一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法与流程

本发明涉及新能源及电力系统领域，具体涉及一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力计算方法。

背景技术：

随着光伏装机在电力系统中所占比例的增加，在某些时段，受电网传输通道或调峰容量等因素的影响，电力调度部门需要对光伏电站的出力进行限制。然而，由于出力受限而减少的光伏电站发电量目前还无法较为精确的统计，在一定程度上影响了对光伏电站并网情况的准确评估，进而影响太阳能资源开发的科学规划。

因此，如何设计一种能够对光伏电站在限电期间的理论出力进行评估的方法,是本领域的技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法，该方法基于实测气象数据，利用光电转换的物理模型，能够有效且准确的评估光伏电站的理论出力，使得光伏电站的实际运行有了准确且可靠的数据依据；进而保证了光伏电站的高效且可靠的运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法，所述光伏电站内包括多个光伏电池矩阵，一个所述光伏电池矩阵为一个光伏组件；所述方法包括如下步骤：

步骤1.将所述光伏电站的实测气象数据转化为所述光伏组件的有效数据；

步骤2.根据所述有效数据建立并求解光伏电池的光电转换模型，得到所述光伏电站的理论出力值。

优选的，所述步骤1，包括：

1-1.气象监测设备测量得到实测气象数据；所述实测气象数据包括实测水平辐照强度和环境温度；

1-2.将所述实测水平辐照强度转化为所述光伏组件斜面的有效辐照强度；

1-3.将所述环境温度转化为所述光伏组件的有效板面温度。

优选的，所述1-2，包括：

将所述实测水平辐照强度转化为所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e：

式中：G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；G_dn为气象监测设备测量的直射辐照强度；G_dif为气象监测设备测量的散射辐照强度；G_t为气象监测设备测量的总辐照强度；Z'为光伏组件倾角；θ_i为太阳入射角；ρ为地面反射系数。

优选的，所述1-3，包括：

将所述环境温度转化为所述光伏组件的有效板面温度T_m：

T_m＝T_a+K·G_e (2)

式中：T_m光伏组件的板面温度；T_a为环境温度；G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；K为温度修正系数；其中，K的修正方法为每年均通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K值进行修正。

优选的，所述步骤2，包括：

2-1.根据所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e及所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电流模型和最佳输出电压模型；

2-2.根据所述最佳输出电流模型和最佳输出电压模型的求解结果，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的所述光伏组件的直流输出功率模型；

2-3.根据所述光伏组件的直流输出功率模型的求解结果，建立所述光伏电池的光电转换模型中的光伏电站的理论输出功率模型；

2-4.求解所述光伏电站的理论输出功率模型，得到所述光伏电站的理论出力值。

优选的，所述2-1，包括：

a.根据所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e及所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电流I_MPP的模型；

式中：G_ref为标准太阳辐照强度，其值为1000W/m²；I_mref为光伏组件在标准工况下的最佳输出电流；ΔT为实际组件温度与标准组件温度的差，ΔT＝T_m-T_ref；T_ref为标准组件温度，其值为25℃；e为自然对数的底数，其值可取2.71828；a为补偿系数a、b、c中的一个，根据光伏组件实验数据进行拟合得到，并根据实测数据定期修正；

b.根据所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电压U_MPP的模型：

U_MPP＝U_mrefln(e+bΔG)(1-cΔT) (4)

式中：U_mref为光伏组件在标准工况下的最佳输出电压；b、c均为补偿系数，根据光伏组件实验数据进行拟合得到，并根据实测数据定期修正；ΔG为实际的辐照强度与标准辐照强度的差，且ΔG＝G_e-G_ref。

优选的，所述2-2，包括：

根据所述最佳输出电流模型和最佳输出电压模型的求解结果I_MPP和U_MPP，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的所述光伏组件的直流输出功率P_dc的模型：

P_dc＝U_MPP×I_MPP (5)。

优选的，所述2-3，包括：

根据所述光伏组件的直流输出功率模型的求解结果P_dc，建立所述光伏电池的光电转换模型中的光伏电站的理论输出功率P_ac的模型：

P_ac＝n×P_dc×K₁×K₂×K₃×K₄×η_inv (6)

