本发明属于光伏发配电技术领域,具体为一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法,包括步骤有:(1)分别计算到达地面的直射辐照度和到达地面的散射辐照度;(2)计算净空条件下达到地面的辐照度;(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度;(4)确定光伏电站最大输出功率。本方法给出了普遍适用的光伏电站理论最大输出功率的计算方法,不需要历史数据的拟合。并且本发明考虑了光伏电池的倾斜角度,普遍使用于固定安装的光伏电站。
1.一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:(1)分别计算到达地面的直射辐照度和到达地面的散射辐照度;(2)计算净空条件下达到地面的辐照度;(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度;(4)确定光伏电站最大输出功率;步骤(1)计算到达地面的直射辐照度的表达式如下: G dn = G SC ϵ e - 0.8662 T L ( 2 ) δ R ( m ) m - - - ( 1 ) ; ]]> 式中,G_SC为太阳常数,且G_SC=1.367kW·m^-2;ε为离心距;m为空气质量;δ_R为瑞利光学厚度;T_L(2)为linked系数。
2.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,计算所述离心距ε的表达式如下:ε=1.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cos2Γ+0.000077sin2Γxa0xa0(2);式中,Γ为时间系数,且ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="280"/>J为一年中的天数。
3.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,计算所述空气质量m的表达式如下: m = 1 - Z / 1000 cos θ Z + 0.50572 ( 96.07995 - θ Z ) - 1.6364 - - - ( 3 ) ; ]]> 式中,Z为所在地的海拔高度;θ_Z为所在地的太阳天顶角,且 ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="45"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°h-7.5°,h为预报时间距离地方平太阳时正午的小时数,时角上午为负,下午为正。
4.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,计算所述瑞利光学厚度δ_R的表达式如下: δ R = 1 6.6296 + 1.7513 m - 0.1202 m 2 + 0.0065 m 3 - 0.00013 m 4 ( m ≤ 20 ) δ R = 1 10.4 + 0.718 m ( m > 20 ) - - - ( 5 ) ]]> 其中,m为空气质量。
5.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,计算所述linked系数T_L(2)的表达式如下: T L ( 2 ) = T 0 + u cos ( 2 π 365 J ) + v sin ( 2 π 365 J ) - - - ( 6 ) ; ]]> 式中,T₀,u,v为经验系数,J为一年中的天数。
6.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,步骤(1)计算到达地面的散射辐照度的表达式如下:G_dif=G_extε(0.0065+(-0.045+0.0646T_L(2))cosθ_Z+(0.014-0.032T_L(2))cos²θ_Z)xa0xa0(7);式中,G_ext为地外辐照度,ε为离心距,T_L(2)为linked系数,θ_Z为所在地的太阳天顶角,且ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="45"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°h-7.5°,h为预报时间距离地方平太阳时正午的小时数,时角上午为负,下午为正。
