CN107608008B - 一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法 - Google Patents

一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法 Download PDF

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CN107608008B CN201710834253.2A CN201710834253A CN107608008B CN 107608008 B CN107608008 B CN 107608008B CN 201710834253 A CN201710834253 A CN 201710834253A CN 107608008 B CN107608008 B CN 107608008B
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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法，包括如下步骤：通过直射辐照度传感器检测当前时刻的直射辐照度I(tk)，检测的时间间隔为Δt；计算广义大气浑浊度
Figure DDA0001409409980000011
计算晴空大气浑浊度；判断当前是否为晴空状态。本发明将云层遮挡的影响纳入到广义大气浑浊度中，利用当前时刻的直射辐照度推算广义大气浑浊度，并其与晴空大气浑浊度进行比较，最终可得出当前的天空状态(是否晴空)。本发明提出的新方法既可以减少晴空检测所需要的数据量，又提高了检测的时效性。同时，运用本方法可以减少因增设检测设备所需的晴空检测***的建设成本。

Description

一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种检测方法，具体地说是晴空状态的检测方法。
背景技术
随着大规模光伏(PV)发电***的逐渐并入电网运行，光伏发电对电网的影响愈加增强。光伏发电***依靠光伏阵列将太阳能转化为电能，光伏发电***瞬时输出电功率的大小主要与光伏阵列所在地理位置的瞬时太阳辐照度相关。这里所谓的太阳辐照度是指太阳辐射经过大气传输过程中的吸收、散射、反射等作用后，到达固体地球表面上单位面积的辐射能量。
太阳辐射在从太阳到地表的传输过程中，会受到各种传输介质的影响，其某些特定的波长成分将会衰减，其中影响衰减的主要介质为大气成分和云层。大气中各种成分都或多或少地会对太阳辐射存在一定的衰减和散射作用。通常，在晴空条件下可以只采用大气浑浊度来描述大气各种成分对于太阳辐照度的综合衰减程度。这里所说的晴空状态被定义为：在整个可视天空范围内不存在或极少地存在云层的天空状态。而在非晴空条件下，除了大气浑浊度外，通常还要采用晴空因子来描述云层等非大气成分太阳辐照度的衰减作用。一般来说，若在一天中，某天空区域的大气浑浊度的变化较小，则表示该天空区域的大气环境在这一天中，基本处于一个近乎平稳的状态。
因为相比于大气中的各类成分，云层对辐照度的衰减程度更为严重，所以，云层是晴空因子主要影响因素。有研究表明：由于云层的遮挡作用，严重时，甚至可以使PV发电***的瞬时输出功率下降80％以上。此外，因云层的消长和移动等变化，亦会加剧作用于光伏阵列的太阳辐照度的波动性。因此，光伏发电***相对于风电等其它可再生能源发电***来说，其输出功率会呈现出更为明显的波动性和短时突变性。非晴空条件下，若透过云层到达光伏板表面的辐照度过低或辐照度波动过大，都将严重降低PV发电***的瞬时出力功率，进而对PV注入电网的有功功率和电网频率造成不利影响。对于这种情况，现行的电力网***应对的策略大多是采取热备用容量紧急投入的处理方式；若这种情况发生较为频繁，并联电网甚至会采取暂时切除PV的调度策略。
相比非晴空状态，当A地T时段处于晴空状态时，光伏阵列将接收到最大的太阳辐照，而且辐照度的变化也会较为平缓。与此对应，A地T时段内，处于晴空状态时的PV发电***相对于非晴空情况，其输出电能的电量也更多，而且波动次数更少。这些都有利于维持PV***持续而稳定地并网供电。
由上述可见：在光伏发电站前期选址和规划设计阶段，不仅需要利用该地区的历史辐照度数据及相关地理数据，年平均晴空时长和晴空辐照度时序分布数据也将是极为重要的寻址和规划设计依据。晴空(时段)检测则可以帮助设计人员在几个待选PV电站位置中，计算每个待选站点的晴空时长，确定其中太阳能资源最优的地点，进而为光伏电站选址的提供重要的依据参数。因此，晴空阶段的检测对PV发电***(孤立型或并网型)具有重要的意义。晴空(时段)检测还有其它的应用场合，例如为光伏阵列重组(重构)提供重组启动信号。晴空检测对于光伏发电***优化运行(包括PV阵列重构)、提高***运行稳定性具有重要的意义，可为优化光伏发电***前期规划和后期运行提供了帮助。
发明内容
本发明的目的在于提供将云层遮挡的影响纳入到广义大气浑浊度中，利用当前时刻的直射辐照度推算广义大气浑浊度的一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法，其特征是：
a通过直射辐照度传感器检测当前时刻的直射辐照度I(tk)，检测的时间间隔为Δt；
b计算广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000021
c计算晴空大气浑浊度；
