CN102244483A - 基于气象信息的光伏发电有功功率在线评估方法 - Google Patents

Abstract

基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，包括如下步骤：一、选取基准点、基准方向和样本光伏电池板，并设数据采集时刻为初始时刻t＝0；二、采集光伏电池板与测光设备的轴线方向；三、采集光伏电池板与测光设备的地理位置信息和倾角数据；四、采集测光设备测得的太阳辐照样本数据、预测数据和云量监测数据；五、太阳辐照样本数据和预测数据预处理；六、云量监测数据预处理；七、计算光伏组件的有功功率输出；八、得到光伏发电有功功率特性曲线。本方法以特定时间周期(1min)测光设备实测数据为基础，综合考虑云团对光伏电站的影响，通过近似等功率处理及曲线拟合得到未来0～5min的光伏发电有功功率特性曲线。有效提高有功功率特性分析的效率和准确性，为风光等多电源联合发电***的互补运行策略及能效管理策略的制定和调整提供依据。

Description

基于气象信息的光伏发电有功功率在线评估方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现光伏发电有功功率特性在线评估方法，属于新能源发电技术中的光伏发电控制技术领域。

背景技术

太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应原理将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电形式。在全球能源紧张和环境恶化的压力下，光伏发电受到世界各国的重视，光伏发电产业得到快速发展。截至2008年底，我国光伏发电累计装机容量140MW，并网光伏发电所占比例约20％。随着2009年建筑光伏补贴政策和“金太阳”工程的实施，极大地推动了我国光伏发电的进程，大量集中分布的建筑光伏和地面并网光伏电站开始出现。在太阳能资源丰富地区，大量光伏电站已经或即将开始建设，国内的光伏发电产业开始了跨越式发展，未来光伏发电的增长势头会更加迅猛。

然而，由于光伏电站有功出力的可控性差，受太阳辐照的影响大，且云彩遮挡会导致光伏电池出力急剧下降，最大降幅可达50％以上，因此，当局部电网中光伏发电装机容量比重达到一定程度，或该地区以光伏发电为主时，将会对用户的用电可靠性产生很大的影响。无法准确预测光伏发电出力并对其有功功率输出特性进行实时评估是造成上述问题的原因之一。其中，提高光伏发电的预测精度应考虑从提高预测模型的精细度和准确性；提高光伏有功功率输出特性评估的准确性应考虑输入数据源的实时性和准确性。

随着光伏发电预测预报技术和通信技术的发展，利用测测光设备实际测光数据、预测数据和云量监测数据已经能够对短期(未来0-4小时)的光伏发电有功功率输出进行较为准确的预测，预测偏差约为15％～30％。可见，利用测光设备实测数据、预测数据和云量监测数据进行光伏发电有功功率特性实时在线评估成为一种可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决光伏发电有功功率特性的在线评估问题，提供一种能够利用气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，运行于光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***，利用场站内部光伏组件、测光设备的地理分布信息及通过光伏电站测光设备通讯获取实测太阳辐照数据评估光伏发电的有功功率特性，其特征是包括如下步骤：

(1)选取正南方向为光照基准方向，角度a_f0为0°，选择测光设备的安装点为基准点，坐标记为(0，0)，选择样本光伏电池板，安装点坐标记为(x_s，y_s)，并设数据采集时刻为初始时刻t＝0；

(2)采集所述样本光伏电池板与所述测光设备的轴线方向，以相对基准方向的偏差角度表示，分别记为a_fd和a_fm，若为南偏东方向，角度为正，若为南偏西方向，角度为负；

(3)采集所述光伏电池板与所述测光设备的地理位置信息和倾角数据，所述光伏电池板倾角记为a_qd，所述测光设备倾角记为a_qm；

(4)采集所述测光设备测得的太阳辐照样本数据、预测数据，包括太阳入射角、直接辐照量、散射辐照量和反射辐照量，太阳入射角记为a_rs、直接辐射记为η_bm，散射辐射记为η_dm，反射辐射记为η_gm，辐照量单位为kW/m²，采集所述测光设备测得的云量监测数据，包括云团厚度、相对于所述测光设备的方向、距离所述测光设备的位置，移动方向、移动速度，云团距地面高度记为h，云层厚度记为l，云团在地面的投影坐标为(x_c，y_c)距离所述测光设备安装点的投影距离记为d_c，移动速度记为v_c；

