對(duì)基于晴空指數(shù)與波動(dòng)特性的光伏電站可靠性研究

鄭飛

摘要：為了進(jìn)一步提升光伏電站可靠性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者在分析中引入了晴空指數(shù)與波動(dòng)特性，建立起了多狀態(tài)模型，同時(shí)，在本文中提出了相對(duì)應(yīng)的分析方法。經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)，證實(shí)了該模型的合理性，實(shí)現(xiàn)了可靠性分析質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：晴空指數(shù);波動(dòng)特性;光伏電站;可靠性分析

引言：

當(dāng)前，新能源的開(kāi)發(fā)與使用受到了人們的重點(diǎn)關(guān)注，且有著較好的發(fā)展前景。但是，在新能源開(kāi)發(fā)中，光伏發(fā)電存在波動(dòng)性與不確定性，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。所以，必須要進(jìn)行光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)，并建立起科學(xué)可靠性的光伏電站模型。為了確保光伏電站建模以及可靠性研究的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，必須要引入晴空指數(shù)以及波動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻照度模擬模型的建立，以此為基礎(chǔ)完成后續(xù)的可靠性研究。

1.模型的構(gòu)建

1.1太陽(yáng)輻射模型的構(gòu)建

1.1.1晴空指數(shù)與波動(dòng)特性

晴空指數(shù)表示了設(shè)定時(shí)間內(nèi)的天氣情況，如，每天的平均晴空指數(shù)代表了這一天中整體的天氣情況，表示了這一天中地表接受到的太陽(yáng)輻射量總和與天文輻射量總和的比值。利用算式的形式能夠表示為：k_DC1=，其中，H_T代表了一天中地表接受到的太陽(yáng)輻射量總和;H_C代表了天文輻射量總和。

波動(dòng)特性主要表示了設(shè)定時(shí)間能為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的情況。利用算式的形式能夠表示為：k_V1=，I_S=I_Ck_DCI。其中，I_T，K代表了設(shè)定時(shí)間段中第k段時(shí)間內(nèi)地表的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度;I_S，K代表了設(shè)定時(shí)間段中一天內(nèi)地表的太陽(yáng)獨(dú)照均值曲線上，第k個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輻照強(qiáng)度;Δt代表了研究輻照度的時(shí)間間隔;I_C代表了天文輻照強(qiáng)度;I_S代表了地表的太陽(yáng)輻照均值;nd代表了研究時(shí)間的間隔數(shù)。

1.1.2輻照度模擬模型

在某一時(shí)刻（t）時(shí)，地表上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以用公式完成計(jì)算。其中，I_B（t）代表了某一時(shí)刻（t）地表上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的基準(zhǔn)值;ΔI（t）代表了某一時(shí)刻（t）地表上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)分量。在本此可靠性分析中，認(rèn)定I_B（t）與I_S（t）相同。當(dāng)將晴空曲線設(shè)定為基準(zhǔn)值時(shí)，能夠保證基準(zhǔn)曲線始終處于太陽(yáng)輻射曲線的中間處，此時(shí)擬合的效果更顯著，能夠結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)建立起設(shè)定時(shí)間內(nèi)地表上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度曲線。

1.2光伏電站模型的構(gòu)建

1.2.1基于多狀態(tài)的光伏電站模型

在本次研究中，主要對(duì)由于太陽(yáng)輻射而導(dǎo)致的光伏電站運(yùn)行狀態(tài)的改變進(jìn)行分析。對(duì)于地表的太陽(yáng)輻照度來(lái)說(shuō)，其與晴空指數(shù)和波動(dòng)特性有著十分緊密的關(guān)系。所以，能夠通過(guò)每日平均晴空指數(shù)與波動(dòng)特性的數(shù)值完成光伏電站運(yùn)行狀態(tài)的劃分（N份和M份），并建立起光伏電站的狀態(tài)模型。為了減少分析中的步驟，在后續(xù)的計(jì)算中可以設(shè)定N=M^[1]。

當(dāng)光伏電站此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)為i^th時(shí)，若是其運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，則狀態(tài)數(shù)達(dá)到M²是可能的。由此能夠得出，光伏電站狀態(tài)為j^th時(shí)的概率為P=，。其中，λ_ij代表了光伏電站由i狀態(tài)轉(zhuǎn)移到j(luò)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率;n_ij代表了光伏電站由i狀態(tài)轉(zhuǎn)移到j(luò)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移次數(shù);T_i代表了光伏電站處于狀態(tài)i的總時(shí)長(zhǎng)，可以得出：。

1.2.2光伏電站出力模型

一般來(lái)說(shuō)，光伏電站僅向電網(wǎng)提供有功功率。在光伏電站中，建有無(wú)功補(bǔ)償裝置，包括靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等等。所以，光伏電站的無(wú)功能夠?qū)崟r(shí)的被平衡，在分析中可以忽略。

