廖家興

摘 要：當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大，并網(wǎng)光伏電站出力的不確定性會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來沖擊，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，所以在進(jìn)行含光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃時(shí)，對(duì)這些影響應(yīng)給予充分的考慮。為此，對(duì)并網(wǎng)光伏電站出力特性的研究已逐漸成為光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光伏功率；時(shí)間序列；生成方法

0.引言

隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)電帶來的能源匱乏和環(huán)境污染問題越顯突出，嚴(yán)重的影響到了人類的生存發(fā)展，于是可持續(xù)的清潔能源發(fā)電便受到了普遍重視。其中太陽能具有取之不盡、環(huán)保無害、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為未來最具競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電能源之一。隨著系統(tǒng)成本的持續(xù)降低和發(fā)電效益的不斷提高，為提高太陽能的利用率，大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)已占主導(dǎo)地位，更具發(fā)展前景。

1.光伏發(fā)展的趨勢(shì)以及功率特性分析

1.1光伏發(fā)展的趨勢(shì)分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，能源行業(yè)作為國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，已成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。上世紀(jì)七十年代發(fā)生的兩次石油危機(jī)，對(duì)全球能源分配、經(jīng)濟(jì)發(fā)展均帶來了劇烈的震動(dòng)，這期間歐美各國(guó)物價(jià)飛漲、通貨膨脹、衍生品短缺，直接導(dǎo)致了二戰(zhàn)后的首次經(jīng)濟(jì)危機(jī)，不僅嚴(yán)重影響了工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還危害到了各國(guó)居民的生活水平。光伏發(fā)電利用太陽能電池板，將特定波長(zhǎng)范圍的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、零碳排放和無限儲(chǔ)量的特點(diǎn)[1]。光伏發(fā)電是一種理想的清潔能源，既能夠有效緩解化石燃料枯竭帶來的能源危機(jī)，又能有效遏制過量碳排放帶來的氣候危機(jī)，再加上資源分布廣闊，能源無窮無盡的特點(diǎn)，使其成為 21 世紀(jì)電力行業(yè)和能源行業(yè)共同的熱點(diǎn)方向，并且在近五年取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1.2光伏功率特性分析

光伏發(fā)電的這種隨機(jī)性，難以通過簡(jiǎn)單的概率分布進(jìn)行描述，并且，光伏出力并非純隨機(jī)過程，而是一種隨機(jī)過程與規(guī)律成分疊加的結(jié)果。光伏發(fā)電的原理是利用太陽能電池板，將特定波長(zhǎng)范圍的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，光伏出力大小與接收到的太陽輻射能多少密切相關(guān)。地球的自轉(zhuǎn)帶來的日周期特性，及日地運(yùn)行規(guī)律帶來的年周期特性，使得光伏出力具有非常明顯的規(guī)律性。

光伏出力大小主要受到三方面的因素支配。第一，太陽輻射規(guī)律性變化趨勢(shì)：不計(jì)及大氣衰減的情況下，影響太陽輻射每日規(guī)律性變化的是日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及光伏面板的朝向調(diào)整。它們決定了光伏出力的總體變化趨勢(shì)，即從日出時(shí)刻開始增加，至中午達(dá)到最大，隨后逐漸減少，至日落降至零，夜間持續(xù)無出力。第二， 每日總體大氣衰減情況：實(shí)際光伏面板接收到的太陽輻射強(qiáng)度還與大氣的衰減情況密切相關(guān)，因此每日光伏出力峰值受當(dāng)日總體天氣情況（如多云、陰雨、晴天等）的支配[2]。第三， 局部云層擾動(dòng)：局部云團(tuán)的移動(dòng)、聚集與消散會(huì)進(jìn)一步造成所在區(qū)域太陽輻射的短時(shí)擾動(dòng)，從而給光伏出力帶來分鐘級(jí)的隨機(jī)波動(dòng)分量。

2.光伏出力時(shí)間序列生成方法和驗(yàn)證探究

2.1光伏出力時(shí)間序列生成方法

光伏出力時(shí)間序列生成指的是基于一定長(zhǎng)度的光伏出力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，使得能夠無限生成新的光伏出力序列，并使其能夠很好的繼承原始序列的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特性。為了生成任意長(zhǎng)度的光伏序列，需要獲得一個(gè)年周期中所有日序的理想出力歸一化曲線。采用線性插值的方法可以計(jì)算出非典型日的曲線：

