反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法，包括以下步驟：確定太陽輻射強(qiáng)度變化特性；建立考慮太陽輻射強(qiáng)度變化特性的太陽輻射強(qiáng)度模型；建立光伏陣列輸出功率模型。本發(fā)明所建立的光伏出力模型既可反映光伏出力隨著季節(jié)變化和晝夜交替表現(xiàn)出的規(guī)律性，又可反映因天氣等因素影響表現(xiàn)出的波動(dòng)性和不確定性，使光伏出力更符合實(shí)際情況。
【專利說明】反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種建模方法，具體涉及一種反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力 隨機(jī)模型建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近二、三十年來，以光伏發(fā)電為代表的間歇式可再生能源發(fā)電技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展， 裝機(jī)容量逐年提高。間歇式電源的出力具有明顯的波動(dòng)性和不確定性，大規(guī)模并網(wǎng)后給電 力系統(tǒng)帶來了更多的不確定因素，對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、仿真分析、調(diào)度運(yùn)行、保護(hù)控制、電能 質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生重要的影響。間歇式電源的出力模型是開展相關(guān)問題研究的重要基 礎(chǔ)，因此迫切需要對(duì)間歇式電源的出力模型進(jìn)行深入研究。
[0003] 光伏發(fā)電的出力與光伏陣列上接收到的太陽輻射強(qiáng)度、光伏陣列面積以及光電轉(zhuǎn) 換效率等因素密切相關(guān)。根據(jù)光伏電池的型號(hào)、數(shù)量和串并聯(lián)方式，可以確定光伏陣列的面 積和等效光電轉(zhuǎn)換效率，因此只需對(duì)光伏陣列上接受到的太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行建模。
[0004] 為了使全年接收的太陽輻照量最大，同時(shí)考慮降雨自清潔和積雪自清除效果，光 伏陣列通常以一定傾角傾斜放置，傾斜面上的太陽輻射強(qiáng)度由三部分構(gòu)成：直接太陽輻射、 天空散射輻射和地面反射輻射 [H]，Klein根據(jù)太空散射各向同性的假設(shè)，提出了比較簡單 的計(jì)算表達(dá)式[3]。Koronakis等人指出太空散射各向同性的假設(shè)是不恰當(dāng)?shù)模诒卑肭? 月份南邊天空的散射輻射量約占總量的63% ;在南半球則正好相反。Hay[4]、KlUcher[5]、 perez[6]等分別提出了天空散射各向異性模型的計(jì)算方法，但缺點(diǎn)在于計(jì)算的參數(shù)較多， 表達(dá)式也十分復(fù)雜。美國采暖、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)根據(jù)多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn) 分析，建立了比較簡單的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型一理想晴空太陽輻射強(qiáng)度模型（clear day solar flux model)[7]，該模型參數(shù)較少、計(jì)算簡單，模擬效果較好，在國際范圍內(nèi)得到了十 分廣泛的應(yīng)用。
[0005] 理想晴空太陽輻射強(qiáng)度模型，可以根據(jù)地球與太陽的相對(duì)位置較好地模擬太陽輻 射強(qiáng)度因季節(jié)變化而呈現(xiàn)出來的年變化特性和因晝夜交替而呈現(xiàn)出來的日變化特性，但卻 不能反映天氣因素的影響。陰雨、多云或沙塵暴天氣條件下，太陽輻射強(qiáng)度明顯下降，進(jìn)而 導(dǎo)致光伏出力不同程度的降低。文獻(xiàn)[8-9]將太空中的云層狀態(tài)粗分為七種：無云、絹云、 絹層云、高積云、高層云、層云和層積云，根據(jù)不同云層的衰減度建立了太陽輻射強(qiáng)度模型。 但在光伏電站的規(guī)劃階段，通常缺乏多年的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，很難獲得當(dāng)?shù)氐脑茖幼兓瘮?shù)據(jù) 以及云層對(duì)太陽輻射強(qiáng)度的衰減影響數(shù)據(jù)，且云層的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖也十分復(fù)雜。
[0006] 綜上可見，在光伏發(fā)電的出力建模方面，目前的難點(diǎn)在于如何利用現(xiàn)階段可獲得 的數(shù)據(jù)，在理想晴空太陽輻射強(qiáng)度模型的基礎(chǔ)上考慮天氣因素的影響，建立能夠反映太陽 輻射強(qiáng)度變化特性的隨機(jī)模型，進(jìn)而建立起光伏出力的隨機(jī)模型。
[0007] 參考文獻(xiàn)
[0008] [1]楊金煥，毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計(jì)算
[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004, 36 (7) :1032-1036.
