中國水利水電第十工程局有限公司 牟長江

1 引言

隨機性、波動性以及間歇性是光伏電站輸出功率最為典型的特征，故在對電網(wǎng)進行接入的過程中，如果輸出功率未能得到可靠的預(yù)測與穩(wěn)定的控制，將對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性、安全性以及電能產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負面影響[1]。因此，加強對光伏電站輸出功率的預(yù)測，對保障電網(wǎng)安全、維持電能穩(wěn)定均具有重大意義。近年來，我國華北、東部等地區(qū)受霧霾天氣的影響，給光伏電站輸出功率預(yù)測帶來了一定挑戰(zhàn)。本文分別從定性、定量兩方面對AQI與輸出功率之間的關(guān)系進行了分析，并提出了基于前饋（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所建立的預(yù)測方法，旨在提升光伏電站在霧霾天氣影響下的輸出功率預(yù)測精度。

2 光伏電站輸出功率預(yù)測與霧霾天氣下AQI概述

2.1 光伏電站功率預(yù)測設(shè)計要求

在電網(wǎng)調(diào)度與電力生產(chǎn)中，光伏電站功率預(yù)測所起到的作用不容忽視，為充分發(fā)揮輸出功率預(yù)測的價值，需強化光伏電站控制系統(tǒng)與其他電力調(diào)度設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備之間的通信，并嚴格遵照《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，將橫向隔離、縱向認證作為必須遵守的原則。此外，在通常情況下，在設(shè)計時還需滿足以下要求。

一是每日須在規(guī)定期限內(nèi)，對次日00:15起至未來3d的光伏電站輸出功率進行預(yù)測，并將采集時間分辨率設(shè)置為15min，并據(jù)此對發(fā)電計劃以及相關(guān)維修工作進行安排。

二是在進行預(yù)測時，需保持每15min對未來4h輸出功率進行預(yù)測的頻率，從而為AGC控制系統(tǒng)提供可靠的預(yù)測數(shù)據(jù)。

三是在預(yù)測設(shè)計時，需要對以下三項參數(shù)信息進行統(tǒng)計與分析，包括氣象資源分布情況、光伏電站功率以及預(yù)測誤差，然后將數(shù)據(jù)信息以圖表形式進行呈現(xiàn)。

四是在對預(yù)測系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，還需設(shè)計良好的接口，以創(chuàng)造與其他監(jiān)控系統(tǒng)良好的接入環(huán)境，實現(xiàn)對功率、工況、氣象數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與調(diào)控，并將所得出的預(yù)測結(jié)果以及氣象數(shù)據(jù)上傳至云端。

2.2 霧霾天氣下AQI與光伏電站輸出功率之間的關(guān)系

光伏電站輸出功率預(yù)測是維持電網(wǎng)調(diào)度最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一，通過提升預(yù)測精準(zhǔn)度，能更有效地應(yīng)對復(fù)雜工作環(huán)境下調(diào)度操作的不確定性，提升電力系統(tǒng)發(fā)電可靠性，使光伏電站實現(xiàn)更安全、更經(jīng)濟地運行。

近年來，霧霾天氣影響了人們的日常生活與工作。雖然冬春兩季為霧霾高發(fā)階段，但是隨著分布范圍、持續(xù)時間的不斷增長，未來霧霾所造成的影響也將更大。通過《氣候變化綠皮書》可看出，在我國東部大部分地區(qū)，未來都將持續(xù)面臨短時間內(nèi)的霧霾天氣，這勢必會給電力系統(tǒng)的運行，尤其是光伏電站的調(diào)度以及維護產(chǎn)生影響。因為受霧霾天氣的影響，太陽輻射會被大氣氣溶膠吸收或折射，這樣便會降低地面部分的太陽輻照量。并且霧霾天氣還會對光伏組件的性能產(chǎn)生影響，比如空氣中沉積的污染物會粘附在組件表面，造成實際的輸出功率降低。通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻的閱讀，可發(fā)現(xiàn)在一般情況下，空氣質(zhì)量指數(shù)越大時，對光伏電站輸出功率預(yù)測的影響便越大。

