光伏發(fā)電出力特征提取及區(qū)域集群聚合特性

光伏發(fā)電出力特征提取及區(qū)域集群聚合特性蘇適;陸海;嚴(yán)玉廷;楊家全【摘要】研究光伏電站及其集群聚合的出力特性是實(shí)現(xiàn)光伏功率分類建模預(yù)測和區(qū)域光伏集群劃分的前提和基礎(chǔ)，對促進(jìn)區(qū)域電網(wǎng)大規(guī)模光伏發(fā)電的充分消納具有重要作用.以單個(gè)光伏電站與區(qū)域光伏發(fā)電集群為對象，從光伏發(fā)電出力特征提取與區(qū)域光伏集群聚合特性分析兩個(gè)層面開展研究.首先在分析大量光伏發(fā)電出力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對單個(gè)光伏電站的出力特征，分別提出三個(gè)整體性指標(biāo)來刻畫光伏出力曲線的總體形狀和兩個(gè)局部性指標(biāo)來進(jìn)一步精細(xì)化描述不同時(shí)間段的具體出力特點(diǎn);其次，針對區(qū)域集群光伏電站定義了平滑效應(yīng)系數(shù)量化光伏電站集群聚合后的平滑效應(yīng)，提出了不一致性系數(shù)來表征平滑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理;然后建立了平滑效應(yīng)系數(shù)與區(qū)域電站個(gè)數(shù)、集群區(qū)域直徑之間的多項(xiàng)式關(guān)系模型;利用云南某地區(qū)多個(gè)光伏電站大量實(shí)測數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果表明,不僅提取的特征能較為準(zhǔn)確刻畫單個(gè)光伏電站的出力特點(diǎn)，提出的區(qū)域聚合分析模型還可進(jìn)一步精確量化描述區(qū)域光伏集群的整體聚合特性.【期刊名稱】《云南電力技術(shù)》【年(卷)，期】2018(046)001【總頁數(shù)】9頁(P86-94)【關(guān)鍵詞】特征提取;集群聚合;平滑效應(yīng);不一致性系數(shù)【作者】蘇適;陸海;嚴(yán)玉廷;楊家全【作者單位】云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217;云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217;云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217【正文語種】中文【中圖分類】TM740前言隨著全球化石能源的緊缺，清潔、可再生、蘊(yùn)藏量大的太陽能得到了快速的發(fā)展［1］。但由于太陽能具有間歇性、隨機(jī)性與波動性的特點(diǎn)［2］，光伏發(fā)電輸出功率的波動勢必給大規(guī)模電站集中并網(wǎng)帶來困難［3］。通過對光伏發(fā)電出力曲線進(jìn)行科學(xué)描述，電網(wǎng)調(diào)度人員可以較為準(zhǔn)確地掌握光伏出力特性規(guī)律，對平抑光伏出力波動，減小并網(wǎng)難度具有一定意義。因此，分析與掌握光伏發(fā)電的輸出特性是解決光伏電站集中并網(wǎng)問題的基礎(chǔ)與前提［4］。隨著大量光伏電站投入運(yùn)行，對光伏電站出力的數(shù)據(jù)分析工作也逐漸開展，但研究尚未形成一套科學(xué)的出力特性描述體系?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要從單個(gè)電站出力特性量化描述與集群光伏電站特性分析兩個(gè)角度對光伏出力進(jìn)行研究。在單個(gè)電站出力特性量化描述方面，文獻(xiàn)［5］提出了平均波動強(qiáng)度、反向波動次數(shù)以及移動波動密度三個(gè)指標(biāo)來對單個(gè)光伏電站的出力波動性進(jìn)行描述，文獻(xiàn)提出了出力波動的量化方法，但對波動性的計(jì)算仍不夠精確。文獻(xiàn)［6］將光伏出力分為確定部分和不確定部分，并提出了遮擋因子的概念來表征光伏出力中的不確定因素，該文獻(xiàn)通過對不確定性分析形成了比較完整的模型描述，具有一定的創(chuàng)新性。