[0009] 2]Koronakis P S. On the choice of the angle of tilt for south facing solar collectors in the Athens Basin area[J]. Solar Energy,1986,36 (3) :217-225.
[0010] [3]Klein S A. Calculation of monthly average in solution on tilted surfaces[J]. Solar Energy,1977,19(4) :325-329.
[0011] [4]Hay J E. . Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surface[J]. Solar Energy,1979,23 (4) :301-307.
[0012] [5]Klucher T M. Evaluation of models to predict insulation on tilted surfaces[J]. Solar Energyl979,23(2) :111-114.
[0013] [6]Perez R, Stew art R.Arbogast C. An anisotropic hourly diffuse radiation model for sloping surfaces :description， performance validation, site dependency evaluation[J]. Solar Energy,1986,36(6) :481-497.
[0014] [7]G.M.Master, renewable and efficient electric power systems[M]. Hoboken, NJ ：John Wiley&Sons, 2004.
[0015] [8]陳閩江.光伏發(fā)電系統(tǒng)的蒙特卡羅序貫仿真和可靠性分析[D].合肥：合肥工 業(yè)大學(xué)，2004.
[0016] [9]葛業(yè)斌，張步涵，顏秋容.光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率分布模型研究[J].湖北工業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,27(1) :14-18.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光 伏出力模型建模方法，所建立的光伏出力模型既可反映光伏出力隨著季節(jié)變化和晝夜交替 表現(xiàn)出的規(guī)律性，又可反映因天氣等因素影響表現(xiàn)出的波動(dòng)性和不確定性，使光伏出力更 符合實(shí)際情況。
[0018] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0019] 本發(fā)明提供一種反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法，所述 方法包括以下步驟：
[0020] 步驟1 :確定太陽輻射強(qiáng)度變化特性；
[0021] 步驟2 :建立考慮太陽輻射強(qiáng)度變化特性的太陽輻射強(qiáng)度模型；
[0022] 步驟3 :建立光伏陣列輸出功率模型。
[0023] 所述步驟1中，太陽輻射強(qiáng)度變化特性分為太陽輻射強(qiáng)度年變化特性和太陽輻射 強(qiáng)度日變化特性。
[0024] 太陽全年輻射總量從赤道向兩極遞減：緯度越高，輻射總量越小；對(duì)于確定緯度 的觀測點(diǎn)，采用地表水平面上的太陽輻射日總量的變化情況描述太陽輻射強(qiáng)度的年變化 特性；太陽輻射日總量主要取決于太陽赤緯角S，即太陽光線與地球赤道面的交角，由 Cooper方程近似計(jì)算，有：
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法，其特征在于：所述方法 包括以下步驟： 步驟1 :確定太陽輻射強(qiáng)度變化特性； 步驟2 :建立考慮太陽輻射強(qiáng)度變化特性的太陽輻射強(qiáng)度模型； 步驟3 :建立光伏陣列輸出功率模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：所述步驟1中，太陽輻射強(qiáng)度變化特性分為太陽輻射強(qiáng)度年變化特性和太陽 輻射強(qiáng)度日變化特性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：太陽全年輻射總量從赤道向兩極遞減：緯度越高，輻射總量越小；對(duì)于確定緯 度的觀測點(diǎn)，采用地表水平面上的太陽輻射日總量的變化情況描述太陽輻射強(qiáng)度的年變 化特性；太陽輻射日總量主要取決于太陽赤緯角S，即太陽光線與地球赤道面的交角，由 Cooper方程近似計(jì)算，有：