3 霧霾天氣下光伏電站輸出功率特性分析

為有效探究霧霾天氣下光伏電站輸出功率特性，研究AQI與光伏電站輸出功率之間的相關(guān)性，本文以華北地區(qū)某城市光伏電站為例進行分析[2]。該光伏電站相關(guān)參數(shù)配置信息見表1。

表1 該光伏電站相關(guān)參數(shù)配置信息

為盡可能減少灰塵積累對光伏電站輸出功率的影響，工作人員會對相關(guān)組件每月進行清洗。本文將該城市2022年12月6日—10日的空氣質(zhì)量指數(shù)與理論輸出功率及光伏電站實際輸出功率進行對比與分析，數(shù)據(jù)顯示如圖1所示。圖中為光伏電站理論輸出功率為：

圖1 AQI及光伏電站的理論與實際輸出功率

通過上圖可知，在空氣質(zhì)量指數(shù)不斷增大的情況下，理論輸出功率與實際輸出功率之間的差異則越明顯，尤其當(dāng)AQI>150后，上述兩者之間的偏差越大。由此可以得出，當(dāng)空氣質(zhì)量處于中度污染及以上時，對光伏電站的輸出功率會產(chǎn)生十分顯著的影響。

4 預(yù)測方法的提出

在霧霾天氣下，空氣質(zhì)量指數(shù)與光伏電站輸出功率之間的相關(guān)性較強，對實際的輸出功率會造成很大的影響，因此在進行輸出功率預(yù)測時，需充分考慮霧霾天氣下空氣質(zhì)量因素的影響。通過第二章可看出，空氣質(zhì)量指數(shù)是否>150，是輸出功率預(yù)測是否考慮霧霾天氣影響的分界線，即空氣質(zhì)量指數(shù)>150后，需要將其納入到測模型的影響因子中，以此提升光伏電站輸出功率預(yù)測的精準(zhǔn)度[4]。

基于前饋（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首先需建立一套完整的輸入流程，然后在確保任何輸入條件一致的情況下，將未輸入AQI值的模型設(shè)定為模型1；反之則設(shè)定為模型2。在這套模型下，實現(xiàn)對輸出功率的準(zhǔn)確預(yù)測只需兩道步驟：一是將次日24h內(nèi)的AQI值納入模型中，并作為模型1與模型2切換的依據(jù)。當(dāng)AQI>150時，則使用模型2進行輸出功率的預(yù)測；反之，則使用模型1進行預(yù)測。二是將一系列氣象因素納入AQI的輸入條件中，如溫度、濕度、太陽輻照度等，然后再基于第一道步驟對模型進行選擇，以此進一步增強輸出功率預(yù)測的精準(zhǔn)度，具體模型預(yù)測流程如圖2所示。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體的預(yù)測流程

5 光伏電站輸出功率預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 預(yù)測數(shù)據(jù)庫

在整個預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，預(yù)測數(shù)據(jù)庫屬于數(shù)據(jù)核心，不僅需要對過去的歷史數(shù)據(jù)進行存儲，而且還需實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的并存，系統(tǒng)中其他任何模塊的信息都需經(jīng)過數(shù)據(jù)庫進行互操作。故進行設(shè)計時，需滿足以下三個方面的條件，一是長時間的歷史數(shù)據(jù)存儲與管理；二是需確保數(shù)據(jù)的實時性與可靠性；三是既要保證數(shù)據(jù)庫的開放性，也要確保其安全性。從數(shù)據(jù)庫內(nèi)容來看，除了天氣預(yù)報以及監(jiān)測站實測的氣象數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、太陽輻照度外，還包括了光伏電站的運行數(shù)據(jù)、功率預(yù)測數(shù)據(jù)以及部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。