結(jié)合NASA網(wǎng)站中包含的多年月平均溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合RETScreen軟件，能夠估算出由于環(huán)境溫度而引起的發(fā)電量損失數(shù)據(jù)，估算結(jié)果為4%。由于風(fēng)速對(duì)于光伏發(fā)電量的影響有著較高的復(fù)雜性，所以在實(shí)際的分析中可以不予考量。

在不考慮環(huán)境溫度、風(fēng)速的條件下，光伏發(fā)電站輸出功率的表達(dá)式如下：

其中，P_V（t）代表了光伏發(fā)電站在t時(shí)刻輸出的功率;P_sn代表了光伏電站的額定輸出功率;I_std代表了在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的單位光強(qiáng);R_c代表了設(shè)定值;η_c代表了在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏陣列的能量轉(zhuǎn)化效率。

2.可靠性分析

2.1可靠性指標(biāo)

在光伏電站的可靠性分析中，使用的可靠性指標(biāo)有兩種，即概率性指標(biāo)與確定性指標(biāo)。其中，常用的概率性指標(biāo)主要有缺電頻率、失負(fù)荷概率、缺電時(shí)間望等等。可以使用序貫蒙特卡洛模擬，完成對(duì)光伏發(fā)電站可靠性的評(píng)估，此時(shí)，使用的時(shí)序可靠性指標(biāo)為L(zhǎng)OLF（缺電頻率）指標(biāo)。對(duì)于缺電頻率指標(biāo)來(lái)說(shuō)，其主要表示了設(shè)定時(shí)間內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法滿足符合需求發(fā)生的次數(shù)，表達(dá)式為：。其中，F(xiàn)代表了光伏發(fā)電站處于i狀態(tài)時(shí)的頻率;λ_k代表了狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率;P_i代表了光伏發(fā)電站的故障概率;A為光伏發(fā)電站故障的集合;B為光伏發(fā)電站正常運(yùn)行的集合。

2.2可靠性分析

在使用序貫蒙特卡洛模擬進(jìn)行可靠性分析時(shí)，主要使用了抽樣元件狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的概率分布。首先，需要要對(duì)按時(shí)間順序的元件狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行模擬;其次，要展開(kāi)合并，形成基于時(shí)間順序的光伏發(fā)電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。

對(duì)于光伏發(fā)電站來(lái)說(shuō)，其具有間歇性以及模塊化的特點(diǎn)，能夠在自然停機(jī)的時(shí)間內(nèi)展開(kāi)維修以及檢測(cè)，所以，在實(shí)際的可靠性分析中，可以不考量光伏發(fā)電站故障的發(fā)生，僅考量在太陽(yáng)輻照度變化的情況下光伏發(fā)電站的有功輸出^[2]。基于這樣的情況，光伏發(fā)電站可靠性分析的具體過(guò)程如下：第一，結(jié)合雙狀態(tài)停運(yùn)模型對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組在每個(gè)小時(shí)中的停運(yùn)狀態(tài)進(jìn)行確定，由此能夠得出在模擬周期內(nèi)，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的可用放電容量序列;第二，結(jié)合公式P=，完成光伏發(fā)電站運(yùn)行狀態(tài)的判斷，并制作出光伏發(fā)電站多狀態(tài)運(yùn)行序列表;第三，結(jié)合實(shí)際測(cè)出的擬合某一時(shí)刻（t）地表上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)分量的正態(tài)分布參數(shù)，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)輻射照度;第四，結(jié)合光伏發(fā)電站輸出功率表達(dá)式，計(jì)算出光伏發(fā)電站在模擬周期中的出力序列;第五，判斷發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并計(jì)算出光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)（缺電頻率）。

為了確保上述方式的科學(xué)性，筆者利用RBTS進(jìn)行了仿真模擬測(cè)試，結(jié)果顯示，該方式得出的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)溫和，證實(shí)了多狀態(tài)模型的合理性。筆者在依照上述過(guò)程對(duì)光伏發(fā)電站的可靠性進(jìn)行分析時(shí)，進(jìn)一步分析了光伏發(fā)電站多狀態(tài)模型對(duì)該評(píng)估的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏發(fā)電站的容量增加時(shí)，可靠性指標(biāo)（缺電頻率）的數(shù)值呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。由于在多狀態(tài)模型中，考量了天氣類型、波動(dòng)特性等，所以得出的可靠性分析結(jié)果說(shuō)服力較高。

總結(jié)：

綜上所述，在分析光伏發(fā)電站的可靠性過(guò)程中，引入晴空指數(shù)以及波動(dòng)特性，并建立起多狀態(tài)模型，提升了可靠性分析結(jié)果的說(shuō)服力。為了確保獲得的太陽(yáng)輻射與實(shí)際規(guī)律相符合，只能使用的劃分方式，完成光伏發(fā)電站模型的構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)

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