7.如权利要求6所述的预测方法,其特征在于,计算所述地外辐照度G_ext的表达式如下: ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 式中,G_sc为太阳常数,取为1.367kW·m^-2;γ为日地距离订正系数; ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="58"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°h-7.5°,h为距离地方平太阳时正午的小时数,时角上午为负,下午为正;n为一年中的日序号。
8.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,步骤(2)净空后的大气是不包括水汽和气溶胶的空气,即净空条件。
9.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,步骤(2)计算净空条件下达到地面的辐照度的表达式如下;G_clear=G_dn+G_difxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(11)其中,G_dn为直射辐照度,G_dif为散射辐照度。
10.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,步骤(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度的表达式如下: G t = G clear cos θ i + G dn ( 1 + cos β 2 ) + ρ G dif ( 1 - cos β 2 ) - - - ( 12 ) ; ]]> 式中,G_t为光伏电池的有效辐照强度;G_clear为总辐照度;G_dn为直射辐照度G_dif为散射辐照度;β为光伏电池倾角;θ_i为太阳入射角;ρ为反射系数。
11.如权利要求1所述的预测方法,其特征在于,步骤(4)确定光伏电站最大输出功率的表达式如下:P_MPPA=I_MPPA·U_MPPAxa0xa0xa0xa0xa0xa0(13);式中,I_MPPA=I_MPP·n,U_MPPA=U_MPP·m-(U_DA+U_WA)I_MPP为单个光伏电池的最佳输出电流;m为一个支路中串联的光伏电池板的个数;n为光伏电池支路并联的个数;U_MPP为单个光伏电池的最佳输出电压;U_DA为光伏阵列电路中阻塞二极管的压降;U_WA为光伏阵列电路中连接电阻的压降。
12.如权利要求11所述的预测方法,其特征在于,根据短路电流和开路电压确定功率曲线,并确定单个光伏电池的最佳输出电流I_MPP和单个光伏电池的最佳输出电压U_MPP;其中:计算单个光伏电池产生的短路电流的表达式如下: I sc = G 2 G 1 [ I scS + ( T 2 - T 1 ) k T ] - - - ( 14 ) ; ]]> 式中:I_scS,I_sc分别为标准条件和现有条件下的短路电流;T₁,T₂分别为标准条件和现有条件下的温度;G₁,G₂分别为标准条件和现有条件下的光照强度;k_T为温度系数;计算单个光伏电池产生的开路电压的表达式如下: U OC = AkT q ln ( I SC I 0 + 1 ) - - - ( 15 ) ; ]]> 式中,I₀为光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流;I_SC为光伏电池的短路电流;q为电子电荷,1.6×10^-19C;k为波尔兹曼常量,0.86×10^-4Ev/K;T为绝对温度;A为光伏电池内部等效二极管P-N结的曲线常数。技术领域
本发明属于光伏发配电技术领域,具体涉及一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法。
背景技术
太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电形式。现阶段,太阳能的推广应用日益呈现方兴未艾的世界潮流,太阳能产业成为全球蓬勃兴起的新能源产业之一。开发利用清洁、安全、环保的太阳能成为人类社会缓解日益加剧的能源短缺的共同选择和治理严峻环境污染的有生力量。电网的稳定运行需要在供需双方之间保持一定的平衡,即根据用户的消耗变化,预先安排火电、水电等发电机组的开启和关停,从而相应地调整供应的总功率。由于光伏发电受天气的影响较大,且不能像火电及水电一样自由控制,所以光伏电站发电的输出功率具有剧烈变化及间歇性等特点。由此,光伏电站并入电网必将对电网的平衡产生巨大影响,包括:1)调峰问题。随着天气的变化,光伏电站的输出功率剧烈变化,严重影响电网的调峰;2)电网稳定问题。在电网发生大扰动时,光伏电站由于不具备低电压穿越能力,容易退出运行从而对电网带来二次冲击,影响电网的暂态稳定性;所以对光伏电站输出功率进行有效监测和预测,把光伏电站输出功率纳入电网的发电计划编制,并参与实时调度,是保证电网稳定经济运行的重要措施之一。从而能够实施发电运行自动控制,实现多元电源联合调度。