5.2 數(shù)值天氣預(yù)報處理模塊

數(shù)值天氣預(yù)報處理模塊分別由下載子模塊與解析子模塊兩部分組成，其中，前者需要被專門設(shè)置在下載服務(wù)器上，這樣才能完成與外網(wǎng)之間的通信，做到實時下載氣象部門以及其他外界機構(gòu)所發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)。下載后的數(shù)據(jù)信息還需經(jīng)過反向物理隔離設(shè)備，然后再傳輸至預(yù)測系統(tǒng)，從而提高數(shù)據(jù)下載與傳輸過程的安全性。解析子模塊的功能與作用主要體現(xiàn)在對氣象數(shù)據(jù)信息的解析方面，經(jīng)過篩選、格式化等操作，將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中。除此之外，在數(shù)值天氣預(yù)報處理模塊內(nèi)還可以支持人工補錄，并實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源下載，這樣便極大地提升了系統(tǒng)的適用性，能夠基于不同地區(qū)各異的組網(wǎng)特性及通信方式正常進行工作。

5.3 實時數(shù)據(jù)采集模塊

基于數(shù)據(jù)類型與作用的不同，可將實時數(shù)據(jù)采集模塊分為兩部分，一是氣象數(shù)據(jù)采集子模塊，二是實測功率采集子模塊。通過這兩個子模塊間的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，提升霧霾天氣下的功率預(yù)測質(zhì)量。其中，前者的作用主要是完成對氣象數(shù)據(jù)的收集與整理，對外網(wǎng)傳輸?shù)臍庀髷?shù)據(jù)進行儲存，包括AQI、濕度、太陽輻照度等，同時還可以針對這些數(shù)據(jù)進行簡單的處理。在這一模塊功能的支持下，能夠?qū)Σ煌愋偷臍庀髷?shù)據(jù)展開實時的采集，對于超過預(yù)先設(shè)定限值的數(shù)據(jù)，還會觸發(fā)報警功能。而實測功率采集子模塊的作用主要體現(xiàn)在發(fā)電功率、工況、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集方面，同時還能將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至實時數(shù)據(jù)表中，從而為預(yù)測模型的測算與分析提供實時的數(shù)據(jù)參照。這一模塊也具備較強的適用性，不僅能應(yīng)對不同廠家監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)格、設(shè)備元件上的差異，而且還支持新接入電站的功能拓展。

5.4 功率預(yù)測模塊

在整個預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，功率預(yù)測模塊的作用與地位屬于最核心的位置。在這一模塊功能的支持下，可分別借助物理與統(tǒng)計兩種方法，提升整個電站發(fā)電能力預(yù)測的精準(zhǔn)度，所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果將儲存至數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)電網(wǎng)的調(diào)度工作提供參考。在實際應(yīng)用中，基于應(yīng)用對象的不同，需要專門對這一模塊展開差異性的預(yù)測時間尺度設(shè)計，包括超短期預(yù)測與短期預(yù)測，前者的預(yù)報時效通常為0～4 h，主要用于對日前計劃曲線進行修正。短期預(yù)測在方法上多以數(shù)值天氣預(yù)報為主，預(yù)測時效一般為0～24 h，主要作用為保持電力系統(tǒng)的功率平衡、日常計劃的制定以及電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度等。其中，所選取的天氣數(shù)據(jù)主要從預(yù)測數(shù)據(jù)庫中提取，具體包括了AQI、溫度、濕度等，同時還需基于實時數(shù)據(jù)采集的氣象數(shù)據(jù)進行結(jié)果上的校正，然后將最終經(jīng)過修正的氣象數(shù)據(jù)輸送至功率預(yù)測模型之中，以完成對短期輸出功率的準(zhǔn)確預(yù)測。

6 結(jié)語

綜上所述，本文通過對AQI與光伏電站輸出功率之間相關(guān)性的研究，證明了霧霾天氣會顯著影響到光伏電站輸出功率，并證明了空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是否>150是輸出功率預(yù)測是否考慮霧霾天氣影響的分界線。因此，在對預(yù)測方法、流程、預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，為確保預(yù)測值結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要將AQI>150后的情況納入預(yù)測模型中，并通過實時數(shù)據(jù)采集模塊以及預(yù)測數(shù)據(jù)庫，不斷提高預(yù)測結(jié)果的實時性與可靠性。