寧夏地區(qū)光伏電站出力特性分析

葛鵬江， 李怡

(1. 國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，寧夏回族自治區(qū) 銀川　730011； 2. 寧夏送變電工程公司，寧夏回族自治區(qū) 銀川　730001)

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寧夏地區(qū)光伏電站出力特性分析

葛鵬江1， 李怡2

(1. 國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，寧夏回族自治區(qū) 銀川730011； 2. 寧夏送變電工程公司，寧夏回族自治區(qū) 銀川730001)

并網(wǎng)光伏電站出力的波動(dòng)性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著較為重要的影響。通過對寧夏不同地區(qū)三個(gè)相同裝機(jī)規(guī)模光伏電站的歷史出力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從6月份日平均出力和不同天氣類型定量研究了光伏電站出力的波動(dòng)水平和變化趨勢。對晴天、多云天和雨天等天氣類型的光伏電站出力波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析并比較出力變化率，得出不同天氣類型光伏電站出力具有不同波動(dòng)性的結(jié)論。

光伏電站；出力；波動(dòng)性；天氣類型；變化率

0　引　言

太陽能開發(fā)利用作為國家能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，近年來在我國得到了迅猛發(fā)展[1]。并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是開發(fā)利用太陽能資源的主要形式之一。近年來，寧夏地區(qū)并網(wǎng)光伏電站數(shù)量及裝機(jī)規(guī)模得到了快速的增長，截至2014年底，寧夏電網(wǎng)已投運(yùn)并網(wǎng)光伏電站為67個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到1 730 MW，主要以110 kV及以下電壓等級并網(wǎng)。光伏電站出力具有一定的波動(dòng)性和間歇性，對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)面影響日漸突出，也給電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)[2]?！笆濉逼陂g，寧夏回族自治區(qū)鼓勵(lì)企業(yè)以“大規(guī)模光伏園區(qū)集中并網(wǎng)方式”開發(fā)太陽能資源，這也使得對光伏出力波動(dòng)性的研究變得尤為重要。在遠(yuǎn)期大規(guī)模開發(fā)、集中接入電網(wǎng)時(shí)，對緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力、提高電網(wǎng)滲透率具有重要的意義。

目前國內(nèi)對于風(fēng)電出力特性已有部分研究，但對光伏電站出力特性分析的研究還相對較少：文獻(xiàn)[3]從不同的天氣類型下分析了光伏電站出力的波動(dòng)特性及對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響。文獻(xiàn)[4]根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)分析和時(shí)間序列分析的方法，對全網(wǎng)風(fēng)電出力的波動(dòng)特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]分析了甘肅酒泉風(fēng)電基地的出力特性，比較了在不同時(shí)間和空間尺度下風(fēng)電基地出力特性的特點(diǎn)。

光伏電站出力主要受太陽輻射量、云層、溫度等因素影響，目前部分研究光伏電站出力特性或者輸出功率預(yù)測時(shí)，以劃分日類型來作為研究基礎(chǔ)的文獻(xiàn)較多[6-8]。本文在此基礎(chǔ)上，從天氣系統(tǒng)分類的角度出發(fā)，選取了寧夏不同地區(qū)的三個(gè)光伏電站實(shí)測出力數(shù)據(jù)，分析了不同地域、相同天氣類型下光伏電站出力特性。

1　寧夏太陽能資源及光伏電站概況

1.1寧夏太陽能資源概況

寧夏是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，也是我國太陽輻射的高能區(qū)之一，年均太陽輻射量在4 950 MJ/m2～6 100 MJ/m2之間，年均日照小時(shí)數(shù)在2 250 h～3 100 h之間，日照百分率在50%～69%之間，在開發(fā)利用太陽能方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件—地勢海拔高、陰雨天氣少、日照時(shí)間長、輻射強(qiáng)度高、直接輻射多、大氣透明度好，全年平均總云量低于5成。這表明寧夏太陽能資源豐富，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件，太陽能開發(fā)利用潛力巨大[9]。寧夏太陽能資源分布圖如圖1所示。

圖1　寧夏年輻射總量分布圖(MJ/m2)

寧夏太陽輻射年際變化較穩(wěn)定，因地域不同具有一定的差異，資源具有北多南少的地理特點(diǎn)，年平均太陽輻射量南北相差約1 000 MJ/m2，靈武、同心最大，達(dá)6 100 MJ/m2以上，全區(qū)平均達(dá)5 781 MJ/m2以上[10]。以引黃灌區(qū)和中部干旱帶的鹽池、同心地區(qū)太陽輻射較高且分布均勻，年平均太陽輻射量穩(wěn)定在5 860 MJ/m2～6 100 MJ/m2之間。南部的固原地區(qū)年輻射量相對較少，年平均太陽輻射量在4 950 MJ/m2～5 640 MJ/m2之間。寧夏太陽輻射量還具有明顯季節(jié)變化差異，夏季最多為1 930 MJ/m2，春秋兩季次之，平均為1 456 MJ/m2，冬季最少，平均為945 MJ/m2。