(5)太阳辐照样本数据和预测数据预处理；

(6)云量监测数据预处理，修正太阳辐照数据；

(7)计算光伏组件的有功功率输出；

(8)得到光伏发电有功功率特性曲线。

其中，步骤(5)进一步包括：

a、获取特定时间周期(1min)内所述测光设备采集的太阳辐照样本数据、预测数据，进入步骤b；

b、计算所述样本光伏电池板接收的太阳直接辐照量，

η_bd＝η_bm·r_bd/r_bm                    (4)

式中，

为纬度，δ为太阳赤纬角，ω为时角，1小时变化15°，r_bd为所述光伏电池板的直接辐射系数，r_bm为所述测光设备的直接辐射系数，进入步骤c；

c、计算所述样本光伏电池板接收的太阳散射辐照量，

η_dd＝η_dm·r_dd/r_dm            (7)

$r_{\mathrm{dd}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{bd}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qd}})---\left(8\right)$

$r_{\mathrm{dm}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{bm}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qm}})---\left(9\right)$

式中，k为散射辐射透过率，r_dd为所述光伏电池板的散射辐射系数，r_dm为所述测光设备的散射辐射系数，

进入步骤d；

d、计算所述样本光伏电池板接收的太阳反射辐照量，

η_gd＝η_gm·r_gd/r_gm                    (10)

$r_{\mathrm{gd}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{gd}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qd}})---\left(11\right)$

$r_{\mathrm{gm}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{gm}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qm}})---\left(12\right)$

式中，r_gd为所述样本光伏电池板的反射辐射系数，r_gm为所述测光设备的反射辐射系数，进入步骤e；

e、计算所述样本光伏电池板的总太阳辐照量，

η_T＝η_bd+η_dd+η_gd            (13)

进入步骤六。

其中，步骤(6)进一步包括：

a、定义太阳辐射的大气透过率为k_c，k_c的取值范围为0～1，判断云团相对于所述测光设备的方向及其移动方向，若不会遮挡光伏电站的太阳辐照，令k_c＝1，进入步骤七，若可能遮挡光伏电站的太阳辐照，进入步骤b；

b、判断其移动方向是否在所述测光设备及光伏电站的连线方向，并计算云团遮挡位置的投影坐标(x_j，y_j)，若不在连线方向，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_j=x_s+h\·{\mathrm{ctga}}_{\mathrm{qd}}\·{\cos a}_{\mathrm{fd}}\\ y_j=y_s+h\·\mathrm{ctg}{a}_{\mathrm{qd}}\·\sin a_{\mathrm{fd}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

若在连线方向，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_j=|x_s-h\·{\mathrm{ctga}}_{\mathrm{qd}}|\\ y_j=y_s\end{array}\right.---\left(15\right)$

计算相应的距离d_cj，

$d_{\mathrm{cj}}=\sqrt{{(x_j-x_c)}^2+{(y_j-y_c)}^2}---\left(16\right)$

进入步骤c；

c、计算云团遮挡太阳发生的时间为

t_c＝d_cj/v_c            (17)

进入步骤d；

d、计算太阳辐射的大气透过率为

k_c＝1-l/l_b                (18)

式中，l_b为云团的基准厚度，

进入步骤七。

其中，步骤(7)进一步包括：

a、计算计及云团影响的所述样本光伏电池板太阳辐照量η，

η＝k_c·η_T            (19)

进入步骤b；

b、计算所述样本光伏电池板的输出功率P，并根据测量数据或预测数据的取得的时间标记时标t，

P＝λSη[1-0.005(T₀+25)]        (20)

式中，λ为光伏转换效率，S为所述样本光伏电池板面积，单位为m²，T₀为环境温度，单位为℃，

进入步骤c；

c、计算光伏组件的总输出功率P_T，并标记时标t，

P_T＝nP            (20)

式中，n为光伏电池板数量，

进入步骤八。

其中，步骤(8)进一步包括：

a、整理根据实测数据和预测数据计算得到的光伏组件总输出功率，进入步骤b；

b、将时标相同的功率相加得到不同时刻的光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***总输出功率，进入步骤c；

c、将各点连成曲线形成光伏电站有功功率特性曲线。

本发明的有益效果如下：

(1)本方法适用于各种类型光伏电站及风光等多电源联合发电***中的光伏发电有功功率特性在线评估；

(2)本方法为在线实时评估，能够对未来0-5min的光伏发电有功功率特性进行评估，为风光等多电源联合发电***的互补运行策略及能效管理策略的制定和调整提供依据；

(3)本方法充分利用实际测光数据，能够有效提高有功功率特性分析的准确性；

(4)本方法通过软件实现，无需对现有监控***进行改造，技术可行性强。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图。