其中，η為累計(jì)天數(shù)，即一年中1月1日算起的天數(shù)，η = 1，2，…，365。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：太陽每天輻射強(qiáng)度的變化主要受太陽高度影響，太陽高度由太陽高度角h來 表征，是指太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，表示為： h = arcsin (sin Φ sin δ +cos Φ cos δ cos ω) 其中，Φ為緯度；δ為太陽赤緯角；ω為太陽時(shí)角，正午時(shí)為〇,每隔1小時(shí)變化15°， 且上午為正，下午為負(fù)；由上式可知太陽輻射強(qiáng)度正午時(shí)最大，早晚較小，夜間為零，晴天情 況下大致呈對(duì)稱的單峰型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：所述步驟2中，將太陽輻射強(qiáng)度分解為不考慮天氣因素的確定性部分和反映 天氣因素的隨機(jī)性部分；前者采用理想晴空太陽輻射強(qiáng)度模型描述太陽輻射強(qiáng)度年變化特 性和日變化特性，后者采用隨機(jī)變量描述天氣因素的影響，并基于設(shè)定時(shí)段內(nèi)光伏陣列獲 得的太陽實(shí)際輻射強(qiáng)度確定形狀參數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：所述理想晴空太陽輻射強(qiáng)度模型中，光伏陣列上接受到的太陽輻射總量包括 太陽直接輻射、天空散射輻射和地面反射輻射；光伏陣列的太陽直接輻射強(qiáng)度、天空散射輻 射強(qiáng)度和地面反射輻射強(qiáng)度分別用I TC、和1%表示，且有：
其中，為太陽方位角，即太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角；Φ。為光 伏陣列方位角，即光伏陣列垂直面與正南方向的夾角，向東為負(fù)，向西為正；Θ為光伏陣列 的傾角，即光伏陣列與水平面之間的夾角；h為太陽高度角；P為地面反射率；C為散射系 數(shù)，表示為：
IB為太陽光線垂直地面上的直射強(qiáng)度，表示為：
其中，m為大氣質(zhì)量，且
k為光學(xué)厚度，且
于是，光伏陣列上接受到的太陽總輻射強(qiáng)度L表示為： Ic - IbC+IdC+IrC°
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：采用貝塔分布描述設(shè)定時(shí)段內(nèi)光伏陣列上的太陽輻射強(qiáng)度受天氣因素的影 響，于是貝塔分布的概率密度函數(shù)為：
其中，I為設(shè)定間段內(nèi)的太陽實(shí)際輻射強(qiáng)度；L為設(shè)定時(shí)段內(nèi)太陽最大輻射強(qiáng)度，即理 想晴空太陽輻射強(qiáng)度；α和β為貝塔分布的形狀參數(shù)，Γ為Gamma函數(shù)； 貝塔分布的數(shù)學(xué)期望μ和方差σ2分別表示為：
由貝塔分布的數(shù)學(xué)期望μ和方差σ 2確定貝塔分布的形狀參數(shù)α和β，α和β分 別表示為：
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的反映太陽輻射強(qiáng)度變化特性的光伏出力隨機(jī)模型建模方法， 其特征在于：所述步驟3中，光伏陣列的輸出功率取決于太陽輻射強(qiáng)度、光伏陣列面積和光 電轉(zhuǎn)化效率；對(duì)于具有Μ個(gè)電池組件的光伏陣列，第m個(gè)電池組件的面積和光電轉(zhuǎn)換效率分 別用A"^P nm表示，其中m=l，2，"·，Μ，則光伏陣列的輸出功率？3()1"為：

其中，A和il分別為電池組件的總面積和光電轉(zhuǎn)換效率。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK104218574SQ201410438587
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】梁雙, 黃峰, 黃鑌, 朱寧, 張東霞, 梁才浩, 曾平良, 秦曉暉 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院, 中國國際工程咨詢公司