式中：n为发电运行的光伏组件有效数量；K₁为光伏组件老化损失系数、且无量纲，K₁每年按照一定比例递减，K₁＝1-k×y_a，其中y_a为不同太阳能电池材料年衰减率，k为并网光伏电站投入使用的年数；K₂为光伏组件失配损失系数、且无量纲；K₃为尘埃遮挡损失系数、且无量纲；K₄为线路传输及站用电损失系数、且无量纲；每年通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K₁、K₂、K₃、K₄值进行修正；η_inv为并网逆变器效率、且无量纲，η_inv采用欧洲标准EN 50530进行等效。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法，其采用物理方法将实测水平面辐照强度转换为光伏组件斜面辐照强度，将环境温度转换为板面温度，综合考虑光伏电站的位置、不同光伏组件的特性及安装方式等因素，建立光伏电池的光电转换模型，得到光伏电站的理论功率。本发明提出的方 法基于实测气象数据，利用光电转换的物理模型，能够有效且准确的评估光伏电站的理论出力，使得光伏电站的实际运行有了准确且可靠的数据依据；进而保证了光伏电站的高效且可靠的运行。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，通过采用物理方法将实测水平面辐照强度转换为光伏组件斜面辐照强度，将环境温度转换为板面温度，综合考虑光伏电站的位置、不同光伏组件的特性及安装方式等因素，建立光伏电池的光电转换模型，得到光伏电站的理论功率。本发明提出的方法基于实测气象数据，利用光电转换的物理模型，能够有效且准确的评估光伏电站的理论出力，使得光伏电站的实际运行有了准确且可靠的数据依据；进而保证了光伏电站的高效且可靠的运行。

2、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法的流程图；

图2是本发明的评估方法的步骤1的流程示意图；

图3是本发明的评估方法的步骤2的流程示意图；

图4是本发明的一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法的应用例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法，所述光伏电站内包括多个光伏电池矩阵，一个所述光伏电池矩阵为一个光伏组件；所述方法包括如下步骤：

步骤1.将所述光伏电站的实测气象数据转化为所述光伏组件的有效数据；

步骤2.根据所述有效数据建立并求解光伏电池的光电转换模型，得到所述光伏电站的理论出力值。

如图2所示，所述步骤1，包括：

1-1.气象监测设备测量得到实测气象数据；所述实测气象数据包括实测水平辐照强度和环境温度；

1-2.将所述实测水平辐照强度转化为所述光伏组件斜面的有效辐照强度；

1-3.将所述环境温度转化为所述光伏组件的有效板面温度。

其中，所述1-2，包括：

将所述实测水平辐照强度转化为所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e：

式中：G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；G_dn为气象监测设备测量的直射辐照强度；G_dif为气象监测设备测量的散射辐照强度；G_t为气象监测设备测量的总辐照强度；Z'为光伏组件倾角；θ_i为太阳入射角；ρ为地面反射系数。

其中，所述1-3，包括：

将所述环境温度转化为所述光伏组件的有效板面温度T_m：

T_m＝T_a+K·G_e (2)

式中：T_m光伏组件的板面温度；T_a为环境温度；G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；K为温度修正系数；其中，K的修正方法为每年均通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K值进行修正。

如图3所示，所述步骤2，包括：

2-1.根据所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e及所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电流模型和最佳输出电压模型；

2-2.根据所述最佳输出电流模型和最佳输出电压模型的求解结果，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的所述光伏组件的直流输出功率模型；

2-3.根据所述光伏组件的直流输出功率模型的求解结果，建立所述光伏电池的光电转换模型中的光伏电站的理论输出功率模型；

2-4.求解所述光伏电站的理论输出功率模型，得到所述光伏电站的理论出力值。

其中，所述2-1，包括：

a.根据所述光伏组件斜面的有效辐照强度G_e及所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电流I_MPP的模型；

式中：G_ref为标准太阳辐照强度，其值为1000W/m²；I_mref为光伏组件在标准工况下的最佳输出电流；ΔT为实际组件温度与标准组件温度的差，ΔT＝T_m-T_ref；T_ref为标准组件温度，其值为25℃；e为自然对数的底数，其值可取2.71828；a为补偿系数a、b、c中的一个，根据光伏组件实验数据进行拟合得到，并根据实测数据定期修正；

b.根据所述光伏组件的有效板面温度T_m，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的最佳输出电压U_MPP的模型：

U_MPP＝U_mrefln(e+bΔG)(1-cΔT) (4)

式中：U_mref为光伏组件在标准工况下的最佳输出电压；b、c均为补偿系数，根据光伏组件实验数据进行拟合得到，并根据实测数据定期修正；ΔG为实际的辐照强度与标准辐照强度的差，且ΔG＝G_e-G_ref。

其中，所述2-2，包括：

根据所述最佳输出电流模型和最佳输出电压模型的求解结果I_MPP和U_MPP，建立并求解所述光伏电池的光电转换模型中的所述光伏组件的直流输出功率P_dc的模型：

P_dc＝U_MPP×I_MPP (5)。

其中，所述2-3，包括：

根据所述光伏组件的直流输出功率模型的求解结果P_dc，建立所述光伏电池的光电转换模型中的光伏电站的理论输出功率P_ac的模型：

P_ac＝n×P_dc×K₁×K₂×K₃×K₄×η_inv (6)