图2为图1中步骤五太阳辐照样本数据预处理的算法流程图。

图3为图1中步骤六云量监测数据预处理及太阳辐照量修正的算法流程图。

图4为实施例中光伏电站示意图。

图5为实施例中测光设备1min测光数据曲线。

图6为实施例中光伏发电有功功率特性曲线。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例：

本发明用于伏发电有功功率特性评估。该光伏电站由50块功率为200kW的光伏电池板构成，经10台1MW逆变器接入电网，总有功容量为10MW，如图4所示，图中单位为m。光伏电池板面积为5m²，转换效率为75％，环境温度为20℃，光伏电池与测光设备轴线均为正南方向，即a_fd和a_fm为0°，倾角a_qd和a_qm均为30°，太阳入射角为45°。云量监测数据如下：云团厚度l为50m，云团距地面高度h为1500m，地面投影坐标为(0，0)，沿测光设备与光伏电站连线方向移动，移动速度v_c为10m/s。设云团基准厚度为100m，即云团厚度为100m时，大气透过率为0。1min的测光数据如图5所示。

采集完所有数据后，开始对太阳辐照样本数据和预测数据进行预处理，经过计算后得到光伏电池板接收的太阳辐照量与测光设备相同，且大气透过率为1。故可以得到光伏电站在0～18s时，光伏电站的有功功率输出为1450kW，18～30s时，光伏电站的有功功率输出为1305kW，30～38s时，光伏电站的有功功率输出为1232.5kW，38～58s时，光伏电站的有功功率输出为1087.5kW。在不考虑云团影响的情况下，近似认为未来5min内光伏电池板接收的太阳辐照量保持不变，即未来5min光伏电站的有功功率输出保持为1087.5kW。

利用云量监测数据对太阳辐照量及光伏电站的有功功率输出进行修正。由于云团地面投影位置与测光设备重合，且移动方向沿测光设备与光伏电站连线方向，会对光伏电池形成遮挡，计算云团会对光伏电池形成遮挡的交点位置为(1866，0)，得到云团投影与遮挡交点投影的距离为1866m，进一步得到云团遮挡光伏电池发生的时间为187s，由于云团遮挡使大气透过率降低为0.5，所以187s时，光伏电站的太阳辐照量修正为3.75kW/m²，有功功率输出修正为543.8kW。

最后，将各时刻的光伏电站有功功率输出连成曲线得到未来5min的光伏发电有功功率输出特性曲线，如图6所示。

Claims (5)

1.基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，运行于光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***，利用场站内部光伏组件、测光设备的地理分布信息及通过光伏电站测光设备通讯获取实测太阳辐照数据评估光伏发电的有功功率特性，其特征是包括如下步骤：

(1)选取正南方向为光照基准方向，角度a_f0为0°，选择测光设备的安装点为基准点，坐标记为(0，0)，选择样本光伏电池板，安装点坐标记为(x_s，y_s)，并设数据采集时刻为初始时刻t＝0；

(2)采集所述样本光伏电池板与所述测光设备的轴线方向，以相对基准方向的偏差角度表示，分别记为a_fd和a_fm，若为南偏东方向，角度为正，若为南偏西方向，角度为负；

(3)采集所述样本光伏电池板与所述测光设备的地理位置信息和倾角数据，所述光伏电池板倾角记为a_qd，所述测光设备倾角记为a_qm；

(4)采集所述测光设备测得的太阳辐照样本数据、预测数据，包括太阳入射角、直接辐照量、散射辐照量和反射辐照量，太阳入射角记为a_rs、直接辐射记为η_bm，散射辐射记为η_dm，反射辐射记为η_gm，辐照量单位为kW/m²，采集所述测光设备测得的云量监测数据，包括云团厚度、相对于所述测光设备的方向、距离所述测光设备的位置，移动方向、移动速度，云团距地面高度记为h，云层厚度记为l，云团在地面的投影坐标为(x_c，y_c)距离所述测光设备安装点的投影距离记为d_c，移动速度记为v_c；

