北京京能國(guó)際控股有限公司東北分公司 嚴(yán) 巍 姚立闊

1 引言

隨著我國(guó)新能源快速發(fā)展，光伏發(fā)電逐漸成為新型能源發(fā)電的重要組成部分。由于新能源發(fā)電的特殊性，伴隨著裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，為電網(wǎng)調(diào)峰及維持系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了很大的困難。因此，電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電企業(yè)提出了功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和時(shí)間的要求，以此緩解對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的沖擊。另一方面，電力營(yíng)銷市場(chǎng)逐步開始形成規(guī)模，電量交易形式的不斷增多，尤其是電力現(xiàn)貨交易的推行，對(duì)光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度提出更高的要求[1]。因此，光伏電站光功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定和企業(yè)發(fā)電收益影響很大。針對(duì)目前光伏電站普遍存在的功率預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的問題進(jìn)行分析，解決存在的問題，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)都具有重要的意義。

2 光伏電站光功率系統(tǒng)的組成

2.1 光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)

光功率系統(tǒng)分為光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)、子站預(yù)測(cè)系統(tǒng)、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、調(diào)度主站預(yù)測(cè)系統(tǒng)。光伏電站功率預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)組由子站預(yù)測(cè)系統(tǒng)和電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成。

2.2 光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光伏電站功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成分為量大部分：實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)作為功率預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)通過分析采集實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算形成短期、超短期的功率預(yù)測(cè)曲線[2]。光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.3 實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)

實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)（光控儀）如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)（光控儀）

實(shí)時(shí)氣象采集子系統(tǒng)（光控儀）主要采集量包括：太陽輻射強(qiáng)度、溫度、濕度、大氣壓、風(fēng)速。其中太陽輻射包含有：直輻射、散輻射。主要是收集光伏電站所在區(qū)域的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)組成（光控儀）如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)組成（光控儀）

實(shí)時(shí)氣象采集系統(tǒng)組成：輻射傳感器（直輻射、散輻射）、風(fēng)向風(fēng)速儀、溫濕度傳感器、大氣壓傳感器、傳動(dòng)電機(jī)、電源（太陽能板、蓄電池）、通信接口等。

2.4 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)供應(yīng)商提供的高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，為光伏功率預(yù)測(cè)精度提供了保障。光伏功率預(yù)測(cè)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)體提供了光伏電站所在區(qū)域的未來72h 的輻射強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速等光伏功率預(yù)測(cè)需量測(cè)的高精度預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)[3]。

3 光功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的作用

3.1 提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、增加電網(wǎng)消納光伏發(fā)電能力

光伏發(fā)電特性具有隨著天氣變化的不確定性，給電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度帶來較多問題，對(duì)電網(wǎng)的安全性形成威脅。隨著光伏發(fā)電站不斷地增多和單個(gè)電站發(fā)電容量的增加，光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的越來越發(fā)揮很大的作用，功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的提高，會(huì)有效的幫助電網(wǎng)調(diào)度部門做好平衡地區(qū)負(fù)荷和維持電力潮流穩(wěn)定性的調(diào)度計(jì)劃。

3.2 幫助光伏電站增加發(fā)電收益和提高檢修效率

如果光伏功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，電站人員根據(jù)預(yù)測(cè)情況合理安排設(shè)備檢修，避免出現(xiàn)發(fā)電較多的時(shí)段檢修，降低因設(shè)備檢修而帶來的電量損失。功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性提高也會(huì)減少電網(wǎng)對(duì)電站的限電和偏差考核，避免因此帶來的電量損失，從而提高發(fā)電的收益。在電力交易市場(chǎng)也會(huì)因預(yù)測(cè)準(zhǔn)確能科學(xué)進(jìn)行電力交易，降低正負(fù)電量偏差帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

4 光伏電站功率預(yù)測(cè)精度影響因素

4.1 光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)采集和傳輸影響因素

數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性在光伏電站功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)預(yù)測(cè)精度影響很大，一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通過合理的計(jì)算模型分析，才能得到精度較高的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)和企業(yè)進(jìn)行調(diào)整和分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.1.1 實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集儀安裝位置的影響

實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集的是光伏組件所在區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性對(duì)光伏電站實(shí)時(shí)功率的預(yù)測(cè)有很大影響。

一般光伏電站的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集儀的安裝位置在集控室的屋頂，便于數(shù)據(jù)傳輸，降低信號(hào)干擾和數(shù)據(jù)丟包率，增加通信系統(tǒng)的可靠性。但是一般光伏組件的高度、環(huán)境與實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)儀的高度、環(huán)境、溫度和濕度有差異。對(duì)于一些光伏電站如山地光伏，安裝角度和高度隨著山勢(shì)的走向進(jìn)行安裝，而且距離光伏電站主控室較遠(yuǎn)，有時(shí)可能達(dá)到幾十千米，所以采集的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)偏差非常大，造成功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際功率有較大偏差。對(duì)于平地光伏電站通常分為多個(gè)片區(qū)，不能集中在一個(gè)較為集中的區(qū)域，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)儀正常情況下一個(gè)電站只有一個(gè)，所以造成氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)生了偏差。

