光伏發(fā)電功率持續(xù)時(shí)間特性的概率分布定量分析

于延龍 陳喜軍

摘要：基于德國(guó)和國(guó)我實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明：光伏出力的持續(xù)時(shí)間分布存在明顯的雙峰值特征，適合采用逆高斯分布和廣義極值分布函數(shù)進(jìn)行加權(quán)混合擬合;雙峰值特征表明，光伏發(fā)電可能在局部云層擾動(dòng)下出現(xiàn)快速功率波動(dòng)，從而只能在數(shù)分鐘內(nèi)保持出力狀態(tài)不變，也可能在天氣條件良好時(shí)跟隨日地運(yùn)動(dòng)緩慢變化，其出力可維持某一狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)?

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;持續(xù)時(shí)間特性;預(yù)測(cè)方法

1.光伏發(fā)電功率持續(xù)時(shí)間

基于光伏發(fā)電功率狀態(tài)的概念，可以進(jìn)一步定義光伏發(fā)電功率的持續(xù)時(shí)間為：光伏發(fā)電功率連續(xù)維持在某一給定出力狀態(tài)不變的時(shí)間長(zhǎng)度?應(yīng)當(dāng)注意，持續(xù)時(shí)間的概念總是針對(duì)一個(gè)具體出力狀態(tài)而言的，且光伏電站輸出功率多次進(jìn)出給定出力狀態(tài)時(shí)的持續(xù)時(shí)間需分別統(tǒng)計(jì)，不作累加?持續(xù)時(shí)間特性能夠非常直接地獲取光伏發(fā)電功率維持在任意給定功率區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)及其置信度，結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)能夠承受的最大光伏出力波動(dòng)范圍，持續(xù)時(shí)間分布可用于確定平抑過(guò)量光伏出力波動(dòng)的最佳測(cè)量與控制周期、檢驗(yàn)光伏電站在不同狀態(tài)下輸出波動(dòng)性的合格率等。需要額外說(shuō)明的是，考慮到光伏發(fā)電功率在夜間恒定為0，并無(wú)隨機(jī)性，且大量的夜間零出力容易湮沒(méi)更為重要的白晝出力特性，

2.持續(xù)時(shí)間分布雙峰值特征的定量分析

本節(jié)進(jìn)一步對(duì)持續(xù)時(shí)間兩個(gè)局部極大值對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度?概率相對(duì)大小與電站運(yùn)行點(diǎn)?光伏裝機(jī)容量?光伏陣列散布范圍的關(guān)系進(jìn)行分析?對(duì)于任意光伏電站/區(qū)域光伏發(fā)電功率，隨著其運(yùn)行點(diǎn)（出力狀態(tài)）的升高，其最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出先快速減少后略微增加的趨勢(shì)?相比較而言，光伏發(fā)電在低出力狀態(tài)相對(duì)較為穩(wěn)定?舉例在本節(jié)的光伏出力狀態(tài)劃分方式下，兆瓦級(jí)電站的持續(xù)時(shí)間可達(dá)到295min（約5h），而區(qū)域光伏發(fā)電總和的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間更是可以達(dá)到540min（約9h）?

根據(jù)前述分析，可以推斷持續(xù)時(shí)間分布雙峰值的物理內(nèi)涵如下：1.加強(qiáng)光伏發(fā)電陣列的地理散布、增加裝機(jī)容量有利于降低甚至完全消除第一峰值，故而第一峰值的本質(zhì)應(yīng)當(dāng)是來(lái)自于局部云層移動(dòng)、遮蔽、消散引起的光照快速變化。

3.光伏發(fā)電功率持續(xù)時(shí)間分布的擬合

3.1混合PDF

由前述分析可知，光伏發(fā)電功率的持續(xù)時(shí)間特性存在雙峰值的特點(diǎn)，故而無(wú)法使用常見(jiàn)的PDF進(jìn)行擬合，為此本文提出采用混合PDF擬合的方法，其中混合PDF的定義為：式中：g1（x），g2（x），…，gK（x）為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定的基礎(chǔ)PDF;a1，a2，…，aK為線性加權(quán)系數(shù);f1（x）為混合PDF?線性加權(quán)系數(shù)的總和為1確保了混合PDF的累積概率歸一化?各PDF的參數(shù)及線性加權(quán)系數(shù)在擬合過(guò)程中采用最大似然估計(jì)法進(jìn)行確定?

