基于區(qū)域配電網(wǎng)的0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測

引言

太陽能作為可再生能源和清潔能源，具有資源分布廣、能源清潔不產(chǎn)生污染以及取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，因此受到了眾多國家的支持。隨著國家對光伏產(chǎn)業(yè)的大力推動與支持，一系列光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策相繼出臺，推動了光伏項(xiàng)目的飛速發(fā)展。但光伏發(fā)電具有間歇性強(qiáng)、周期性強(qiáng)以及波動性大等特點(diǎn)，光伏并網(wǎng)將對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極大挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)整體的沖擊與穩(wěn)定性影響，業(yè)內(nèi)已有較多專家深入研究了大規(guī)模、密集型以及10kV光伏并網(wǎng)對整個電網(wǎng)的影響，并對光伏并網(wǎng)的發(fā)電情況做了深入研究。但對于配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏的并網(wǎng)，由于其點(diǎn)多面廣，發(fā)展迅速，且目前對于0.4kV光伏發(fā)電采集器受種種原因制約無法進(jìn)行集中管控，因此，對于0.4kV分布式光伏的發(fā)電效率以及實(shí)時(shí)發(fā)電功率仍無法做到預(yù)測。然而，目前0.4kV分布式光伏如雨后春筍般散落在各公用臺區(qū)與線路間，對于10kV配電網(wǎng)運(yùn)行安全以及穩(wěn)定性都造成了極大的挑戰(zhàn)。

本文將全面分析影響光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，并對目前主流的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測方法進(jìn)行探討，提出針對區(qū)域配電網(wǎng)的0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測算法，以加強(qiáng)對區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV光伏發(fā)電的輔助支撐，也為后續(xù)對區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏發(fā)電管控積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1光伏發(fā)電關(guān)鍵影響因素

光伏發(fā)電功率與諸多因素有關(guān)，但針對區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏，主要影響因素包括溫度、太陽光的輻照強(qiáng)度、傾角、天氣類型、設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等。

1.1溫度

光伏電池板表面溫度會對光伏電池板性能產(chǎn)生直接影響。光伏電池板吸收光粒子的效率在超過最高效率溫度后會隨著溫度的升高而降低，電池板溫度升高會使得電池板內(nèi)載流子的遷移率、擴(kuò)散長度以及少數(shù)載流子的壽命變差。同時(shí)，光伏電池板由于其材料特性具有較強(qiáng)吸熱性，其溫度會隨著運(yùn)行時(shí)間加長而顯著上升，從而影響到整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。在太陽能電池輸出M-I特性中，在照度不變的情況下，溫度的升高會使組件溫度上升，開路電壓和最大輸出功率下降。一般來說，廠家設(shè)備的光伏電池板普遍在20℃時(shí)效率最佳。

1.2太陽輻照度

太陽輻照度是指太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收、散射、反射等作用后到達(dá)固體地球表面上單位面積單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量，其單位為：瓦特/平方米（w/m2）。同時(shí)，太陽輻照度是定量描述和研究太陽光輻射的重要參量。

硅是光伏電池主要元素，在太陽輻射粒子的作用下，電子與空穴會在硅材料中相應(yīng)移動，此時(shí)會在電池板中產(chǎn)生電場，進(jìn)而形成電流，輸出電功率。因此，太陽輻照度的強(qiáng)弱對光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率有直接影響。但由于各地區(qū)情況、維度等不同，太陽輻照度的值也有所不同，目前我國氣象局和美國NASA等都會發(fā)布地區(qū)太陽年均輻射量及日均總輻射量，可作為地區(qū)太陽輻照度的重要參考。同時(shí)，對于10kV光伏并網(wǎng)或部分0.4kV分布式光伏并網(wǎng)都安裝有輻照度監(jiān)測裝置，可對太陽輻照度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

1.3設(shè)備轉(zhuǎn)換效率

設(shè)備轉(zhuǎn)換效率是指光伏電池板在吸收太陽能后將光能轉(zhuǎn)換為電能的最終轉(zhuǎn)換效率。設(shè)備由光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統(tǒng)等組成，其中最重要的元件是逆變器，逆變器的選用及其質(zhì)量直接影響光伏發(fā)電的效率。同時(shí)，逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一部分，能夠?qū)⒐夥姵匕瀹a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，且具有自動穩(wěn)壓功能，其轉(zhuǎn)換效率取決于輸入與輸出功率的關(guān)系。目前，大多數(shù)主流廠家的設(shè)備轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到85%及以上，但轉(zhuǎn)換效率還與設(shè)備的質(zhì)量及使用環(huán)境等有密切關(guān)系。

2光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測方法

光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率的預(yù)測主要分為直接預(yù)測與間接預(yù)測兩大類別。

直接預(yù)測法是根據(jù)對光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率造成關(guān)鍵影響的因素直接獲取數(shù)據(jù)，如當(dāng)天氣候數(shù)據(jù)、輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)，并建立直接測量模型，最后構(gòu)建虛擬電廠，模擬其光伏電站輸出功率。直接預(yù)測方法的特點(diǎn)是建模難度比較大，對數(shù)據(jù)質(zhì)量以及準(zhǔn)確性要求比較高，且不同工作狀態(tài)和情況及各關(guān)鍵因素的變化可能會影響到模型的準(zhǔn)確性。