基于太陽能物理學(xué)中的日地運(yùn)動(dòng)模型，給定光伏電站所處經(jīng)緯度，可以計(jì)算出每日的日出日落時(shí)刻及日間時(shí)長(zhǎng)Ti，day。據(jù)此，對(duì)理想出力歸一化曲線Zi*（t*）的橫坐標(biāo)做拉伸反變換，得到實(shí)時(shí)理想出力歸一化曲線ZReal，i（t）：

基于向量自回歸（VAR）的幅值參數(shù)序列生成方法，自回歸模型（Auto-Regressive，AR）是一種線性模型，由美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家 GeorgeBox 和英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家、系統(tǒng)工程學(xué)家 Gwilym Jenkins 共同提出建立的，因此也稱為B-J 模型。該模型特點(diǎn)在于能夠充分考慮樣本序列的分布和自相關(guān)，但是，其使用條件是隨機(jī)時(shí)間序列必須是一個(gè)平穩(wěn)過程。滿足兩個(gè)條件：（1）對(duì)于任意時(shí)間t，其均值恒為常數(shù)；（2）對(duì)于任意的時(shí)刻點(diǎn)t和s，其自相關(guān)系數(shù)只與時(shí)間間隔t-s有關(guān)，而與t和s的起始點(diǎn)無關(guān)；則稱該序列為平穩(wěn)時(shí)間序列。

2.2光伏出力時(shí)間序列生成方法驗(yàn)證

光伏出力序列的基本統(tǒng)計(jì)特性包括均值、方差、零出力百分比及概率分布。生產(chǎn)序列很好的繼承了原始序列的基本統(tǒng)計(jì)特性[3]。光伏出力分布是衡量光伏出力序列生成質(zhì)量的最基礎(chǔ)最重要的統(tǒng)計(jì)特性之一。為比較兩組隨機(jī)變量是否服從同一分布，引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的 K-S 檢驗(yàn)。K-S 檢驗(yàn)通過比較兩組累積概率密度函數(shù)（Cumulative Density Function，CDF）之間的最大差值 D，并與給定顯著水平下的臨界值比較，若 D 值小于臨界值，則可認(rèn)為這兩組隨機(jī)變量服從同一分布。

K-S 檢驗(yàn)按照用途可劃分為兩種類型，一種是將一堆離散的樣本點(diǎn)與一已知的的概率分布函數(shù)比較，另一種是將兩堆離散的樣本進(jìn)行比較。這兩種方法的 D 值計(jì)算過程類似，但是臨界值的計(jì)算略有不同。對(duì)于前者，若離散樣本點(diǎn)的容量為 N，選取的顯著水平為 1- ，則其臨界值 Dcritical值計(jì)算公式：

生成序列和原始序列的 PDF 分布非常接近，兩組序列的CDF 分布曲線幾乎重合，說明生成序列的分布效果非常好，從附表的結(jié)果可以看出，所有測(cè)試電站均通過 K-S 檢驗(yàn)，進(jìn)一步說明生成序列 PDF 的有效性。不同時(shí)間尺度的波動(dòng)特性指的是光伏出力序列在不同時(shí)間步長(zhǎng)下有功變化量的分布。如 5min 級(jí)波動(dòng)特性是指相隔 5min 的兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的有功變化量。不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)特性 CDF 貼合程度非常高，說明生成序列能較好的繼承原始序列的波動(dòng)特性。附錄中的 KS 檢驗(yàn)全部通過，證明了該方法的有效性。

3.結(jié)語

如上所述，現(xiàn)有對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率時(shí)間序列研究基本集中在光伏功率時(shí)間序列的預(yù)測(cè)上，雖然這提升了系統(tǒng)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制能力和電網(wǎng)對(duì)光伏的消納能力，但限于預(yù)測(cè)技術(shù)不夠完善，只能預(yù)測(cè)較短時(shí)間尺度的功率時(shí)間序列，而且由于每個(gè)并網(wǎng)光伏電站的出力都具有獨(dú)特性，其預(yù)測(cè)的結(jié)果也各不相同，無法為大規(guī)模光伏并網(wǎng)的規(guī)劃提供更多的理論依據(jù)和分析數(shù)據(jù)，所以對(duì)光伏功率時(shí)間序列的固有屬性進(jìn)行分析就更為重要。

參考文獻(xiàn)：

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