摘要

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司送變電工程有限公司的研究人員王仕俊、平常等，在2018年第8期《電氣技術(shù)》上撰文，分析了光伏電站輸出功率的影響因素，重點(diǎn)討論了光伏系統(tǒng)自身電氣參數(shù)以及氣象要素中的輻照度、天氣狀況、溫度和季節(jié)對(duì)光伏發(fā)電量的影響。

通過(guò)對(duì)某30MW光伏電站的歷史發(fā)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出了相應(yīng)的結(jié)論。該結(jié)論也為預(yù)測(cè)發(fā)電功率的輸入樣本的選取提供了理論基礎(chǔ)。

近年來(lái)，隨著國(guó)家補(bǔ)貼力度加大和光伏產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步，二次能源光伏產(chǎn)業(yè)得到了很大程度的發(fā)展，其組件成本也呈現(xiàn)出持續(xù)走低的勢(shì)頭。然而，太陽(yáng)能屬于穩(wěn)定度低、時(shí)斷時(shí)續(xù)的二次能源，使得光伏電站的輸出功率也存在穩(wěn)定性差以及間歇性的特征。其中，光伏電站電氣屬性、天氣氣候條件是影響光伏發(fā)電量的重要因素，故準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)到這兩個(gè)因素對(duì)預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率的影響，從而進(jìn)行適當(dāng)計(jì)劃和調(diào)度，具有重要的研究意義。

影響光電功率的種類(lèi)因素有很多，一般分以下兩類(lèi)，一類(lèi)是光伏電站本身電氣屬性，另一類(lèi)是外部氣象環(huán)境，或者外部氣象屬性。一般認(rèn)為：輻照度、天氣類(lèi)型、季節(jié)、溫度等屬于外部氣象屬性。本文將依據(jù)某30MW光伏電站所采集到的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這兩個(gè)主要因素展開(kāi)分析，從實(shí)例說(shuō)明這兩個(gè)因素對(duì)光伏輸出的具體影響。

1、本身電氣屬性對(duì)光伏輸出的影響

對(duì)于光伏電站內(nèi)部本身就擁有的屬性，要考慮因素繁多復(fù)雜，并且一些性能參數(shù)在工程中并不作參考之用。但是對(duì)光伏電站已并網(wǎng)投入運(yùn)行的情況下，光伏輸出電量展現(xiàn)出較高的相關(guān)性，光伏板的自身屬性配置信息，包括光伏地理位置、安裝的高低角度、電池轉(zhuǎn)化為電能的效率、逆變器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率、電池表面是否清潔等。

這些相關(guān)信息因素已經(jīng)被考慮在歷史輸出功率之中，在光伏電池的相關(guān)組件的壽命期間，它們變化很小，在短期功率預(yù)測(cè)中將其視作為恒定不變的量，故通常把光伏歷史輸出的數(shù)據(jù)樣本當(dāng)作預(yù)測(cè)模型的樣本輸入。

2、氣象要素對(duì)光伏輸出的影響

2.1太陽(yáng)輻照度的影響

本節(jié)依據(jù)某30MW光伏電站所測(cè)得的歷史數(shù)據(jù)，從2017年12個(gè)月份中，選取每月的15號(hào)，對(duì)其發(fā)電量、輻射量以及峰值日照時(shí)之間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1光伏電站歷史數(shù)據(jù)

1）發(fā)電量和輻射量的關(guān)系

輻照強(qiáng)度的概念是，在單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積受到的太陽(yáng)垂直投射所接收的輻射能量。光伏板的輸出功率隨著吸收的輻照強(qiáng)度變強(qiáng)而增加。其關(guān)系圖如圖1所示。從走勢(shì)圖中可以直觀看出，光伏輸出功率的走勢(shì)隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的走勢(shì)變化而變化，而且兩者波動(dòng)趨勢(shì)相似。

圖1發(fā)電量和輻射量走勢(shì)圖

2）發(fā)電量和峰值日照數(shù)的關(guān)系

先來(lái)解釋兩個(gè)定義：日照時(shí)數(shù)指當(dāng)?shù)刂苯犹?yáng)輻照度超過(guò)0.12kW/m2所有時(shí)間段的總和，單位為h。峰值日照時(shí)數(shù)指某地區(qū)一天時(shí)間內(nèi)，地面上累計(jì)接收到的輻照度之和，再除以1kW/m2后所得到的光照小時(shí)數(shù)，單位為小時(shí)（h）。