太阳能光伏发电功率预测的研究起步较晚,主要是在全国范围设立太阳能资源监测点,收集太阳能资源数据,并建立光伏发电功率预测模型,预测全国范围光伏发电出力的时空分布。一些地区虽然已经开展了太阳能资源布点监测和光伏电站功率预测系统的相关研究,但仍然属于起步阶段。现有的光伏发电功率预测主要依赖于数值天气预报,受数值天气预报的影响,光伏发电功率预测结果精度偏低。受预测精度的影响,光伏发电功率还未能准确纳入系统调度运行,导致系统运行中不能优先考虑光伏发电。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法,实现对光伏电站理论最大输出功率的预测,为电力调度部门计算光伏发电接纳能力,受限时段的光伏电站功率进行优化分配以及制定合理的光伏电站发电计划提供的可靠有效的依据。本发明提供的一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法,其改进之处在于,所述方法包括如下步骤:(1)分别计算到达地面的直射辐照度和到达地面的散射辐照度;(2)计算净空条件下达到地面的辐照度;(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度;(4)确定光伏电站最大输出功率。其中,步骤(1)计算到达地面的直射辐照度的表达式如下: G dn = G SC ϵ e - 0.8662 T L ( 2 ) δ R ( m ) m - - - ( 1 ) ; ]]> 式中,G_SC为太阳常数,且G_SC=1.367kW·m^-2;ε为离心距;m为空气质量;δ_R为瑞利光学厚度;T_L(2)为linked系数。其中,计算所述离心距ε的表达式如下:ε=1.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cos2Γ+0.000077sin2Γxa0xa0xa0(2);式中,Γ为时间系数,且ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="290"/>J为一年中的天数;其中,计算所述空气质量m的表达式如下: m = 1 - z / 1000 cos θ Z + 0.50572 ( 96.07995 - θ Z ) - 1.6364 - - - ( 3 ) ; ]]> 式中,Z为所在地的海拔高度;θ_Z为所在地的太阳天顶角,且 ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="46"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°z-7.5°,z为预报时间距离地方平太阳时正午的小时数,时角上午为负,下午为正。其中,计算所述瑞利光学厚度δ_R的表达式如下: δ R = 1 6.6296 + 1.7513 m - 0.1202 m 2 + 0.0065 m 3 - 0.00013 m 4 ( m ≤ 20 ) δ R = 1 10.4 + 0.718 m ( m > 20 ) - - - ( 5 ) . ]]> 其中,计算所述linked系数T_L(2)的表达式如下: T L ( 2 ) = T 0 + u cos ( 2 π 365 J ) + v sin ( 2 π 365 J ) - - - ( 6 ) ; ]]> 式中,T₀,u,v为经验系数,其由工程实际确定,这里一般取T₀=0.4,u=0.3,v=0.3。其中,步骤(1)计算到达地面的散射辐照度的表达式如下:G_dif=G_extε(0.0065+(-0.045+0.0646T_L(2))cosθ_Z+(0.014-0.032T_L(2))cos²θ_Z)xa0xa0xa0(7);式中,G_ext为地外辐照度。其中,计算所述地外辐照度G_ext的表达式如下: ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 式中,G_sc为太阳常数,取为1.367;γ为日地距离订正系数,无量纲; ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="46"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°z-7.5°,z为距离地方平太阳时正午的小时数,时角上午为负,下午为正;n为一年中的日序号。其中,步骤(3)净空后的大气是不包括水汽和气溶胶的空气,即净空条件。其中,步骤(3)计算净空条件下达到地面的辐照度的表达式如下;G_clear=G_dn+G_difxa0xa0xa0(11)。