3.2擬合優(yōu)度檢驗(yàn)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)混合PDF對(duì)原分布列的擬合質(zhì)量，本文采用了殘差平方和（RSS）作為評(píng)判指標(biāo)，其值計(jì)算方法如式所示，其實(shí)質(zhì)為離散分布列的擬合誤差平方和。RSS結(jié)果越小表明擬合結(jié)果越好。

3.3混合擬合測(cè)試結(jié)果

節(jié)選擇的PDF能夠組合成8種不同的混合PDF形式，本文利用表一中光伏功率數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試由擬合測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，逆高斯分布與廣義極值分布組合的平均RSS最小，因此可認(rèn)為最適合用于光伏發(fā)電功率持續(xù)時(shí)間分布的擬合?具體見(jiàn)表一?

4.光伏發(fā)電功率持續(xù)時(shí)間的預(yù)測(cè)方法

4.1直接預(yù)測(cè)法和間接預(yù)測(cè)法

直接預(yù)測(cè)法：它利用已有的氣象預(yù)報(bào)與功率數(shù)據(jù)信息，直接得到預(yù)測(cè)結(jié)果，該方法適用于中短期時(shí)間尺度內(nèi)的預(yù)測(cè)?

間接預(yù)測(cè)法：它在預(yù)測(cè)輸出功率之前，首先根據(jù)預(yù)測(cè)模型對(duì)相關(guān)的氣象因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度，再根據(jù)功率歷史信息與監(jiān)測(cè)功率信息，預(yù)測(cè)光伏電站的輸出功率?直接預(yù)測(cè)法中，在不同時(shí)間尺度內(nèi)或不同氣象條件下所使用的氣象和功率數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，因此模型建立困難，所建立的模型性能也不高?間接預(yù)測(cè)法中，需要建立多個(gè)預(yù)測(cè)模型，還需要再根據(jù)預(yù)測(cè)模型對(duì)氣象因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，工作過(guò)程較為復(fù)雜?

4.2物理預(yù)測(cè)方法和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法

物理預(yù)測(cè)方法是根據(jù)光伏電站所在位置處的太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)?各種地理信息與氣象信息，用太陽(yáng)光輻照傳遞方程與光伏組件運(yùn)行方程等物理運(yùn)算手段進(jìn)行預(yù)測(cè);統(tǒng)計(jì)方法是根據(jù)輸入的歷史氣象數(shù)據(jù)?功率數(shù)據(jù)尋找統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)?物理方法不依賴于歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)光伏電站所處地理信息及光伏組件的參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)就可進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此適用于新建電站，但其建模困難，且不同時(shí)間尺度內(nèi)或不同天氣情況下光伏組件參數(shù)緩慢變化，使得參數(shù)難以辨識(shí)，因此物理方法預(yù)測(cè)模型的抗干擾能力有限，魯棒性不強(qiáng)?

4.3單場(chǎng)預(yù)測(cè)和區(qū)域預(yù)測(cè)

單場(chǎng)預(yù)測(cè)，指對(duì)單個(gè)光伏電站的功率預(yù)測(cè)，用來(lái)為光伏發(fā)電運(yùn)營(yíng)商提供功率預(yù)測(cè)信息，用于光伏電站的優(yōu)化運(yùn)行與控制?區(qū)域預(yù)測(cè)，指對(duì)某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的多個(gè)光伏電站總輸出功率的預(yù)測(cè)，這一預(yù)測(cè)可提供某一區(qū)域范圍內(nèi)光伏發(fā)電輸出功率情況，提前預(yù)估光伏發(fā)電出力與波動(dòng)情況，為電力部門制定光伏與火力?水力?風(fēng)力發(fā)電的協(xié)調(diào)調(diào)度計(jì)劃提供依據(jù)，降低光伏電站輸出功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊?

結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電功率的持續(xù)時(shí)間概率分布往往具有雙峰值?非單調(diào)的特征?第一峰值對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間極短，反映了短時(shí)云層擾動(dòng)引起的光伏出力狀態(tài)變更;第二峰值對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘，對(duì)應(yīng)于日地運(yùn)動(dòng)引起的?速率較慢的光伏出力狀態(tài)變化?

參考文獻(xiàn)

[1]劉琦.中國(guó)2050高比例可再生能源發(fā)展情景暨路線研究[R].北京：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所，2015.