式中：n为发电运行的光伏组件有效数量；K₁为光伏组件老化损失系数、且无量纲，K₁每年按照一定比例递减，K₁＝1-k×y_a，其中y_a为不同太阳能电池材料年衰减率，k为并网光伏电站投入使用的年数；K₂为光伏组件失配损失系数、且无量纲；K₃为尘埃遮挡损失系数、且无量纲；K₄为线路传输及站用电损失系数、且无量纲；每年通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K₁、K₂、K₃、K₄值进行修正；η_inv为并网逆变器效率、且无量纲，η_inv采用欧洲标准EN 50530进行等效。

如图4所示，本发明提供一种基于实测气象数据的光伏电站理论出力评估方法的应用例，包括如下步骤：

1、测量数据的转化

根据气象监测设备在计算时间的实测水平辐照强度和环境温度，利用以下方法将水平辐照强度转化为光伏组件斜面的有效辐照强度：

式中：G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；G_dn为气象监测设备测量的直射辐照强度；G_dif为气象监测设备测量的散射辐照强度；G_t为气象监测设备测量的总辐照强度；Z'为光伏组件倾角；θ_i为太阳入射角；ρ为地面反射系数。

将环境温度转化为光伏组件的板面温度：

T_m＝T_a+K·G_e (2)

式中：T_m光伏组件的板面温度；T_a为环境温度；G_e为光伏组件斜面的有效辐照强度；K为温度修正系数，每年通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K值进行修正。

2、光伏组件输出的直流功率计算

根据光伏组件标准工况下的设备参数，计算当前气象条件下组件的最佳输出电流I_MPP和最佳的输出电压U_MPP：

U_MPP＝U_mrefln(e+bΔG)(1-cΔT) (4)

式中：

G_ref—标准太阳辐照强度，值为1000W/m²；

T_ref—标准组件温度，值为25℃；

I_mref—光伏组件在标准工况下的最佳输出电流；

U_mref—光伏组件在标准工况下的最佳输出电压；

ΔG—实际的辐照强度与标准辐照强度的差，ΔG＝G_e-G_ref；

ΔT—实际组件温度与标准组件温度的差，ΔT＝T_m-T_ref；

e—自然对数的底数，其值可取2.71828；

a、b、c—补偿系数，根据光伏组件实验数据进行拟合得到，并根据实测数据定期修正。

计算光伏组件的直流输出功率P_dc：

P_dc＝U_MPP×I_MPP (5)

3、光伏电站并网点的交流功率计算

综合考虑光伏组件的有效数量、光伏组件的老化、光伏组件的失配损失、光伏组件表面的尘埃遮挡、光伏电池板至并网点的线路传输及站用电损失、逆变器效率等因素，得到光伏电站并网点的交流功率P_ac，即光伏电站理论输出功率：

P_ac＝n×P_dc×K₁×K₂×K₃×K₄×η_inv (6)

式中：

n—发电运行的光伏组件有效数量；

P_dc—光伏组件的直流输出功率；

K₁—光伏组件老化损失系数，无量纲，每年按照一定比例递减，K₁＝1-k×y_a，其中y_a为不同太阳能电池材料年衰减率，以太阳能电池制造厂家提供的相关衰减率参数为依据，k为并网光伏电站投入使用的年数；

K₂—光伏组件失配损失系数，无量纲；

K₃—尘埃遮挡损失系数，无量纲；

K₄—线路传输及站用电损失系数，无量纲；

每年通过采集实际运行数据，利用自回归的方法对K₁、K₂、K₃、K₄值进行修正；

η_inv—并网逆变器效率，无量纲，采用欧洲标准EN 50530进行等效。

其中，太阳入射角θ_i、太阳高度角和方位角的计算过程为：

(1)太阳入射角θ_i：

cosθ_i＝cosZ'sinα+sinZ'cosαcos(γ-β)

式中：

β—太阳方位角，单位为度(°)；

α—太阳高度角，单位为度(°)；

γ—光伏组件方位角，单位为度(°)；

Z'为光伏组件的倾角，单位为度(°)；

对于固定安装的方式来说，Z'＝Z，Z为组件与水平面的夹角，γ的值为：如果电池板水平放置为0°，正南为0°，正西为90°，正北180°，正东270°；

对于东西跟踪的方式来说，Z'＝Z，γ＝β；

对于全跟踪的方式来说，Z'＝90°-α，γ＝β。

(2)太阳高度角和方位角计算公式

太阳高度角

太阳方位角

式中：

—地理纬度，单位为度(°)；

δ—赤纬角，单位为度(°)；

ω—时角，单位为度(°),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；

n—年的日序号，1月1日，n＝1，1月2日，n＝2，……，其余类推。

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，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。