光伏发电预测及并网分析

张强，邹晗，孙子元

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

随着全球环境恶化，化石能源枯竭等现象的发生，国家根据新时代的发展战略提出要对传统的电力系统进行升级改造，尽可能多的引入新能源发电，逐步实现发电技术由传统的化石能源向新能源转变。太阳能发电作为新能源发电的一个重要方面，拥有得天独厚的优势，我国太阳能资源丰富，光伏发电技术也逐渐成熟，但是由于光伏发电的不稳定性，大规模的光伏并网会对电力系统的稳定运行造成一定的影响，因此如果对光伏发电的功率进行准确预测，以及如何在今后电力系统发展中尽可能多的利用光伏发电，提高光电的消纳能力，是目前国家研究方向的重点。

1 光伏发电原理描述

1839 年，法国物理学家A.E 贝克勒尔研究发现，当两个金属片放入溶液中形成伏打电池，在光照的情况下回产生伏打电动势，这就是光生伏打效应，太阳能发电就是利用该效应，通过阳光照射到硅材料上，在不均匀半导体的不同部位产生电位差，并生成电流。太阳能电池中的半导体材料由于P-N节的存在，当阳光照射到P-N 节上时，P-N 节上的电子与空穴对就会被激发，使得载流子被分离，在半导体内部形成电场。当电场的两侧接入负载时，会在负载上生成电流，光伏电池就是由该方式生成电流。典型的发电系统结构如图1。

图1 光伏发电系统模型图

根据图可以看出，典型的光伏发电系统主要由光伏阵列，DC/DC 变换器，DC/AC 变换器，并网控制器和蓄电池组成。光伏阵列产生的直流电会经过DC/DC 变换器，然后通过DC/AC 逆变器转换成交流电并网，在发电过程中需要对并网逆变器进行最大功率点追踪来保证光伏发电系统的输出功率保持最大。蓄电池的配置情况可以根据电厂的实际情况进行选择。

2 太阳能发电特点及并网分析

由于光伏发电能量的主要来源是太阳能，因此光照强度和温度的不确定性会对光电机组的输出功率产生很大的影响，确定光电机组的输出功率是保证光伏发电规划，电网调度以及不同机组负荷分配等工作正常进行的前提，在给定太阳辐射值的前提下，光伏电站的输出功率如下式：

其中：λ表示光电的转换效率，A 表示发电机组的发电板面积(m2)，G(t)表示光照幅度（W/m2）。

图2 光伏电站输出功率曲线

根据上式可以看出，当光照幅度越大时，光伏发电系统的输出功率越高，典型光伏电站的输出功率曲线如图2 所示：

图2 中描述了某光伏电站连续3 天的输出功率曲线，根据图中信息可以看出，光伏发电系统的输出功率成典型的面包型曲线，即中午光照强度高的时候光伏输出功率较大，光照强度低的时候输出功率较小，在晚上时由于光照强度很小，光伏电站的输出功率为0。根据输出功率曲线可以看出，虽然连续三天的光伏发电的输出功率在相同的时间点存在一定的变化，但是整体的趋势具有周期性。由于光伏发电的随机性和不确定性，大规模的光伏电站并网会对电力系统造成以下影响。

（1）电压波动和闪变。在传统电网中，有功功率、无功功率会根据时间的变化引起系统的电压波动。而对于光伏发电而言，有功功率的变化是引起电压波动和闪变的主要因素。光伏发电的核心是太阳能电池板，其最大输出功率与光照幅度，天气温度以及季节有很大关系，这些自然因素的变化会造成光伏电闸输出功率变化较大，进而会导致负载功率频繁变化，从而引起并网用户负载端的电压波动和闪变。

（2）孤岛效应。孤岛效应使指由于人为因素或自然因造成的电网系统供电中断，但是，此时各个并网的光伏发电系统没能及时检测出电网的运行状态，从而导致光伏发电系统独立于其负载而独立运行。随着光伏并网的范围扩大，孤岛效应产生的机率也会大幅增加，从而导致电网电压和频率波动性较大，降低了电能质量，严重的可能造成系统电气设备损坏和重合闸故障等。同时在供电恢复过程中，可能会由于电压相位之间的不同步而产生浪涌电流，导致电网波形瞬间下跌。

3 太阳能发电功率预测方法

由于太阳能发电的不稳定性，其大规模并网会对电力系统的安全稳定运行带来隐患，所以为了减少这种情况的发生，我们需要对光伏发电的输出功率进行预测。当我们对光伏发电功率进行准确后，就可以根据预测结果对电力系统的调度进行规划，从而降低光伏并网的安全隐患，并尽可能多地消纳光伏发电，减少化石能源的使用，降低环境污染。目前光伏电站输出功率的预测方法有直接预测方法和间接预测方法两种。

3.1 直接预测法

直接预测法是根据数学统计预测理论对光伏电站的输出功率进行直接预测，通过对历史数据的分析，找出光电输出功率和气象数据之间的关系，然后根据预测时段的天气信息根据预测模型进行光伏发电功率预测，直接预测法的预测流程图如图3 所示。

图3 直接功率预测流程

由于直接功率预测法避免了较为复杂的机理运算，简化的建模的过程，在光伏发电短期功率预测中预测精度较高，但是由于光伏电站输出功率影响因素众多，在一些工况特殊或者长时间尺度的预测场景下预测误差会比较大。目前，常用的直接功率预测方法有神经网络法、支持向量机法和马尔科夫链法等。

3.2 间接预测法

间接预测法是借助数值天气预报、气象卫星等信息对光照幅度进行预测，然后在基于光伏发电系统的模型建立方程进行求解。首先需要得到当前区域内水平面上的太阳辐射值，然后根据光伏接收面的角度信息，将水平面太阳辐射量的值转换成斜面上太阳辐射量的值，最后根据发电系统的物理模型计算出光伏电站的输出功率。

4 结语

随着国家发展步伐的加快，环境污染以及化石能源的紧缺现象越来越严重，新能源在国家未来发展规划中的重要性逐渐显现。光伏发电技术的发展也越来越重要，因此，如何利用现有的技术和资源，更多地将光伏发电并网并消纳，也是国家未来研究的一个重要方向，我们需要积极探讨这个话题，争取太阳能在未来的经济发展中发挥更大的作用。