本光伏電站所采集的輻射量是以MJ/m2為單位，依據(jù)峰值日照時(shí)數(shù)的定義，由輻照度推導(dǎo)峰值日照時(shí)數(shù)時(shí)，需要將其單位換為kW?h/m2，才能與定義相匹配。兩種單位換算式為：1J=2.778×10?7kW?h。比如：表1中1月15日有10h的太陽(yáng)輻照度大于0.12kW/m2，則日照時(shí)數(shù)為10h。而全天太陽(yáng)輻照度之和為18.93MJ/m2，先換算為5.3kW?h/m2，便可得峰值日照時(shí)數(shù)為5.3(kW?h/m2)/1(kW/m2)=5.3(h)。

依照峰值日照數(shù)、日照時(shí)數(shù)以及發(fā)電量的關(guān)系，可繪出其在一天內(nèi)的走勢(shì)，如圖2所示。

圖2發(fā)電量與日照時(shí)、峰值日照時(shí)走勢(shì)圖

由走勢(shì)圖直觀看到，發(fā)電量與峰值日照時(shí)的走勢(shì)十分接近，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而與日照時(shí)數(shù)的關(guān)系不是很緊密。

本節(jié)對(duì)輻射量的影響開(kāi)展了直接分析，然后通過(guò)“峰值日照數(shù)”間接分析了輻射量的影響，得出結(jié)論：輻照強(qiáng)度在發(fā)電量中有所體現(xiàn)，且二者有密切的線性關(guān)系。同時(shí)證明了峰值日照時(shí)也可以作為預(yù)測(cè)光伏輸出功率的參考標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.2天氣類(lèi)型的影響

由于存在不同類(lèi)型天氣狀況，使得光伏電池板所接收的輻照強(qiáng)度、濕度、溫度有很大變化，會(huì)導(dǎo)致光伏輸出有較大的差異。本節(jié)選取了7月份18—25日的發(fā)電量數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從結(jié)果分析可知，晴天的發(fā)電量最高，而陰雨天的發(fā)電量較低。即在不同天氣下的光伏輸出量有很明顯的不同，而在相同的天氣環(huán)境下，比如晴天，在一天內(nèi)的發(fā)電總量基本相同。

圖3不同天氣環(huán)境的發(fā)電數(shù)據(jù)

由本節(jié)對(duì)天氣類(lèi)型影響的分析可知，要想最大限度提升光伏發(fā)電量的短期預(yù)測(cè)水平，就需按照不同天氣情況的特點(diǎn)，對(duì)光伏電站歷史發(fā)電量開(kāi)展分類(lèi)整理，將其作為發(fā)電預(yù)測(cè)的輸入樣本，以便達(dá)到良好的預(yù)測(cè)效果。

2.3季節(jié)的影響

已并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電站在天氣環(huán)境不同的季節(jié)當(dāng)中，有效日照時(shí)數(shù)的長(zhǎng)短、太陽(yáng)入射角的高低不斷地變化，進(jìn)而使得輸出功率也跟著產(chǎn)生波動(dòng)。本節(jié)通過(guò)光伏電站所測(cè)得的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖說(shuō)明，見(jiàn)表2。本文挑選了春季2月20日、夏季5月9日，秋季9月13日以及冬季12月18日這4天的有效時(shí)間段內(nèi)整點(diǎn)瞬時(shí)輸出的功率大小。這4天天氣狀況都為晴天。

表2某光伏電站不同季節(jié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

為了直觀判斷季節(jié)對(duì)輸出發(fā)電量的影響，本文又依據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制了圖4。從圖中可以看到，圖中分別體現(xiàn)了四季的日照時(shí)間長(zhǎng)短以及一年四季輻照度的差異性對(duì)光伏發(fā)電輸出功率的影響。由4條曲線的走勢(shì)也可以得出：夏秋兩季的輸出功率的有效時(shí)間最長(zhǎng)，而冬季的有效時(shí)間最短；而且春秋兩季相比較冬季而言其最大輸出功率較大。

