光伏功率特性分析及其時間序列生成方法研究

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對電網(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，對這些影響應(yīng)給予充分的考慮。為此，對并網(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；時間序列；生成方法

0.引言

隨著社會的經(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)為未來最具競爭力的發(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)展的趨勢以及功率特性分析

1.1光伏發(fā)展的趨勢分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，能源行業(yè)作為國家的支柱產(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)，對全球能源分配、經(jīng)濟(jì)發(fā)展均帶來了劇烈的震動，這期間歐美各國物價飛漲、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：不計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運(yùn)動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，即從日出時刻開始增加，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：局部云團(tuán)的移動、聚集與消散會進(jìn)一步造成所在區(qū)域太陽輻射的短時擾動，從而給光伏出力帶來分鐘級的隨機(jī)波動分量。

2.光伏出力時間序列生成方法和驗證探究

2.1光伏出力時間序列生成方法

光伏出力時間序列生成指的是基于一定長度的光伏出力實測數(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統(tǒng)計特性。為了生成任意長度的光伏序列，需要獲得一個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)動模型，給定光伏電站所處經(jīng)緯度，可以計算出每日的日出日落時刻及日間時長Ti，day。據(jù)此，對理想出力歸一化曲線Zi*（t*）的橫坐標(biāo)做拉伸反變換，得到實時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，由美國統(tǒng)計學(xué)家 GeorgeBox 和英國統(tǒng)計學(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)時間序列必須是一個平穩(wěn)過程。滿足兩個條件：（1）對于任意時間t，其均值恒為常數(shù)；（2）對于任意的時刻點(diǎn)t和s，其自相關(guān)系數(shù)只與時間間隔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)時間序列。

2.2光伏出力時間序列生成方法驗證

光伏出力序列的基本統(tǒng)計特性包括均值、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)計學(xué)中的 K-S 檢驗。K-S 檢驗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 值計算過程類似，但是臨界值的計算略有不同。對于前者，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，所有測試電站均通過 K-S 檢驗，進(jìn)一步說明生成序列 PDF 的有效性。不同時間尺度的波動特性指的是光伏出力序列在不同時間步長下有功變化量的分布。如 5min 級波動特性是指相隔 5min 的兩個采樣點(diǎn)之間的有功變化量。不同時間尺度下的波動特性 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特性。附錄中的 KS 檢驗全部通過，證明了該方法的有效性。

3.結(jié)語

如上所述，現(xiàn)有對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率時間序列研究基本集中在光伏功率時間序列的預(yù)測上，雖然這提升了系統(tǒng)對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制能力和電網(wǎng)對光伏的消納能力，但限于預(yù)測技術(shù)不夠完善，只能預(yù)測較短時間尺度的功率時間序列，而且由于每個并網(wǎng)光伏電站的出力都具有獨(dú)特性，其預(yù)測的結(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)，所以對光伏功率時間序列的固有屬性進(jìn)行分析就更為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述[J]. 丁明，王偉勝，王秀麗，宋云亭，陳得治，孫鳴. 中國電機(jī)工程學(xué)報. 2014（01）

[2]大型光伏電站動態(tài)建模及諧波特性分析[J]. 謝寧，羅安，陳燕東，馬伏軍，徐欣慰，呂志鵬，帥智康. 中國電機(jī)工程學(xué)報. 2013（36）

[3]大型光伏電站與電網(wǎng)諧波交互影響[J]. 謝寧，羅安，馬伏軍，徐欣慰，呂志鵬，帥智康. 中國電機(jī)工程學(xué)報. 2013（34）