其中,步骤(4)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度的表达式如下: G t = G clear cos θ i + G dn ( 1 + cos β 2 ) + ρ G dif ( 1 - cos β 2 ) - - - ( 12 ) ; ]]> 式中,G_t为光伏电池的有效辐照强度;G_class为总辐照度;G_dn为直射辐照度G_dif为散射辐照度;β为光伏电池倾角;θ_i为太阳入射角;ρ为反射系数。其中,步骤(5)确定光伏电站最大输出功率的表达式如下:P_MPPA=I_MPPA·U_MPPAxa0xa0xa0(13);式中,I_MPPA=I_MPP·n,U_MPPA=U_MPP·m-(U_DA+U_WA)I_MPP为单个光伏电池的最佳输出电流;m为一个支路中串联的光伏电池板的个数;n为光伏电池支路并联的个数;U_MPP为单个光伏电池的最佳输出电压;U_DA为光伏阵列电路中阻塞二极管的压降;U_WA为光伏阵列电路中连接电阻的压降。其中,根据短路电流和开路电压确定功率曲线,并确定单个光伏电池的最佳输出电流I_MPP和单个光伏电池的最佳输出电压U_MPP;其中:计算单个光伏电池产生的短路电流的表达式如下: I sc = G 2 G 1 [ I scS + ( T 2 - T 1 ) k T ] - - - ( 14 ) ; ]]> 式中:I_scS,I_sc分别为标准条件和现有条件下的短路电流;T₁,T₂分别为标准条件和现有条件下的温度;G₁,G₂分别为标准条件和现有条件下的光照强度;k_T为温度系数(该数据为实验测量数据,可从光伏电池板厂家的设备检测报告得到;计算单个光伏电池产生的开路电压的表达式如下: U OC = AKT q 1 n ( I SC I 0 + 1 ) - - - ( 15 ) ; ]]> 式中,I₀为光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流;I_SC为光伏电池的短路电流;q为电子电荷,1.6×10-19C;k为波尔兹曼常量,0.88×10-4Ev/K;T为绝对温度;A为光伏电池内部等效二极管P-N结的曲线常数。与现有技术比,本发明的有益效果为:本发明在净空条件下,分别考虑太阳辐射投过大气的直射辐射损耗和散射辐射损耗,计算得到在净空条件下给定地理位置的辐照度,形成辐照度的净空模型。在辐照度的净空模型的基础上,考虑光伏电池板的倾斜角,计算得到光伏电池板理论最大有效辐照度,通过物理模型计算得到光伏电站的理论最大输出功率。本方法给出了普遍适用的光伏电站理论最大输出功率的计算方法,不需要历史数据的拟合。本发明依据太阳辐射在大气中的传输原理,计算得到地面辐照度,考虑光伏电池板的倾斜角,得到光伏电池板上的有效辐照度,进而通过光伏电站的物理模型得到光伏电站的理论最大输出功率。与已有的功率预测技术相比,本技术不依赖与数值天气预报数据,排除了数值天气预报误差的影响,准确的预测光伏电站理论最大输出功率,为电力调度部门合理安排光伏电站运行方式提供了准确可靠的依据;同时本技术不依赖于历史气象和电力监测数据,适用于新建的光伏电站。
附图说明
图1为本发明提供的根据短路电流和开路电压确定功率曲线,并求取单个光伏电池的最佳输出电流I_MPP和单个光伏电池的最佳输出电压U_MPP的示意图。图2为本发明提供的光伏电站内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。本实施例公开的一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法,包括如下步骤:(1)分别计算到达地面的直射辐照度和到达地面的散射辐照度;1、计算到达地面的直射辐照度的表达式如下: G dn = G SC ϵ e - 0.8662 T L ( 2 ) δ R ( m ) m - - - ( 1 ) ; ]]> 式中,G_SC为太阳常数,且G_SC=1.367kW·m^-2;ε为离心距;m为空气质量;δ_R为瑞利光学厚度;T_L(2)为linked系数。对应的,I、计算所述离心距ε的表达式如下:ε=1.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cos2Γ+0.000077sin2Γxa0xa0xa0(2);式中,Γ为时间系数,且ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="276"/>J为一年中的天数;II、计算所述空气质量m的表达式如下: m = 1 - z / 1000 cos θ Z + 0.50572 ( 96.07995 - θ Z ) - 1.6364 - - - ( 3 ) ; ]]> 式中,Z为所在地的海拔高度;θ_Z为所在地的太阳天顶角,且 ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="46"/>为地理纬度,单位为度;δ为赤纬角,单位为度;ω为时角,单位为度,且ω=15°z-7.5°,z为预报时间距离地方平太阳时正午(12:00)的小时数,时角上午为负,下午为正。