1.2光伏電站概況

圖2　1 MW光伏陣列電氣接線示意圖

本次選取的三個(gè)光伏電站分別位于銀川地區(qū)(A)、吳忠地區(qū)(B)和中衛(wèi)地區(qū)(C)，裝機(jī)容量均為30 MW，投運(yùn)時(shí)間相差較短，在此忽略光伏組件衰減效率對發(fā)電量的影響。三個(gè)光伏電站均以35 kV接入電網(wǎng)，采用目前主流的“分塊逆變、集中并網(wǎng)”方式，每個(gè)1 MW光伏電池板為一個(gè)發(fā)電單元，太陽能電池陣列輸入光伏方陣初級防雷匯流箱、直流配電柜后，接入集中式光并網(wǎng)伏逆變器，輸出為0.27 kV低壓交流電，然后接入35 kV升壓變壓器就地升壓至35 kV，高壓線纜經(jīng)直埋方式匯集到場內(nèi)35 kV開關(guān)站，最后通過單回架空線路接入電網(wǎng)。1 MW光伏陣列電氣接線示意圖如圖2所示。

2　光伏電站出力特性分析

2.1出力變化率定義

出力變化率的定義如下:

(1)

式中r為出力變化率，P為當(dāng)日或者當(dāng)前時(shí)刻的出力，Pi+1為下一日或下一時(shí)刻的出力數(shù)據(jù)，SN為光伏電站裝機(jī)容量。

本次選取了光伏電站出力較大的6月每天平均出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從圖3可以看出，A、B、C三個(gè)光伏電站出力有較好的趨勢一致性，小部分有一定的波動(dòng)性，這主要由于寧夏地域面積較小，三個(gè)光伏電站所在地域相對距離較近，天氣無明顯的劇烈變化。

圖3　6月份日平均出力曲線圖

圖4為6月每日出力變化率圖，A光伏電站平均出力變化率為6.6%，B光伏電站平均出力變化率為6.3%，C光伏電站平均出力變化率為6.9%，三個(gè)光電站平均變化率均相對較小。A光伏電站最大出力變化率為21.0%，B光伏電站最大出力變化率為17.8%，C光伏電站最大出力變化率為19.2%，A光伏電站最大日出力變化率比B、C兩站稍大。

圖4　6月份日平均出力變化率圖

2.2不同日類型出力特性分析

2.2.1晴天出力特性分析

本次在基于日類型研究光伏電站出力特性時(shí)，出力數(shù)據(jù)每15 min采樣一次。從圖5可以看出，三個(gè)光伏電站在晴天時(shí)出力有很強(qiáng)的趨勢一致性。A光伏電站平均出力為13.1 MWp，B光伏電站平均出力為12.5 MWp，C光伏電站平均出力為12.0 MWp；A光伏電站最大出力為23.7MWp，B光伏電站最大出力為22.7 MWp，C光伏電站平均出力為21.8 MWp，最大出力出現(xiàn)時(shí)間基本在12∶30～13∶30之間，三個(gè)光電站平均出力及最大出力相差均較小，均較好的反映了晴天時(shí)光伏電站出力特性。

圖5　晴天光伏電站出力曲線圖

圖6　晴天光伏電站出力變化率圖

圖6為晴天時(shí)出力變化率圖，A光伏電站平均出力變化率為2.8%，B光伏電站平均出力變化率為2.7%，C光伏電站平均出力變化率為2.6%，三個(gè)光電站平均變化率均很小且相差較小。A、B、C三個(gè)光伏電站最大出力變化率均比較穩(wěn)定，絕大部分出力變化率小于10%。

2.2.2多云天出力特性分析

圖7為多云天時(shí)三個(gè)光伏電站出力曲線圖，從圖7可以看出，光伏電站在多云天時(shí)出力有很強(qiáng)的波動(dòng)性。A光伏電站平均出力為10.5 MWp，B光伏電站平均出力為10.6 MWp，C光伏電站平均出力為8.7 MWp；A光伏電站最大出力為28.0 MWp，B光伏電站最出力為24.1 MWp，C光伏電站平均出力為25.3 MWp，A、B光電站平均出力相差不大，C光伏電站平均出力相對較?。籄光伏電站最大出力相對較大。

