光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率預(yù)測(cè)分析

項(xiàng)若軒

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

電力系統(tǒng)隨著科技的進(jìn)步不斷的進(jìn)行著技術(shù)革新，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)開始逐步的替代傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)的新寵，但是，相比較于傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)性與可控性相對(duì)較弱，這一問題引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，也成為了目前學(xué)術(shù)界、工程界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。如何才能夠令光伏電站的可控性以及輸出功率的可預(yù)測(cè)性更高，是目前技術(shù)研發(fā)人員的工作重點(diǎn)。本文提出了一種建立在馬爾科夫鏈基礎(chǔ)之上的光伏電站出力預(yù)測(cè)的方式，通過完整的模型以及實(shí)際可行的方案，針對(duì)光伏電站輸出功率預(yù)測(cè)的諸多內(nèi)容進(jìn)行分析。其理論依據(jù)主要具有以下幾點(diǎn)：首先建立1階轉(zhuǎn)移矩陣，其次針對(duì)不同階段銜接進(jìn)行確定，繼而修正狀態(tài)轉(zhuǎn)移，定義參數(shù)以及選擇。

1 建立模型

1.1 模型分析

一般對(duì)光伏陣列某一天輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，其做法是進(jìn)行雙建模，即建立光伏系統(tǒng)逆變模型以及太陽輻射模型。直接輻射、球體輻射以及擴(kuò)散輻射是光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池接收到的輻射的主要組成。

而文章所利用的馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)方式，主要利用馬爾科夫鏈的特性。特殊性是馬爾科夫鏈的特性，其是馬爾科夫隨機(jī)過程中的某一形式，狀態(tài)具有離散性，參數(shù)也同樣具有離散性。在該分析預(yù)測(cè)方式中，時(shí)間作為主要參數(shù)。分析隨機(jī)過程中的主要對(duì)象為直接正常輻射同擴(kuò)散水平輻射的交叉點(diǎn)。目前時(shí)刻狀態(tài)是下意識(shí)可狀態(tài)的唯一關(guān)聯(lián)因素，以前時(shí)刻狀態(tài)同下意識(shí)時(shí)刻狀態(tài)無關(guān)。為了方便分析，將笛卡爾空間分為多組矩形區(qū)域，在同一區(qū)域中的狀態(tài)便是馬爾科夫鏈相同狀態(tài)。通過該種方式進(jìn)行建模能夠?qū)⑻柲茌椛涞臅r(shí)段性狀態(tài)預(yù)測(cè)出來，并且在預(yù)測(cè)后能夠生成逆變模型。通過該模型便可以預(yù)測(cè)出光伏發(fā)電系統(tǒng)的后期輸出功率。

1.2 在整個(gè)電力系統(tǒng)中，馬爾可夫光伏功率預(yù)測(cè)主要關(guān)注的內(nèi)容為功率、點(diǎn)亮，通過輻射-功率特性，可以直接對(duì)系統(tǒng)的出力進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，文章針對(duì)已存在的歷史輸出功率數(shù)據(jù)對(duì)未來某一時(shí)刻的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。前提是未來預(yù)測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，變化不大。

2 算法概述

在統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)移過程中最小的時(shí)間跨度即預(yù)測(cè)過程中的時(shí)間精度。而同一轉(zhuǎn)移矩陣所需要的時(shí)間段即單位時(shí)間，而預(yù)測(cè)所需要的整個(gè)時(shí)間跨度即研究時(shí)段。

實(shí)現(xiàn)馬爾可夫光伏功率預(yù)測(cè)的方式主要通過建模的方式，其具體的方法包括：若天琪狀態(tài)相同，某一光伏系統(tǒng)的出力統(tǒng)計(jì)主要包括時(shí)間精度的研究以及時(shí)間段的研究；對(duì)輸出功率進(jìn)行均勻的區(qū)間區(qū)分，并確定系統(tǒng)狀態(tài)，該狀態(tài)為落在某一區(qū)間的功率；統(tǒng)計(jì)該狀態(tài)下輸出功率的狀態(tài)轉(zhuǎn)移多少次，從而得到一步轉(zhuǎn)移矩陣。

3 實(shí)際案例分析

文章以某一意境投入使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為實(shí)際案例進(jìn)行分析，并選取該系統(tǒng)某一時(shí)間段的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行論述，該時(shí)間段的天琪晴朗，氣溫波動(dòng)相對(duì)較大（12℃~22℃），針對(duì)該環(huán)境下光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況予以統(tǒng)計(jì)，以5min作為時(shí)間精度，單位為1h，將研究對(duì)象劃分為11個(gè)狀態(tài)。以分析結(jié)果作為研究對(duì)象，可以統(tǒng)計(jì)到10個(gè)單位時(shí)間的數(shù)據(jù)，以此建立轉(zhuǎn)移矩陣，并以其中第三個(gè)單位作為具體案例進(jìn)行狀態(tài)修正的討論。