d判断当前是否为晴空状态。
本发明还可以包括：
1、按照如下步骤进行广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000022
的计算：
(1)将时刻tk和数据采集地点的地理信息，包括海拔h、经度、纬度输入到SPA算法中，得到日地相对距离d和日地平均距离d0的比值、太阳天顶角Z(tk)和太阳方位角aZ，计算地外辐照度I0：
I0＝Ie·(d0/d)2
其中，Ie为太阳辐照度常数，这里为1361.2W/m2；
(2)由上一步中所得的太阳天顶角Z(tk)，求相对光学大气质量m(tk)：
Figure GDA0002595565380000031
(3)根据测量数据地点的海拔h，确定用于计算所测地点的海拔修正参数b：
Figure GDA0002595565380000032
(4)根据以上所求结果和当前时刻tk的直射辐照度I(tk)，计算当前时刻tk的广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000033
Figure GDA0002595565380000034
2、当前时刻tk的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000035
的计算按照以下步骤实施：
(1)检测针对当天，在当前已推算出的大气浑浊度序列是否存在连续的方差即小于1且数据量超过10的数据段。其中，方差的计算公式如下：
Figure GDA0002595565380000036
如不存在，代表此时无法采用分段修正法计算晴空大气浑浊度，此时采用测试机构的预测数据，依据下式对前一天的日照时间内的晴空大气浑浊度序列取平均值
Figure GDA0002595565380000037
t1～tm为位于日照时间内的m个数据采集时间点：
Figure GDA0002595565380000038
求出
Figure GDA0002595565380000041
与测试机构对晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000042
的预测数据之间的差值，并将其与前一天日照时间内的晴空大气浑浊度序列
Figure GDA0002595565380000043
的每个值相加，得到基于采用测试机构数据的当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000044
其计算公式如下式，
Figure GDA0002595565380000045
(2)当已计算出的大气浑浊度序列
Figure GDA0002595565380000046
中存在数量大于10且方差小于1的子序列
Figure GDA0002595565380000047
时，这部分子序列即为或近似为晴空大气浑浊度；在上述情况下，通过分段拟合差值法来获得当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000048
具体做法为：利用前一天的晴空大气浑浊度序列
Figure GDA0002595565380000049
和当日已获得的小段晴空大气浑浊度数据在相应时间段进行拟合。处理的详细过程是：将之前检测出的方差小于1的大气浑浊度数据段
Figure GDA00025955653800000410
与前一天中相应时间段的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000411
相减，得到两者相应时间段的差值数据序列；再利用拟合法对
Figure GDA00025955653800000412
与
Figure GDA00025955653800000413
的差值数据进行拟合，即可得到与该时间段所有数据点的偏差总和最小的一条拟合直线；
(3)将当前时刻tk带入到步骤(2)中拟合出的直线中得出当前时刻两大气浑浊度的拟合差值
Figure GDA00025955653800000414
所构成的区域，将拟合差值与前一天中对应当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000415
相加，得出当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000051
Figure GDA0002595565380000052
(4)将检测为晴空状态的数据点的大气浑浊度纳入到下一时刻的对
Figure GDA0002595565380000053
进行直线拟合的过程中，对拟合直线进行修正，准确化所需的拟合值，指导达到预设标准。
3、将在步骤b中得到的当前广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000054
与在步骤c中所得的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000055
进行比较，并采用如下分段函数对当前晴空与否进行判定：
Figure GDA0002595565380000056
直射辐照度的检测时间为1min，该天气状态即为这1min的天气状态，日晴空时长判断即为每天判定为晴空的时间长度相加，晴空辐照度时序分布即依据晴空检测结果对检测辐照度进行依次标记得出。