對(duì)于實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集儀輻照傳感器，其周圍不能有陽光的遮擋，傳感器玻璃外罩要經(jīng)常保持清潔，否則會(huì)產(chǎn)生輻照度數(shù)據(jù)偏差，影響功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)氣象采集儀對(duì)陽光的追蹤器靈敏性也需要經(jīng)常檢查，要能實(shí)時(shí)追蹤太陽光角度和方向的變化。因此，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)儀安裝位置是否合理，儀器設(shè)備的精度和靈敏度都會(huì)影響對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獲取的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性從而影響光功率預(yù)測(cè)的精度和偏差。

4.1.2 實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)傳輸影響

實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集儀和功率子站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率影響子站系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算。在傳輸數(shù)據(jù)過程中要減少?gòu)?qiáng)磁場(chǎng)的干擾，對(duì)于傳輸模式和設(shè)備要增強(qiáng)抗干擾能力。通常在控制室屋頂?shù)膶?shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)儀因距離子站距離較短，通常采用了RS485數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而控制室常常設(shè)在升壓站的旁邊，大型的變壓器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾，若線路屏蔽線沒有按照標(biāo)準(zhǔn)施工會(huì)造成數(shù)據(jù)經(jīng)常性的丟失，形成部分時(shí)間段功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。對(duì)于傳輸距離較遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)的傳輸一般采用傳輸性能較高的光纜來傳輸，如果采用RS485傳輸將會(huì)大大降低傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，增大了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。因此，數(shù)據(jù)傳輸方式也將會(huì)影響功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.2 局地小環(huán)境特殊性帶來的影響

光伏電站周邊的湖泊、水庫、農(nóng)田、樹林、山地等會(huì)形成一定的小環(huán)境氣候。靠近湖泊、水庫等的光伏電站，周邊由于環(huán)境濕度較大，會(huì)在一定時(shí)間段內(nèi)形成較大的水霧，經(jīng)常是在清晨，造成陽光光線對(duì)光伏板照射的減弱，形成了功率預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性。濕度較大地區(qū)容易形成地區(qū)小范圍多云天氣的形成，由于光伏電站通常面積較大，云層只遮擋部分光伏組件，此時(shí)實(shí)時(shí)氣象采集儀可能沒有受到云層的遮擋影響，還有一種情況是只有實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)儀受到了遮擋而光伏組件卻沒有受到遮擋，這個(gè)時(shí)間段功率預(yù)測(cè)偏差是很大的。電站周邊的污染程度也會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響，如有大型冶煉、高污染企業(yè)形成的粉塵較大，將減弱陽光輻射強(qiáng)度，形成預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性。

4.3 光伏發(fā)電及輸電設(shè)備對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確影響的因素

4.3.1 光伏發(fā)電設(shè)備的可利用率影響

光伏電站的發(fā)電量是受到設(shè)備可利用率影響的，如果發(fā)電及輸電設(shè)備故障率高，不能保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，則發(fā)電量會(huì)受到一定影響。光伏電站功率預(yù)測(cè)如果未將故障設(shè)備剔除，則預(yù)測(cè)功率將會(huì)高于實(shí)際功率，造成預(yù)測(cè)和實(shí)際功率的偏差。

4.3.2 光伏組件的清潔度及遮擋的影響

光伏組件光伏板表面的灰塵厚度大小影響光伏電池板對(duì)太陽光輻射的吸收，從而會(huì)降低發(fā)電功率。如果光伏板前有雜草較高也會(huì)形成遮擋，降低發(fā)電功率。如果有較多光伏組件存在這些問題，發(fā)電功率就會(huì)明顯降低低于預(yù)測(cè)功率值。

4.4 光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算模式與方法的影響

光功率預(yù)測(cè)的計(jì)算模式和方法直接影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在預(yù)測(cè)模型方面，傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation,BP）以其較強(qiáng)的非線性處理能力被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)領(lǐng)域，但該算法缺少對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)時(shí)間相關(guān)性的考慮。為了充分考慮光伏功率序列時(shí)序特性，長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long-Short-Term Memory,LSTM）被廣泛用于預(yù)測(cè)，但該方法缺乏對(duì)未來時(shí)刻信息的考量。所以對(duì)于功率預(yù)測(cè)的建模在實(shí)際的應(yīng)用中要適應(yīng)多種數(shù)據(jù)的變化，才能得出一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

提高光伏電站功率預(yù)測(cè)在建模階段對(duì)各個(gè)影響因素全方位考慮，加強(qiáng)建模的全面性。對(duì)歷史數(shù)據(jù)采取鄰近地區(qū)或是電站的歷史數(shù)據(jù)使用，這樣才會(huì)減少功率偏差，增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，更好地為電站調(diào)峰和電力交易提供可靠的依據(jù)數(shù)據(jù)。