間接預(yù)測法是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、輻射數(shù)據(jù)以及設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等情況，通過建立光電轉(zhuǎn)換模型，得出光伏電站的輸出功率。間接預(yù)測法的特點(diǎn)是在整個預(yù)測過程中要建立多個預(yù)測模型，每個模型需要經(jīng)過反復(fù)推敲運(yùn)算，若是關(guān)鍵模型建立錯誤，將導(dǎo)致整個模型失效，直接影響到光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

對于光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測的具體算法較多，目前應(yīng)用較多的是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測、多維時(shí)間序列局部支持向量回歸的發(fā)電功率預(yù)測以及基于KmeanSSVs的光伏發(fā)電功率預(yù)測等，這幾類算法均對光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行了預(yù)測及驗(yàn)證，也是近幾年光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測的主流研究方向。

3區(qū)域配電網(wǎng)#0.4（分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測算法

針對0.4kV分布式光伏的具體情況，由于其分布范圍廣且零散，并以居民或小工廠用戶為主，獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)質(zhì)量均有較大局限，無法與10kV光伏并網(wǎng)的情況相提并論。但0.4kV分布式光伏的實(shí)時(shí)發(fā)電功率，直接影響到10kV線路以及公用臺區(qū)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，本文提出了區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測算法，是在應(yīng)用直接預(yù)測法的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正，優(yōu)化算法。

區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率與以下因素直接有關(guān)：太陽輻照度、0.4kV分布式光伏對象的報(bào)裝容量、溫度、濕度、天氣類型以及設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等。綜合起來，光伏實(shí)時(shí)發(fā)電輸出功率表達(dá)式為：

式中，1為太陽輻射強(qiáng)度（kw/m2）：9為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，主要考慮設(shè)備轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備運(yùn)行情況等：s為0.4kV分布式光伏對象的報(bào)裝容量（kw）：7為氣候系數(shù)，主要考慮溫度、濕度、天氣類型等。

3.1太陽輻射強(qiáng)度I

以全市情況為參考對象，由于考慮到各區(qū)域乃至各條10kV線路或臺區(qū)的實(shí)時(shí)太陽輻照強(qiáng)度會有較大不同，且由于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性問題及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低，無法直接選取0.4kV分布式光伏對象的實(shí)時(shí)輻照度，因此本算法直接選取預(yù)測對象臨近的多個10kV光伏分布點(diǎn)的實(shí)時(shí)太陽輻射強(qiáng)度I，并與歷史光伏輻照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，優(yōu)化太陽輻射強(qiáng)度I至合理區(qū)間。如需要預(yù)測某臺區(qū)下所有0.4kV分布式光伏的太陽輻射強(qiáng)度，則選取該0.4kV分布式光伏臨近的多個10kV光伏分布點(diǎn)的實(shí)時(shí)太陽輻射強(qiáng)度1作為參考值，與歷史同月光伏輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，優(yōu)化太陽輻射強(qiáng)度值，作為最終太陽輻射強(qiáng)度1值。太陽輻射強(qiáng)度的準(zhǔn)確性將直接影響到光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.2經(jīng)驗(yàn)系數(shù)η及氣候系數(shù)T

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)η包括了設(shè)備轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境以及投運(yùn)時(shí)間等，其取值需要依據(jù)進(jìn)行光伏實(shí)時(shí)發(fā)電預(yù)測的0.4kV分布式光伏的廠家情況、設(shè)備投運(yùn)時(shí)間、設(shè)備所處運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行綜合評估。采用最終算法進(jìn)行區(qū)間評估，選取0.6～0.96作為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值。

氣候系數(shù)T主要考慮了溫度、濕度、天氣類型等外圍環(huán)境影響因素，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)下參考對象光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率值，綜合評估外圍因素對光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率值的影響。依據(jù)最終算法對不同溫度、濕度、天氣類型進(jìn)行區(qū)間評估，選取0.9～0.98作為氣候系數(shù)的取值。

3.30.4kV分布式光伏對象的報(bào)裝容量s

0.4kV分布式光伏對象報(bào)裝容量的多少直接影響預(yù)測對象的實(shí)時(shí)發(fā)電功率，因此，選取不同的預(yù)測對象，其報(bào)裝容量應(yīng)有不同取值。如需預(yù)測某一10kV線路下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率，則選取該10kV線路下所有0.4kV分布式光伏報(bào)裝容量累加值作為總報(bào)裝容量s：同理，若需預(yù)測某一臺區(qū)下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率，則選取該臺區(qū)下所有0.4kV分布式光伏報(bào)裝容量累加值作為總報(bào)裝容量s。

3.4（不同預(yù)測對象下的光伏實(shí)時(shí)發(fā)電輸出

依據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測算法，則能對不同區(qū)域或變電站等進(jìn)行0.4kV分布式光伏發(fā)電功率的實(shí)時(shí)預(yù)測，具體展現(xiàn)如表1所示。

4結(jié)語

綜上所述，通過分析影響光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵因素及光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測方法，提出了針對區(qū)域配電網(wǎng)的0.4kV分布式光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率預(yù)測算法，為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及實(shí)時(shí)發(fā)電情況的掌握提供了有力支持。