本发明的优势在于：在光伏发电***规划与设计中，希望选取太阳能资源储量最大且遮挡较少的地区为光伏电站待建厂址。本发明将云层遮挡的影响纳入到广义大气浑浊度中，利用当前时刻的直射辐照度推算广义大气浑浊度，并其与晴空大气浑浊度进行比较，最终可得出当前的天空状态(是否晴空)。本发明提出的新方法既可以减少晴空检测所需要的数据量，又提高了检测的时效性。同时，运用本方法可以减少因增设检测设备所需的晴空检测***的建设成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为相邻两天晴空大气浑浊度序列及拟合差值区域图；
图3为分段修正法原理图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，大气浑浊度原本仅表示在理想晴空条件下的大气浑浊情况(后文简称为“狭义大气浑浊度”或“晴空大气浑浊度”)，本发明为了同时考虑云层和大气成分对太阳光辐射的衰减作用，将云层对地面辐照度的影响也并入大气浑浊度来表征，这里定义为“广义大气浑浊度”(下文将简称为大气浑浊度，并记为
Figure GDA0002595565380000061
)。在本发明中，将原“狭义大气浑浊度”称之为“晴空大气浑浊度”，并记为
Figure GDA0002595565380000062
在晴空条件下，
Figure GDA0002595565380000063
与
Figure GDA0002595565380000064
的值相同，均表示大气成分对辐照度的衰减；在非晴空(如多云、阴天等)天气条件下，
Figure GDA0002595565380000065
的数值体现的是大气成分、云层及其他影响因素共同作用下的辐照度衰减程度，而
Figure GDA0002595565380000066
则表示除云层外的其他因素对辐照度的影响程度。
本发明提出一种基于广义大气浑浊度的晴空时段检测方法。需将当前广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000067
与晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000068
进行比较，从而判断当前天空是否处于晴空状态。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案简单表述为：
a、读取当前tk时刻的直射辐照度数据I(tk)
b、通过晴空模型计算大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000069
所选晴空模型为(1)式所示的Ineichen晴空模型，并按照如下步骤计算大气浑浊度：
Figure GDA00025955653800000612
(1)将时刻t和数据采集地点的地理信息(如海拔、经度、纬度等)输入到太阳位置算法(Solar Position Algorithm，SPA)中，得到日地相对距离d和日地平均距离d0的比值、太阳天顶角Z和太阳方位角aZ，并计算地外辐照度I0；
(2)由上一步中得到的太阳天顶角，求取相对光学大气质量m；
(3)根据测量数据地点的海拔h，计算海拔修正参数b；
(4)根据以上所求结果和当前时刻tk的直射辐照度I(tk)，计算当前时刻tk的广义大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000610
c、晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000611
的计算
因为
Figure GDA0002595565380000071
与大气质量m及其他参数的相关性均较小，所以只要Ineichen模型中的参量的量值不变，晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000072
就基本维持在一个稳定的状态(数值)。但是，前后两天之间的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000073
可能会存在一定的差距。这是因为：一天中的高空大气环境较为稳定，但经历夜晚后，高空大气环境会发生一定的变化。因此，相邻两天的大气浑浊度曲线会存在一定的差距(如图2)。因此，在本发明中，将基于前一天的晴空大气浑浊度序列，选取分段线性拟合差值的方法或采用历史数据拟合机构预测数据的方法来得出当天的晴空大气浑浊度序列。
d、判断当前时刻是否为晴空状态。
将当前大气浑浊度与晴空大气浑浊度进行对比分析，可得出当前天空状态是否为晴空。
本发明是一种针对光伏发电***的规划和运行过程中需要获取晴空参数和晴空时长的现实需求，基于广义大气浑浊度序列，通过计算获取晴空时长和判定当前实时天空状态的方法。其具体实施包括如下步骤：
a、通过直射辐照度传感器检测当前时刻的直射辐照度I(tk)。检测的时间间隔Δt可为几分钟，这里取1min。
b、通过式(1)的晴空模型计算广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000074
Figure GDA0002595565380000075
按照如下步骤进行广义大气浑浊度的计算：
(1)将时刻tk和数据采集地点的地理信息，如海拔h、经度、纬度等输入到SPA算法中。可以得到日地相对距离d和日地平均距离d0的比值、太阳天顶角Z(tk)和太阳方位角aZ。然后，按照(2)式计算地外辐照度I0。
I0＝Ie·(d0/d)2 (2)
其中，Ie为太阳辐照度常数，这里为1361.2W/m2.