(5)太阳辐照样本数据和预测数据预处理；

(6)云量监测数据预处理，修正太阳辐照数据；

(7)计算光伏组件的有功功率输出；

(8)得到光伏发电风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***有功功率特性曲线。

2.根据权利要求1所述的基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(5)进一步包括：

a、获取特定时间周期(1min)内所述测光设备采集的太阳辐照样本数据、预测数据，进入步骤b；

b、计算所述样本光伏电池板接收的太阳直接辐照量，

η_bd＝η_bm·r_bd/r_bm                (4)

式中，

为纬度，δ为太阳赤纬角，ω为时角，1小时变化15°，r_bd为所述光伏电池板的直接辐射系数，r_bm为所述测光设备的直接辐射系数，进入步骤c；

c、计算所述样本光伏电池板接收的太阳散射辐照量，

η_dd＝η_dm·r_dd/r_dm                (7)

$r_{\mathrm{dd}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{bd}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qd}})---\left(8\right)$

$r_{\mathrm{dm}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{bm}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qm}})---\left(9\right)$

式中，k为散射辐射透过率，r_dd为所述样本光伏电池板的散射辐射系数，r_dm为所述测光设备的散射辐射系数，

进入步骤d；

d、计算所述样本光伏电池板接收的太阳反射辐照量，

η_gd＝η_gm·r_gd/r_gm                (10)

$r_{\mathrm{gd}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{gd}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qd}})---\left(11\right)$

$r_{\mathrm{gm}}={\mathrm{kr}}_{\mathrm{gm}}+\frac{1}{2}(1-k)(1+\cos a_{\mathrm{qm}})---\left(12\right)$

式中，r_gd为所述光伏电池板的反射辐射系数，r_gm为所述测光设备的反射辐射系数，进入步骤e；

e、计算所述样本光伏电池板的总太阳辐照量

η_T＝η_bd+η_dd+η_gd            (13)

。

3.根据权利要求1所述的基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(6)进一步包括：

a、定义太阳辐射的大气透过率为k_c，k_c的取值范围为0～1，判断云团相对于所述测光设备的方向及其移动方向，若不会遮挡光伏电站的太阳辐照，令k_c＝1，进入步骤七，若可能遮挡光伏电站的太阳辐照，进入步骤b；

b、判断其移动方向是否在所述测光设备及光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***的连线方向，并计算云团遮挡位置的投影坐标(x_j，y_j)，若不在连线方向，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_j=x_s+y_s\·{\mathrm{ctga}}_{\mathrm{fd}}\\ y_j=y_s\end{array}\right.---\left(14\right)$

若在连线方向，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_j=|x_c-x_s{-\mathrm{ctga}}_{\mathrm{qd}}|\\ y_j=y_s\end{array}\right.---\left(15\right)$

计算相应的距离d_cj，

$d_{\mathrm{cj}}=\sqrt{{(x_j-x_c)}^2+{(y_j-y_c)}^2}---\left(16\right)$

进入步骤c；

c、计算云团遮挡太阳发生的时间为

t_c＝d_cj/v_c            (17)

进入步骤d；

d、计算太阳辐射的大气透过率为

k_c＝1-l/l_b            (18)

式中，l_b为云团的基准厚度

。

4.根据权利要求1所述的基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(7)进一步包括：

a、计算计及云团影响的所述样本光伏电池板太阳辐照量η，

η＝k_c·η_T            (19)

进入步骤b；

b、计算所述样本光伏电池板的输出功率P，并根据测量数据或预测数据的取得的时间标记时标t，

P＝λSη[1-0.005(T₀+25)]         (20)

式中，λ为光伏转换效率，S为所述样本光伏电池板面积，单位为m²，T₀为环境温度，单位为℃，

进入步骤c；

c、计算光伏组件的总输出功率P_T，并标记时标t，

P_T＝nP        (20)

式中，n为所述样本光伏电池板数量

。

5.根据权利要求1所述的基于气象信息的光伏发电有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(8)进一步包括：

a、整理根据实测数据和预测数据计算得到的光伏组件总输出功率，进入步骤b；

b、将时标相同的功率相加得到不同时刻的光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***总输出功率，进入步骤c；

c、将各点连成曲线形成光伏电站、风光互补电站或包含光伏发电的多种电源联合发电***的监控***或中央能量管理***有功功率特性曲线。

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