張強(qiáng)，鄒晗，孫子元

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

隨著全球環(huán)境惡化，化石能源枯竭等現(xiàn)象的發(fā)生，國(guó)家根據(jù)新時(shí)代的發(fā)展戰(zhàn)略提出要對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，盡可能多的引入新能源發(fā)電，逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)電技術(shù)由傳統(tǒng)的化石能源向新能源轉(zhuǎn)變。太陽(yáng)能發(fā)電作為新能源發(fā)電的一個(gè)重要方面，擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，光伏發(fā)電技術(shù)也逐漸成熟，但是由于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，大規(guī)模的光伏并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響，因此如果對(duì)光伏發(fā)電的功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，以及如何在今后電力系統(tǒng)發(fā)展中盡可能多的利用光伏發(fā)電，提高光電的消納能力，是目前國(guó)家研究方向的重點(diǎn)。

1 光伏發(fā)電原理描述

1839 年，法國(guó)物理學(xué)家A.E 貝克勒爾研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)金屬片放入溶液中形成伏打電池，在光照的情況下回產(chǎn)生伏打電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏打效應(yīng)，太陽(yáng)能發(fā)電就是利用該效應(yīng)，通過陽(yáng)光照射到硅材料上，在不均勻半導(dǎo)體的不同部位產(chǎn)生電位差，并生成電流。太陽(yáng)能電池中的半導(dǎo)體材料由于P-N節(jié)的存在，當(dāng)陽(yáng)光照射到P-N 節(jié)上時(shí)，P-N 節(jié)上的電子與空穴對(duì)就會(huì)被激發(fā)，使得載流子被分離，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)的兩側(cè)接入負(fù)載時(shí)，會(huì)在負(fù)載上生成電流，光伏電池就是由該方式生成電流。典型的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型圖

根據(jù)圖可以看出，典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列，DC/DC 變換器，DC/AC 變換器，并網(wǎng)控制器和蓄電池組成。光伏陣列產(chǎn)生的直流電會(huì)經(jīng)過DC/DC 變換器，然后通過DC/AC 逆變器轉(zhuǎn)換成交流電并網(wǎng)，在發(fā)電過程中需要對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤來保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率保持最大。蓄電池的配置情況可以根據(jù)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

2 太陽(yáng)能發(fā)電特點(diǎn)及并網(wǎng)分析

由于光伏發(fā)電能量的主要來源是太陽(yáng)能，因此光照強(qiáng)度和溫度的不確定性會(huì)對(duì)光電機(jī)組的輸出功率產(chǎn)生很大的影響，確定光電機(jī)組的輸出功率是保證光伏發(fā)電規(guī)劃，電網(wǎng)調(diào)度以及不同機(jī)組負(fù)荷分配等工作正常進(jìn)行的前提，在給定太陽(yáng)輻射值的前提下，光伏電站的輸出功率如下式：

其中：λ表示光電的轉(zhuǎn)換效率，A 表示發(fā)電機(jī)組的發(fā)電板面積(m2)，G(t)表示光照幅度（W/m2）。

圖2 光伏電站輸出功率曲線

根據(jù)上式可以看出，當(dāng)光照幅度越大時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率越高，典型光伏電站的輸出功率曲線如圖2 所示：

圖2 中描述了某光伏電站連續(xù)3 天的輸出功率曲線，根據(jù)圖中信息可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率成典型的面包型曲線，即中午光照強(qiáng)度高的時(shí)候光伏輸出功率較大，光照強(qiáng)度低的時(shí)候輸出功率較小，在晚上時(shí)由于光照強(qiáng)度很小，光伏電站的輸出功率為0。根據(jù)輸出功率曲線可以看出，雖然連續(xù)三天的光伏發(fā)電的輸出功率在相同的時(shí)間點(diǎn)存在一定的變化，但是整體的趨勢(shì)具有周期性。由于光伏發(fā)電的隨機(jī)性和不確定性，大規(guī)模的光伏電站并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成以下影響。