(2)由上一步中所得的太阳天顶角Z(tk)，求相对光学大气质量m(tk)
Figure GDA0002595565380000081
(3)根据测量数据地点的海拔h，确定用于计算所测地点的海拔修正参数b：
Figure GDA0002595565380000082
(4)根据以上所求结果和当前时刻tk的直射辐照度I(tk)，计算当前时刻tk的广义大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000083
Figure GDA0002595565380000084
c、晴空大气浑浊度计算
晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000085
主要受高空中的大气成分变化的影响。因为依靠单个地点的检测手段对高空气体进行高质量的检测的难度较大，所以可以依靠专业的测试机构发布的测试数据，例如SoDa Service***。SoDa Service***依托其在世界各地建立的天气数据服务站所上传的测量数据，对世界各地的晴空大气浑浊度进行记录并协调预测，并定时发布其记录和预测结果。但是这些专业的测试机构所预测并公开的晴空大气浑浊度的往往两点之间的时间间隔较大，对大部分地区来说，往往仅能提供该地区的每天的晴空大气浑浊度的日平均值。
因此本发明采用如附图3中的分段修正法基于前一天的晴空大气浑浊度序列，通过拟合法获取当前及当日的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000086
而在当日已计算出的
Figure GDA0002595565380000087
的数据量小于10或者根据当前已检测出的数据仍无法利用分段修正法推测出当前时刻的
Figure GDA0002595565380000088
的情况下，采用专业的测试机构，如SoDa Service***，在前一天所发布的对本日的
Figure GDA0002595565380000089
的预测数据。
当前时刻tk的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000810
的计算可按照以下步骤实施：
(1)检测针对当天，在当前已推算出的大气浑浊度序列是否存在连续的方差(公式(6))小于D(这里D取1)且数据量超过10的数据段。如不存在，代表此时无法采用分段修正法计算晴空大气浑浊度，此时将采用采用专业的测试机构预测数据，则依据公式(7)对前一天的日照时间内的晴空大气浑浊度序列取平均值
Figure GDA0002595565380000091
(t1～tm为位于日照时间内的数据采集时间点)。
Figure GDA0002595565380000092
Figure GDA0002595565380000093
求出
Figure GDA0002595565380000094
与采用专业的测试机构对晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000095
的预测数据之间的差值，并将其与前一天日照时间内的晴空大气浑浊度序列
Figure GDA00025955653800000913
的每个值相加，即可得到基于采用专业的测试机构数据的当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000097
其计算公式如式(8)(t1～tm为位于日照时间内的数据采集时间点)：
Figure GDA0002595565380000098
(2)如图3，当已计算出的大气浑浊度序列
Figure GDA0002595565380000099
中存在数量大于10且方差小于1的子序列
Figure GDA00025955653800000910
时，这部分子序列即为或近似为晴空大气浑浊度。在上述情况下，通过分段拟合差值法来获得当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800000911
具体做法为：利用前一天的晴空大气浑浊度序列
Figure GDA00025955653800000912
和当日已获得的小段晴空大气浑浊度数据在相应时间段进行拟合，利用拟合法得出的数据作为当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800001016
的预测值。具体过程如图3，将之前检测出的方差小于1的大气浑浊度数据段
Figure GDA00025955653800001017
与前一天中相应时间段的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000103
相减，得到两者相应时间段的差值数据序列。相关示意图如图3所示，图中以零点为原点，x轴为时间轴，y轴为大气浑浊度。利用拟合法(如最小二乘法)对
Figure GDA00025955653800001018
与
Figure GDA0002595565380000105
的差值数据进行拟合即可得到与该段所有数据点的偏差和最小的一条拟合直线。
(3)步骤(2)中得到的拟合曲线代表了图3中三角形阴影区域的边界，整个阴影区域表示前一天的晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000106
和当日晴空大气浑浊度
Figure GDA0002595565380000107
的差
Figure GDA0002595565380000108
将当前时刻tk带入到步骤(2)中拟合出的直线中可得出当前时刻两大气浑浊度的拟合差值
Figure GDA0002595565380000109
所构成的区域。将拟合差值与前一天中对应当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800001019
相加，即可得出当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800001011
Figure GDA00025955653800001012
(4)将检测为晴空状态的数据点的大气浑浊度也纳入到下一时刻的对
Figure GDA00025955653800001013
进行直线拟合的过程中，对拟合直线进行不断地修正，不断准确化所需的拟合值。
d、判断当前是否为晴空状态。
将当前广义大气浑浊度
Figure GDA00025955653800001014