可以分析出，由于前2個(gè)單位時(shí)間內(nèi)隨機(jī)游走的最終狀態(tài)（第2個(gè)單位時(shí)間內(nèi)末時(shí)刻功率期望）是作為第3個(gè)單位時(shí)間的初始狀態(tài)，而實(shí)際情況中第2個(gè)單位時(shí)間末的期望功率也有可能處在狀態(tài)0~2。又因?yàn)闋顟B(tài)0~2的轉(zhuǎn)移情況未加以描述，那么就會(huì)導(dǎo)致第2個(gè)時(shí)段狀態(tài)有可能不發(fā)生轉(zhuǎn)移。另外，單位時(shí)間的細(xì)分及統(tǒng)計(jì)量的不足也會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)空間不完整。所以要對(duì)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行修正，保證相應(yīng)狀態(tài)空間為閉集。修正的方法有兩種：（1）加大樣本容量，即統(tǒng)計(jì)量。（2）依據(jù)相鄰幾個(gè)單位時(shí)間光伏系統(tǒng)實(shí)際出力的總變化趨勢(shì)，補(bǔ)入因單位時(shí)間細(xì)分缺失的狀態(tài)轉(zhuǎn)移次數(shù)。

針對(duì)某一時(shí)間的溫度進(jìn)行功率的實(shí)測(cè)，可以看出該時(shí)間中的平均溫度可以達(dá)到17℃，該時(shí)間段的氣溫范圍在15℃~20℃，天氣為晴朗。

針對(duì)該時(shí)間段的系統(tǒng)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)可以分析出，整個(gè)研究過程中的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差相對(duì)較大，其原因在于該時(shí)間段所處氣候?yàn)榇杭荆鞖庾兓鄬?duì)較大，且氣溫波動(dòng)較大，即便是晴天，空中的云量以及地表的蒸汽含量也相對(duì)波動(dòng)較大，不具有穩(wěn)定性。這會(huì)直接影響光伏發(fā)電設(shè)備對(duì)太陽輻射的吸收效率。因而同時(shí)節(jié)、同樣天氣的狀態(tài)下，通過樣本統(tǒng)計(jì)的方式無法真正準(zhǔn)確的體現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。并且，春季到夏季太陽輻射的強(qiáng)度逐步的增大，所以根據(jù)實(shí)際的觀測(cè)狀況可以分析出，用作試驗(yàn)分析的時(shí)間段天氣晴朗無云，因此預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)較低。通過觀測(cè)分析結(jié)果可以看出，該時(shí)間段的預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)受到日升日落太陽輻射量變化的影響，因而系統(tǒng)功率具有較大的波動(dòng)。

預(yù)測(cè)精度因單位時(shí)間的縮小而有一定提高，整個(gè)研究時(shí)段的預(yù)測(cè)誤差從21.23492%降為19.19397%。而首尾時(shí)段的預(yù)測(cè)偏差也有所下降，如06：59的預(yù)測(cè)誤差降低為72%。此外，在時(shí)間精度不變的情況下，由于單位時(shí)間的縮小，每單位時(shí)間內(nèi)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的統(tǒng)計(jì)量相應(yīng)減半，這帶來了一定誤差。若增加樣本容量或縮小時(shí)間精度，即增加單位時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)量，預(yù)測(cè)精度會(huì)進(jìn)一步提高。最后，狀態(tài)的劃分也會(huì)帶來一定誤差。很明顯，在同樣的光伏系統(tǒng)出力范圍內(nèi)，狀態(tài)劃分越多，精度越高。但1階轉(zhuǎn)移矩陣的階數(shù)也會(huì)隨之增多，統(tǒng)計(jì)量也會(huì)增大。

結(jié)語

本文以馬爾科夫鏈座位基礎(chǔ)，針對(duì)目前發(fā)電系統(tǒng)的新技術(shù)——光伏發(fā)電技術(shù)的功率輸出預(yù)測(cè)進(jìn)行分析。該方式以建模的方式，依照光伏電站的歷史數(shù)據(jù)對(duì)電站出力進(jìn)行直接預(yù)測(cè)，該方式避免了相關(guān)數(shù)據(jù)的采集以及轉(zhuǎn)換，并且也省略了具體建模環(huán)節(jié)，因而在保證結(jié)果精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提高了預(yù)測(cè)效率。通過實(shí)際的算例結(jié)果，證實(shí)該方式具有較高的可行性。在一定的時(shí)間精度下，通過時(shí)間單位的增加可以有效提高預(yù)測(cè)的精確性。

[1]許洪華.中國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（20）：7-11.

[2]石文輝，別朝紅，王錫凡.大型電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（04）：9-15.