III、计算所述瑞利光学厚度δ_R的表达式如下: δ R = 1 6.6296 + 1.7513 m - 0.1202 m 2 + 0.0065 m 3 - 0.00013 m 4 ( m ≤ 20 ) δ R = 1 10.4 + 0.718 m ( m > 20 ) - - - ( 5 ) . ]]> IV、计算所述linked系数T_L(2)的表达式如下: T L ( 2 ) = T 0 + u cos ( 2 π 365 J ) + v sin ( 2 π 365 J ) - - - ( 6 ) ; ]]> 式中,T₀,u,v为经验系数。由工程实际确定,这里一般取T₀=0.4,u=0.3,v=0.3。2、计算到达地面的散射辐照度的表达式如下:G_dif=G_extε(0.0065+(-0.045+0.0646T_L(2))cosθ_Z+(0.014-0.032T_L(2))cos²θ_Z)xa0xa0xa0(7);式中,G_ext为地外辐照度。计算所述地外辐照度G_ext的表达式如下: ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 式中,G_sc为太阳常数,取为1.367(kW/m²);γ为日地距离订正系数,无量纲; ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="40"/>为地理纬度,单位为度(°);δ为赤纬角,单位为度(°);ω为时角,单位为度(°),且ω=15°z-7.5°,z为距离地方平太阳时正午(12:00)的小时数,时角上午为负,下午为正;n为一年中的日序号,1月1日,n=1,1月2日,n=2,......,余类推。(2)计算净空条件下达到地面的辐照度;净空后的大气是不包括水汽和气溶胶的空气,即净空条件。计算净空条件下达到地面的辐照度的表达式如下;G_clear=G_dn+G_difxa0xa0xa0(11)。(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度;计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度的表达式如下: G t = G clear cos θ i + G dn ( 1 + cos β 2 ) + ρ G dif ( 1 - cos β 2 ) - - - ( 12 ) ; ]]> 式中,G_t为光伏电池的有效辐照强度;G_class为总辐照度;G_dn为直射辐照度G_dif为散射辐照度;β为光伏电池倾角;θ_i为太阳入射角;ρ为反射系数。(4)确定光伏电站最大输出功率。现今光伏电站的内部结构示意图如图2所示,光伏电站由光伏电池板构成。m个光伏电池板串联构成一条支路,n个支路并联构成光伏阵列,通过阻塞二极管与电网连接。确定光伏电站最大输出功率的表达式如下:P_MPPA=I_MPPA·U_MPPAxa0xa0xa0(13);式中,I_MPPA=I_MPP·n,U_MPPA=U_MPP·m-(U_DA+U_WA)I_MPP为单个光伏电池的最佳输出电流;m为一个支路中串联的光伏电池板的个数;n为光伏电池支路并联的个数;U_MPP为单个光伏电池的最佳输出电压;U_DA为光伏阵列电路中阻塞二极管的压降;U_WA为光伏阵列电路中连接电阻的压降。如图1所示,本实施例根据短路电流和开路电压确定功率曲线,当面积B(最佳输出电流与最佳输出电压的乘积)达到最大时所对应的横坐标电压值为单个光伏电池的最佳输出电压U_MPP,纵坐标电流值为单个光伏电池的最佳输出电流I_MPP。其中:计算单个光伏电池产生的短路电流的表达式如下: I sc = G 2 G 1 [ I scS + ( T 2 - T 1 ) k T ] - - - ( 14 ) ; ]]> 式中:I_scS,I_sc分别为标准条件和现有条件下的短路电流;T₁,T₂分别为标准条件和现有条件下的温度;G₁,G₂分别为标准条件和现有条件下的光照强度;k_T为温度系数,可从光伏电池板厂家的设备检测报告得到;计算单个光伏电池产生的开路电压的表达式如下: U OC = AKT q 1 n ( I SC I 0 + 1 ) - - - ( 15 ) ; ]]> 式中,I₀为光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流;I_SC为光伏电池的短路电流;q为电子电荷,1.6×10-19C;k为波尔兹曼常量,0.88×10-4Ev/K;T为绝对温度;A为光伏电池内部等效二极管P-N结的曲线常数。最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。