（1）電壓波動(dòng)和閃變。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，有功功率、無(wú)功功率會(huì)根據(jù)時(shí)間的變化引起系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。而對(duì)于光伏發(fā)電而言，有功功率的變化是引起電壓波動(dòng)和閃變的主要因素。光伏發(fā)電的核心是太陽(yáng)能電池板，其最大輸出功率與光照幅度，天氣溫度以及季節(jié)有很大關(guān)系，這些自然因素的變化會(huì)造成光伏電閘輸出功率變化較大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致負(fù)載功率頻繁變化，從而引起并網(wǎng)用戶負(fù)載端的電壓波動(dòng)和閃變。

（2）孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)使指由于人為因素或自然因造成的電網(wǎng)系統(tǒng)供電中斷，但是，此時(shí)各個(gè)并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒能及時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立于其負(fù)載而獨(dú)立運(yùn)行。隨著光伏并網(wǎng)的范圍擴(kuò)大，孤島效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)率也會(huì)大幅增加，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)性較大，降低了電能質(zhì)量，嚴(yán)重的可能造成系統(tǒng)電氣設(shè)備損壞和重合閘故障等。同時(shí)在供電恢復(fù)過程中，可能會(huì)由于電壓相位之間的不同步而產(chǎn)生浪涌電流，導(dǎo)致電網(wǎng)波形瞬間下跌。

3 太陽(yáng)能發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法

由于太陽(yáng)能發(fā)電的不穩(wěn)定性，其大規(guī)模并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，所以為了減少這種情況的發(fā)生，我們需要對(duì)光伏發(fā)電的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)我們對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確后，就可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)度進(jìn)行規(guī)劃，從而降低光伏并網(wǎng)的安全隱患，并盡可能多地消納光伏發(fā)電，減少化石能源的使用，降低環(huán)境污染。目前光伏電站輸出功率的預(yù)測(cè)方法有直接預(yù)測(cè)方法和間接預(yù)測(cè)方法兩種。

3.1 直接預(yù)測(cè)法

直接預(yù)測(cè)法是根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)理論對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行直接預(yù)測(cè)，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，找出光電輸出功率和氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，然后根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)段的天氣信息根據(jù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)，直接預(yù)測(cè)法的預(yù)測(cè)流程圖如圖3 所示。

圖3 直接功率預(yù)測(cè)流程

由于直接功率預(yù)測(cè)法避免了較為復(fù)雜的機(jī)理運(yùn)算，簡(jiǎn)化的建模的過程，在光伏發(fā)電短期功率預(yù)測(cè)中預(yù)測(cè)精度較高，但是由于光伏電站輸出功率影響因素眾多，在一些工況特殊或者長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)場(chǎng)景下預(yù)測(cè)誤差會(huì)比較大。目前，常用的直接功率預(yù)測(cè)方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法和馬爾科夫鏈法等。

3.2 間接預(yù)測(cè)法

間接預(yù)測(cè)法是借助數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣象衛(wèi)星等信息對(duì)光照幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后在基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型建立方程進(jìn)行求解。首先需要得到當(dāng)前區(qū)域內(nèi)水平面上的太陽(yáng)輻射值，然后根據(jù)光伏接收面的角度信息，將水平面太陽(yáng)輻射量的值轉(zhuǎn)換成斜面上太陽(yáng)輻射量的值，最后根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的物理模型計(jì)算出光伏電站的輸出功率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家發(fā)展步伐的加快，環(huán)境污染以及化石能源的緊缺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，新能源在國(guó)家未來發(fā)展規(guī)劃中的重要性逐漸顯現(xiàn)。光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展也越來越重要，因此，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)和資源，更多地將光伏發(fā)電并網(wǎng)并消納，也是國(guó)家未來研究的一個(gè)重要方向，我們需要積極探討這個(gè)話題，爭(zhēng)取太陽(yáng)能在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。