并网光伏电站的发电可靠性评估_汪海瑛

第 36 卷 第 10 期 电 网 技 术 Vol. 36 No. 10 2012 年 10 月 Power System Technology Oct. 2012 文章编号： 1000-3673（ 2012） 10-0001-05 中图分类号： TM 614 文献标志码： A 学科代码： 470· 4054并网光伏电站的发电可靠性评估汪海瑛 1，白晓民 2，马纲 3 （ 1．强电磁工程与新技术国家重点实验室 (华中科技大学 )，湖北省 武汉市 430074 ；2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192 ；3．国电电力宁夏风电开发有限公司，宁夏回族自治区 银川市 750001 ）Reliability Assessment of Grid-Integrated Solar Photovoltaic SystemWANG Haiying 1, BAI Xiaomin 2, MA Gang 3(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 3. GD Power Ningxia Wind Power Development Co., Ltd.,Yinchuan 750001, The Ningxia Hui Autonomous Region, China)ABSTRACT: Solar photovoltaic (PV) power is a kind of promising renewable energy generation technology, which is expected to replace traditional fossil fuel-fired power generation after wind power. Its operational characteristics, which are different from conventional generation, make the difference between the method to assess generation adequacy of power grid containing PV generation system and of those only containing conventional generation. Based on sequential Monte Carlo method and comprehensively considering main factors influencing PV power output, such as the time-varying solar irradiance, power output characteristics of solar panels, annual variation characteristics of ambient temperature, configuration of PV generation station and so on, a generation reliability assessment model for PV generation station is built. Developing a program for reliability analysis by Matlab and adding above-mentioned model into RBTS to perform simulation, the system reliability of power grid after grid-integration of PV station is assessed. Besides, based on the simulation results, the peak load carrying capability is researched, thus an objective assessment on reliability benefit of grid-integrated PV station can be given. KEY WORDS: photovoltaic generation system; reliability; Monte Carlo simulation; peak load carrying capability 摘要： 太阳能光伏发电是继风力发电后另外一个被寄予厚望以代替传统发电的可再生能源发电技术。 它异于常规电源的运行特性使得关于它的系统发电充裕度评估技术与传统方法有所不同。 基于序贯蒙特卡洛方法， 综合考虑影响光伏功率输出的主要因素： 太阳光辐照度的时变特性、 光伏面板的输出功率特性、 环境温度的年度变化特性和光伏电站的配置等，建立了光伏电站的发电可靠性评估模型。在 Matlab 中编制程序， 并将上述模型加入 RBTS 可靠性测试系统中进行仿真计算， 评估增加光伏后的系统可靠性， 同时在该结果基础之上对系统承载峰荷能力进行研究， 从而给出并网光伏可靠性收益客观评价。 关键词： 光伏发电系统；可靠性；蒙特卡洛仿真；峰荷承载能力0 引言光伏发电是继风力发电后最有潜力实现规模化发展和应用的可再生能源发电技术 [1]。根据我国可再生能源发展的十二五规划，中国到 2015 年将形成 5GW 的并网太阳能发电能力，最近这一目标又被调整为 10GW [2]。 而欧盟则计划到 2050 年， 整个欧洲能源消耗的 19%~27%都由光伏提供 [3]。光伏发电也存在着间歇性与随机性的特点，所以为准确衡量光伏发电带给电网的收益，并对它的价值进行客观评价，必须建立适当的模型对含光伏系统可靠性进行评估。目前，进行可靠性评估的主要方法有解析法与模拟法 [4-5] 。 解析法的关键在于机组容量停运概率模型的建立，文献 [6-7] 就是采用了解析法对光伏发电系统进行可靠性评估。使用解析法进行可靠性评估最主要的缺点是不能将光伏这种可再生能源发电系统的时序特性考虑进来， 因此也就无法准确评估它的随机时变特性对于功率输出及与频率相关指标的影响。所以本文采用序贯蒙特卡洛模拟方法，综合考虑光照强度、环境温度和光伏电池功率转换特性等因素对光伏发电系统进行可靠性建模，然后对含有光伏的系统发电充裕度进行评估，并在该结果的基础上进一步研究 并 入 光 伏 后 系 统 峰 荷 承 载 能 力 (peak load carrying capability ， PLCC) 的变化。DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2012.10.0132 汪海瑛等：并网光伏电站的发电可靠性评估 Vol. 36 No. 10 1 光伏电站的可靠性建模1.1 辐照度建模光伏发电是利用光生伏打效应将太阳的辐射能直接转化为电能的能源变换系统。决定光伏功率输出的主要因素是到达地面或者说光伏组件的辐照度 (也称为辐射通量密度 )、环境温度及电池能量转换特性，因此光伏的功率输出极大地依赖于电站安装地的地理位置和气候条件，对其进行可靠性建模也分这几个步骤进行。太阳能来自于太阳内部由于高温高压条件而不断发生的核聚变反应，它以辐射的形式到达地球。进入地球大气层之前的太阳辐射 I E0 被称为地外辐射，它受日地天文关系影响而以年为周期发生变化，它的计算关系 [8] 如式 (1)所示：E0 SC d360[1 0.033cos( )]365I I n= + (1) 式中： I SC 代表太阳常数， 根据世界气象组织发布的数值，它的取值范围为 1367± 7 W/m 2； nd为该天在一年中的顺序数。假定 IE0 未受大气影响全部到达地面，那么由于太阳光线与光伏阵列表面法线间存在夹角， 而能被有效吸收的那部分能量 I 0只与跟面板垂直的分量相关，所以必须先计算该入射角大小。水平搁置的面板入射角按下式计算：hcos cos cos cos sin sinθ ? δ ω ? δ= + (2) 式中： θ h 代表水平面太阳的入射角； ?为光伏安装所在地纬度； δ 为太阳赤纬； ω 为太阳时角。那么到达该面板的有效能量就将按式 (3)进行计算： 0 E0 hcosI I θ= (3)在实际情况中，地外辐射 IE0 进入大气层之后，由于受云层和大气尘埃等的吸收、散射和反射作用等影响，到达地面的辐射 I t 出现衰减，这一衰减程度可由每 h 晴空指数 (hourly clearness index) kt[9]来表征：t t 0/k I I= (4) 式中 I t 是水平地面上接受到的太阳总辐射，它由直接辐射和散射辐射 2 个部分组成。当光伏面板与地面之间有了倾角 β 后，由于地面反射和入射角变化等的作用，光伏面板上所接受的太阳辐射能计算关系发生了变化，如式 (5)所示 [10] ：b b d t1 cos 1 cos( ) ( )2 2I I R I Iβ βρβ+ -= + + (5) 式中： Ib 和 Id 分别代表直接辐射和散射辐射； Iβ 代表倾角为 β 的光伏面板单位面积上接受到的辐照度；对于双轴跟踪系统，每个时刻光伏面板的倾角取该时刻太阳高度角的余角 [11]； ρ 代表地表反射率；Rb 表示斜面和水平面上接受到的直接辐射比值， 其值按照式 (6)进行计算：b hcos /cosR θ θ= (6) 式中 θ 代表斜面上的入射角。此外每 h 散射辐射与水平地面总辐射的比值可表示为晴空指数的函数，如式 (7)所示 [12]：t tdt ttt1.0 0.249 , 0 0.351.557 1.84 , 0.35 0.750.177, 0.75k kIk kIk- ≤