x）為根據經驗選定的基礎PDF;a1，a2，…，aK為線性加權系數;f1（x）為混合PDF?線性加權系數的總和為1確保了混合PDF的累積概率歸一化?各PDF的參數及線性加權系數在擬合過程中采用最大似然估計法進行確定?

3.2擬合優度檢驗指標

為了評價混合PDF對原分布列的擬合質量，本文采用了殘差平方和（RSS）作為評判指標，其值計算方法如式所示，其實質為離散分布列的擬合誤差平方和。RSS結果越小表明擬合結果越好。

3.3混合擬合測試結果

節選擇的PDF能夠組合成8種不同的混合PDF形式，本文利用表一中光伏功率數據進行了測試由擬合測試結果可見，逆高斯分布與廣義極值分布組合的平均RSS最小，因此可認為最適合用于光伏發電功率持續時間分布的擬合?具體見表一?

4.光伏發電功率持續時間的預測方法

4.1直接預測法和間接預測法

直接預測法：它利用已有的氣象預報與功率數據信息，直接得到預測結果，該方法適用于中短期時間尺度內的預測?

間接預測法：它在預測輸出功率之前，首先根據預測模型對相關的氣象因子進行預測，在此基礎上預測太陽總輻射強度，再根據功率歷史信息與監測功率信息，預測光伏電站的輸出功率?直接預測法中，在不同時間尺度內或不同氣象條件下所使用的氣象和功率數據的對應關系會發生變化，因此模型建立困難，所建立的模型性能也不高?間接預測法中，需要建立多個預測模型，還需要再根據預測模型對氣象因子進行預測，工作過程較為復雜?

4.2物理預測方法和統計預測方法

物理預測方法是根據光伏電站所在位置處的太陽輻照數據?各種地理信息與氣象信息，用太陽光輻照傳遞方程與光伏組件運行方程等物理運算手段進行預測;統計方法是根據輸入的歷史氣象數據?功率數據尋找統計規律，對輸出功率進行預測?物理方法不依賴于歷史數據，根據光伏電站所處地理信息及光伏組件的參數，現場獲取數據就可進行預測，因此適用于新建電站，但其建模困難，且不同時間尺度內或不同天氣情況下光伏組件參數緩慢變化，使得參數難以辨識，因此物理方法預測模型的抗干擾能力有限，魯棒性不強?

4.3單場預測和區域預測

單場預測，指對單個光伏電站的功率預測，用來為光伏發電運營商提供功率預測信息，用于光伏電站的優化運行與控制?區域預測，指對某個區域范圍內的多個光伏電站總輸出功率的預測，這一預測可提供某一區域范圍內光伏發電輸出功率情況，提前預估光伏發電出力與波動情況，為電力部門制定光伏與火力?水力?風力發電的協調調度計劃提供依據，降低光伏電站輸出功率波動對電網和負載的沖擊?

結語

光伏發電功率的持續時間概率分布往往具有雙峰值?非單調的特征?第一峰值對應的持續時間極短，反映了短時云層擾動引起的光伏出力狀態變更;第二峰值對應的持續時間可能長達數十分鐘，對應于日地運動引起的?速率較慢的光伏出力狀態變化?

參考文獻

[1]劉琦.中國2050高比例可再生能源發展情景暨路線研究[R].北京：國家發展和改革委員會能源研究所，2015.