圖7　多云天光伏電站出力曲線圖

圖8為多云天時(shí)光伏電站出力變化率圖，A光伏電站平均出力變化率為10.5%，B光伏電站平均出力變化率為8.3%，C光伏電站平均出力變化率為6.7%，三個(gè)光電站平均變化率依次減小。但最大日出力變化率相差較大。A光伏電站最大出力變化率為58.1%，B光伏電站最大出力變化率為35.8%，C光伏電站最大出力變化率為34.9%，A光伏電站最大日出力變化率相對最大。圖7和圖8也說明但從處理數(shù)據(jù)來看，多云天氣光伏電站出力波動(dòng)性較強(qiáng)且沒有較好的規(guī)律性可循。

圖8　多云天光伏電站出力變化率圖

2.2.3雨天出力特性分析

圖9為雨天時(shí)光伏電站出力變化率圖，從圖9可以看出，光伏電站在雨天時(shí)出力具有小出力和一定波動(dòng)特性。A光伏電站平均出力僅為2.4 MWp，B光伏電站平均出力為2.9 MWp，C光伏電站平均出力為2.5 MWp；A光伏電站最大出力為6.3 MWp，B光伏電站最出力為7.2 MWp，C光伏電站平均出力為7.0 MWp，三個(gè)光電站最大出力均較小且最大出力的時(shí)間也沒有明顯的規(guī)律可循。

圖9　雨天光伏電站出力曲線圖

圖10為雨天時(shí)出力變化率圖，A光伏電站平均出力變化率為2.6%，B光伏電站平均出力變化率為2.0%，C光伏電站平均出力變化率為3.2%，三個(gè)光電站平均變化率相差較小。A、B、C三個(gè)光伏電站最大出力變化率均相對較小，出力變化率小于14%。

圖10　雨天光伏電站出力變化率圖

3　結(jié)束語

本文基于寧夏不同地域的三個(gè)相同裝機(jī)規(guī)模光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)，從日平均出力和不同天氣類型下分析光伏出力波動(dòng)特性，定量地分析了光伏出力的波動(dòng)水平和變化率并得出以下結(jié)論。

(1) 本次選取了三個(gè)光伏電站6月份各天平均出力數(shù)據(jù)有較好的趨勢一致性，小部分出力有一定的波動(dòng)性，這主要由于寧夏區(qū)域相對較小，三個(gè)光伏電站所在地域相對距離較短。

(2) 三個(gè)光伏電站在晴天時(shí)出力有很強(qiáng)的趨勢一致性，平均出力及最大出力相差均較小，最大出力出現(xiàn)時(shí)間基本在中午12:30～13:30之間。最大出力變化率均相對較小，絕大部分出力變化率小于10%。

(3) 三個(gè)光伏電站在多云天時(shí)出力有很強(qiáng)波動(dòng)性。三個(gè)光電站平均變化率依次減小，但最大日出力變化率相差較大。

(4) 三個(gè)光伏電站在雨天時(shí)出力具有一定的波動(dòng)和小出力特性，平均出力及最大出力均較小且最大出力的時(shí)間也沒有明顯的規(guī)律性可循。平均變化率相差較小，最大出力變化率均相對較小，出力變化率小于14%。

[1] 陳煒，艾欣，吳濤，等．光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備， 2013，33(2)：26-32．

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An Analysis on Output Characteristics of Photovoltaic Power Stations in Ningxia Area

GE Peng-jiang1，LI Yi2

(1. Economic and Technological Research Institute, State Grid Ningxia Electric Power Co., Yinchuan Ningxia Hui Autonomous Region 730011, China；2. Ningxia Power Transmission & Transformation Engineering Co.,Yinchuan Ningxia Hui Autonomous Region 730001, China)

The fluctuation of grid-connected PV power stations produces significant influence upon safe and stable operation of the power grid. This paper makes a statistical analysis on historical output data for three PV power stations of the same installed capacity in different regions of Ningxia, and discusses fluctuation level and change trend of the output of the photovoltaic power stations based on the average output and different weather types in June. The data on station output fluctuation on sunny, cloudy and rainy days are analyzed and output change rates are compared. It is finally concluded that the output of PV power stations has different fluctuations for different weather types.

PV power station； output； fluctuation； weather type； change rate

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.013

TK511;TM615

A

1000-3886(2016)02-0033-04

葛鵬江(1986-)，男，陜西興平人，碩士，工程師，主要從事新能源接入電網(wǎng)規(guī)劃與分析等研究工作。李怡(1986-)，女，寧夏中寧人，碩士，工程師，主要從事繼電保護(hù)調(diào)試等研究工作。