圖4季節(jié)功率數(shù)據(jù)圖

故由本節(jié)可知，不同季節(jié)中的同一種天氣情況下，光伏發(fā)電曲線的變化規(guī)律基本相似，但功率值的大小以及發(fā)電有效時(shí)間段的長(zhǎng)短不同。若按照一年四季將發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化處理，對(duì)光伏預(yù)測(cè)分而治之，則有利于降低預(yù)測(cè)復(fù)雜性，還可以提高準(zhǔn)確性。

2.4溫度的影響

環(huán)境氣溫的升高，致使光伏組件輸出的電流I會(huì)有一定程度的增加，但光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率將明顯地降低，使得工作V減小，但是V下降幅度相對(duì)要厲害，所以輸出總功率P也會(huì)跟著氣溫值的逐漸變高而漸漸減小。本文將以單晶組件DM60-285的性能參數(shù)為例來(lái)說(shuō)明。光伏組件的電學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3光伏組件DM60-285的電學(xué)性

表中的“STC”指當(dāng)光伏電池組件所處的環(huán)境狀況為輻照度為1kW/m2、電池溫度為25℃，大氣質(zhì)量為1.5時(shí)，組件輸出峰值功率才能達(dá)到285W。光伏組件的溫度系數(shù)見(jiàn)表4。

表4光伏組件的溫度系數(shù)

由表4可知，“最大功率溫度系數(shù)”是?0.42%/℃，即光伏板的工作環(huán)境熱度每升高1℃，發(fā)電量減少0.42%。假設(shè)光伏電池所處環(huán)境的溫度是55℃，電池的輸出發(fā)電量相對(duì)于峰值功率減少的百分比為0.42%×(55℃?25℃)=12.6%。

所以，氣溫有一定程度地升高，電池組件的輸出發(fā)電量就會(huì)有所減少。在實(shí)際光伏系統(tǒng)中，除了光伏電池，包括逆變器在內(nèi)的其他組件也會(huì)受到溫度影響，進(jìn)而影響光伏輸出。所以光伏預(yù)測(cè)中，溫度也是必須要考慮的因素之一。

結(jié)論

本文從光伏系統(tǒng)自身因素以及氣象要素兩方面入手：①分析了光伏發(fā)電的功率特性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理作圖；②對(duì)氣象要素即太陽(yáng)輻照度、天氣情況、季節(jié)、溫度的影響做了分析，得到結(jié)論以及建議如下。

1）影響光伏發(fā)電的氣象因子是多元化的，譬如太陽(yáng)輻照度、天氣類(lèi)型、季節(jié)、環(huán)境溫度等都對(duì)光伏發(fā)電功率存在或正或負(fù)的作用。所以建議利用收集的歷史發(fā)電數(shù)據(jù)與氣象因素相結(jié)合的方式，對(duì)光伏輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

即挑選與“待預(yù)測(cè)日”天氣環(huán)境相似的日期，將其歷史發(fā)電負(fù)荷視為輸入數(shù)據(jù)，然后對(duì)“待預(yù)測(cè)日”開(kāi)展預(yù)測(cè)。選取相似日的方法是：依據(jù)待預(yù)測(cè)日的環(huán)境類(lèi)型，選取前三年同一時(shí)期的前后10天的相同天氣類(lèi)型的日期作為相似日。

2）在此光伏電廠所處的環(huán)境氣候中，夏季很熱且冬季最為寒冷。若單獨(dú)考慮了溫度的作用，則冬季發(fā)電量應(yīng)為最高。但春秋兩季氣候干爽，有效峰值日照時(shí)間長(zhǎng)，陽(yáng)光充沛，所以輻照度在時(shí)間和強(qiáng)度上明顯優(yōu)于冬季，故春天和秋天才為光伏電站發(fā)電的最佳時(shí)節(jié)。綜上，發(fā)電量最好時(shí)刻應(yīng)該在春秋兩季的晴天正午時(shí)刻，建議光伏電站將春秋兩季作為運(yùn)行期，將檢修期盡量調(diào)整到冬季。

3）即使是相同的季節(jié)，由于每時(shí)每刻的天氣情況都是有所差異的，而且不容易定量分析，導(dǎo)致光伏組件輸出的發(fā)電量因真實(shí)天氣情況的變換而波動(dòng)，給預(yù)測(cè)工作加大了難度。所以為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣環(huán)境，建議縮短預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度，依據(jù)實(shí)際情況，將預(yù)測(cè)時(shí)間設(shè)為0.25～4h不等。