大型光伏電站整體出力研究與預(yù)測(cè)

馬明　汪寧渤　譚洪斌　呂清泉　戰(zhàn)鵬

【摘 要】隨著大量光伏電站的建成投產(chǎn)，光伏發(fā)電總量占總發(fā)電量的比例越來越大，由于無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)光能出力給電網(wǎng)帶來很大了的不確定性，文章通過在matlab和PSCAD中對(duì)氣象環(huán)境和光伏電站建模，研究了光伏電站整體出力的特性及各種因素對(duì)光伏電站整體出力的影響;使用該模型對(duì)特定氣象環(huán)境下光伏電站的出力進(jìn)行了預(yù)估，結(jié)果表明，該模型能得到較好的預(yù)測(cè)效果。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電;出力預(yù)測(cè);PSCAD

【中圖分類號(hào)】TM615 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）11-0120-03

近年來，為了應(yīng)對(duì)化石能源減少的現(xiàn)狀，各國紛紛發(fā)展光伏等新能源。但隨著大量光伏電站的建成投產(chǎn)，光伏發(fā)電的容量占電網(wǎng)容量的比例越來越大，光伏并網(wǎng)給電網(wǎng)本身帶來很大的影響。一方面，會(huì)影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量;另一方面，光伏電站出力的隨機(jī)性會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度帶來很大難度，甚至引起棄光現(xiàn)象，僅甘肅省2013年就因?yàn)楣夥鼦壒庠斐傻膿p失就達(dá)到1億元。

通過在matlab中建立光伏電站的局部氣象環(huán)境模型，同時(shí)在PSCAD中對(duì)光伏電站發(fā)電過程進(jìn)行建模，對(duì)特定氣象環(huán)境下的出力情況進(jìn)行仿真分析，通過結(jié)合模型仿真和理論分析考慮影響光伏發(fā)電的主要因素。并且，對(duì)某一個(gè)典型環(huán)境下光伏電站的出力情況做出預(yù)測(cè)，并與實(shí)際進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型可以得到很好的預(yù)測(cè)效果。

1 環(huán)境模型的建立

由于光伏發(fā)電就是將太陽能轉(zhuǎn)化為光能，環(huán)境的差異甚至是局部環(huán)境的差異影響著發(fā)電的結(jié)果，所以為了更準(zhǔn)確地研究光伏電站的出力，需要對(duì)光伏電站的整體環(huán)境進(jìn)行建模。本文主要建立光伏電站環(huán)境中的光場和溫度場，建立典型環(huán)境下的環(huán)境場模型（如圖1所示），該模型可以計(jì)算得到每個(gè)電池板的環(huán)境數(shù)據(jù)，主要是光照強(qiáng)度和電池板溫度，為更好地進(jìn)行后續(xù)研究做好鋪墊。

在得到環(huán)境節(jié)點(diǎn)的光強(qiáng)和溫度數(shù)據(jù)后，主要通過二維的插值處理，從而得到環(huán)境場模型。這里我們采用二元函數(shù)的拉格朗日插值方法。該方法的插值基函數(shù)如下：

在實(shí)際的光伏電站中可以得到環(huán)境節(jié)點(diǎn)的光照強(qiáng)度和溫度數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)和插值方法可以得到整個(gè)光伏電站中光伏電池板的光照強(qiáng)度場分布和溫度數(shù)據(jù)分布。圖2和圖3是兩種常見環(huán)境下的光場分布示意圖。

2 光伏電站系統(tǒng)模型

2.1 光伏電池板的數(shù)學(xué)模型

光伏電池板的物理模型非常復(fù)雜，在實(shí)際建模時(shí)可采用一些經(jīng)驗(yàn)公式代替，任意太陽輻射強(qiáng)度R（w/m2）和光伏組件的溫度Ta（℃）的條件下，設(shè)在參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im、Vm為最大功率點(diǎn)的電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列的電壓為V，其對(duì)應(yīng)的電流I：

若考慮到輻射強(qiáng)度變化和溫度的影響：

變化溫度系數(shù)，R為光伏模塊的串聯(lián)電阻。

2.2 MPPT技術(shù)

光伏陣列的開路電壓和短路電流在很大程度上受日照強(qiáng)度和溫度的影響，系統(tǒng)工作點(diǎn)也會(huì)因此飄忽不定，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。為此，光伏陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。MPPT技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（V、I），使系統(tǒng)以最大功率輸出。本項(xiàng)目選擇采用導(dǎo)納增量法（如圖4所示），該方法在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且在最大功率點(diǎn)的振蕩幅度也比其他方法小，功率損失也相對(duì)較少。

2.3 電網(wǎng)及負(fù)載模型

隨著光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏并網(wǎng)帶來電壓閃變對(duì)電網(wǎng)的影響越來越大，所以研究負(fù)載對(duì)閃變的影響是工程上需要的。此部分主要介紹電網(wǎng)的靜態(tài)負(fù)載模型。負(fù)荷靜態(tài)模型反映了負(fù)荷有功、無功功率隨頻率和電壓緩慢變化而變化的規(guī)律，可用代數(shù)方程或曲線表示。其中，負(fù)荷隨電壓變化的特性稱為負(fù)荷電壓特性，而隨頻率變化的特性稱為負(fù)荷頻率特性。在一定的電壓變化范圍和頻率變化范圍下，負(fù)荷有功功率和無功功率隨電壓和頻率變化的特性，可近似表示：

上式中，P0、Q0、U0、ω0分別為在基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷有功功率、無功功率、負(fù)荷母線電壓幅值和角頻率;P、Q、U、ω為其實(shí)際值;Up和Uq為負(fù)荷有功和無功功率的電壓特性指數(shù);p和q為負(fù)荷有功和無功功率的頻率特性指數(shù)。

3 影響光伏電站出力的因素分析

3.1 光照強(qiáng)度對(duì)光伏電站出力的影響

對(duì)于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電來說，影響發(fā)電量最主要的環(huán)境因素是光照的強(qiáng)度，在第一部分建立的模型基礎(chǔ)上，我們主要看在帶有MPPT的情況下，光照強(qiáng)度對(duì)功率的影響。隨著光強(qiáng)的增加，輸出的最大功率線性增加。

3.2 溫度對(duì)光伏電站出力的影響

溫度在一定的范圍內(nèi)，在額定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的增加，輸出的最大功率線性減少。對(duì)于裝備該種型號(hào)電池的光伏電站，溫度從0 ℃增加到5 ℃時(shí)，電站的輸出功率下降約7%。

4 算例分析及結(jié)論

在本模型中可以發(fā)現(xiàn)，在光照溫度環(huán)境不變的情況下，穩(wěn)態(tài)的功率輸出即為電站的出力情況，因此可以研究任意光照溫度環(huán)境下的電站出力情況。在此，我們采用本模型對(duì)一天中某光伏電站的實(shí)際溫度和光照強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了簡單的插值運(yùn)算，得到了如圖5所示的曲線。同時(shí)，對(duì)電站的實(shí)際出力情況的檢測(cè)結(jié)果也在圖中虛線顯示出來。從兩條曲線的對(duì)比來看，我們對(duì)電站的出力仿真大體上是可行的，在早晚的預(yù)測(cè)偏差稍大。

經(jīng)過比較，本論文給出的方法是一種有效預(yù)測(cè)光伏電站出力的方法，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)符合的增長情況，從而更好地給出系統(tǒng)的調(diào)度和機(jī)組出力的計(jì)劃，有效減少光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來的不利影響，可以盡可能地減少棄光現(xiàn)象的產(chǎn)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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