与步骤c中所得的晴空大气浑浊度
Figure GDA00025955653800001015
进行比较，并采用如下分段函数对当前晴空与否进行判定：
Figure GDA0002595565380000111
因为直射辐照度的检测时间为1min，所以该天气状态即为这1min的天气状态，日晴空时长判断即为每天判定为晴空的时间长度相加，晴空辐照度时序分布即依据晴空检测结果对检测辐照度进行依次标记得出。

Claims (1)

1.一种基于广义大气浑浊度的晴空时段的检测方法，其特征是，包括以下步骤：
a通过直射辐照度传感器检测当前时刻的直射辐照度I(tk)，检测的时间间隔为Δt；
b计算当前时刻tk的广义大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000013
c计算晴空大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000014
d判断当前是否为晴空状态；
按照如下步骤进行广义大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000015
的计算：
(Ⅰ)将时刻tk和测量数据地点的地理信息，包括海拔h、经度、纬度输入到太阳位置算法中，得到日地相对距离d和日地平均距离d0的比值、太阳天顶角Z(tk)和太阳方位角aZ，由日地相对距离d和日地平均距离d0的比值计算地外辐照度I0：
I0＝Ie·(d0/d)2
其中，Ie为太阳辐照度常数，这里为1361.2W/m2；
(Ⅱ)由上一步中所得的太阳天顶角Z(tk)，求相对光学大气质量m(tk)：
Figure FDA0002595565370000011
(Ⅲ)根据测量数据地点的海拔h，确定用于计算所测地点的海拔修正参数b：
Figure FDA0002595565370000012
(Ⅳ)根据以上所求结果和当前时刻tk的直射辐照度I(tk)，计算当前时刻tk的广义大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000025
Figure FDA0002595565370000021
当前时刻tk的晴空大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000026
的计算，按照以下步骤实施：
(1)检测针对当天，在当前已推算出的大气浑浊度序列
Figure FDA0002595565370000027
是否存在连续的方差小于1且数据量超过10的子序列，其中方差的计算公式如下：
Figure FDA0002595565370000022
如不存在，代表此时无法采用分段修正法计算晴空大气浑浊度，此时采用测试机构的预测数据，依据下式对前一天的日照时间内的晴空大气浑浊度序列取平均值
Figure FDA0002595565370000028
t1～tm为位于日照时间内的数据采集时间点：
Figure FDA0002595565370000023
求出
Figure FDA0002595565370000029
与测试机构对晴空大气浑浊度
Figure FDA00025955653700000210
的预测数据之间的差值，并将其与前一天日照时间内的晴空大气浑浊度序列
Figure FDA00025955653700000211
的每个值相加，得到基于采用测试机构数据的当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure FDA00025955653700000212
其计算公式如下式，
Figure FDA0002595565370000024
(2)当已计算出的大气浑浊度序列
Figure FDA00025955653700000213
中存在数量大于10且方差小于1的子序列
Figure FDA00025955653700000214
时，这部分子序列即为可以表征晴空大气浑浊度的数据段，在上述情况下，通过分段拟合差值法来获得当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000032
具体做法为：利用前一天的晴空大气浑浊度序列
Figure FDA0002595565370000033
和当日已获得的小段晴空大气浑浊度数据在相应时间段进行拟合，处理的详细过程是：将之前检测出的方差小于1的大气浑浊度数据段
Figure FDA0002595565370000034
与前一天中相应时间段的晴空大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000035
相减，得到两者相应时间段的差值数据序列；利用拟合法对
Figure FDA0002595565370000036
与
Figure FDA0002595565370000037
的差值数据进行拟合即可得到与该时间段所有数据点的偏差总和最小的一条拟合直线；
(3)将当前时刻tk带入到步骤(2)中拟合出的直线中得出当前时刻两大气浑浊度的拟合差值
Figure FDA0002595565370000038
所构成的区域，将拟合差值与前一天中对应当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure FDA0002595565370000039
相加，得出当前时刻的晴空大气浑浊度
Figure FDA00025955653700000310
Figure FDA0002595565370000031
(4)将检测为晴空状态的数据点的大气浑浊度纳入到下一时刻的对
Figure FDA00025955653700000311
进行直线拟合的过程中，对拟合直线进行修正，准确化所需的拟合值，指导达到预设标准；
步骤d具体为：
将在步骤b中得到的当前广义大气浑浊度
Figure FDA00025955653700000313
与在步骤c中所得的晴空大气浑浊度
Figure FDA00025955653700000312
进行比较，并采用如下分段函数对当前晴空与否进行判定：
Figure FDA0002595565370000041
直射辐照度的检测时间为1min，该天气状态即为这1min的天气状态，日晴空时长判断即为每天判定为晴空的时间长度相加，晴空辐照度时序分布即依据晴空检测结果对检测辐照度进行依次标记得出。
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