文獻(xiàn)［7-8］從不同時(shí)間尺度對光伏出力波動進(jìn)行量化研究，其中文獻(xiàn)［8］著重于研究不同時(shí)間尺度下光伏出力波動的概率密度擬合，對出力波動量化的研究較少。文獻(xiàn)［9］指出光伏電站可以通過光伏電站中太陽能電池板的數(shù)目與分散因數(shù)來量化電站的波動特性，但研究結(jié)果只適用光伏電站各太陽能電池板的大小、分布方向與空間間隔均相同的條件下，難以推廣。在光伏電站集群聚合特性研究方面，文獻(xiàn)［10］研究指出了隨著光伏電站集群規(guī)模的擴(kuò)大，集群整體的出力將逐漸趨于平滑，但文獻(xiàn)中缺少對集群電站出力平滑效應(yīng)的定量描述。現(xiàn)有文獻(xiàn)對集群光伏電站特性研究較少，而同樣具有隨機(jī)性、間歇性與波動性的風(fēng)力發(fā)電，其集群出力特性的研究相比之下較為成熟。文獻(xiàn)［11］給出了風(fēng)電場平滑效應(yīng)的量化方法，并從風(fēng)電場出力之間相關(guān)系數(shù)的角度解釋了平滑效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)在原因。文獻(xiàn)［12-13］指出風(fēng)電場平滑效應(yīng)隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大、風(fēng)電場數(shù)目的增多而增強(qiáng)。文獻(xiàn)［14］采用平滑效應(yīng)系數(shù)來描述不同空間尺度下風(fēng)電場的出力波動的變化規(guī)律。現(xiàn)有研究提出的光伏電站出力描述指標(biāo)較為籠統(tǒng)，大部分研究沿用了風(fēng)電出力特性描述的思路，未考慮光伏獨(dú)有的出力特性，因此有待對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外，光伏電站集群聚合出力特性的研究尚停留在定性分析層面，缺乏定量研究。本文以單個(gè)光伏電站與區(qū)域光伏發(fā)電集群為對象，針對單個(gè)站點(diǎn)出力曲線進(jìn)行特征提取，研究其特性評價(jià)指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上針對區(qū)域光伏集群聚合特性進(jìn)行分析，研究集群聚合平滑效應(yīng)的量化指標(biāo)，并揭示平滑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，通過實(shí)際數(shù)據(jù)研究區(qū)域電站數(shù)量和區(qū)域直徑與平滑效應(yīng)之間關(guān)系，得到的擬合關(guān)系式可用于光伏電站規(guī)劃選址，也可為光伏集群劃分提供參考。本文研究流程圖如圖1所示。圖1研究流程圖1光伏電站出力特征提取光伏電站的出力特性分布具有一定的規(guī)律，采用相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系對光伏電站出力特性進(jìn)行科學(xué)的描述，有利于運(yùn)行調(diào)度人員準(zhǔn)確掌握光伏電站出力的日波動規(guī)律，對提高光伏發(fā)電分類預(yù)測精度，減小大規(guī)模光伏電站集中并網(wǎng)的影響具有一定意義。與風(fēng)電出力特性不同，光伏出力特性由固有波動性與隨機(jī)波動性兩部分組成［6］，為了對光伏發(fā)電出力特性進(jìn)行科學(xué)描述，本文對光伏電站出力提取如下特征，以形成光伏出力特性評價(jià)指標(biāo)：1.1日平均出力式中，n為晝間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；為光伏電站的輸出功率序列；為光伏電站的裝機(jī)容量。日平均出力特征描述的是光伏電站的日平均出力水平，該指標(biāo)與天氣類型相關(guān)，不同的天氣類型下光伏出力的大小存在較大不同，如圖2所示，陰天、雨雪天氣云層遮擋作用較強(qiáng)，光伏電站出力水平不高，日平均出力僅為0.236與0.049，晴天地表太陽輻照度較高，出力水平較高，日平均出力達(dá)到0.436。圖2不同天氣條件下的光伏輸出功率曲線1.2日出力分布偏度式中，SKPday表示偏度值。日出力分布偏度表征光伏電站當(dāng)日出力分布的偏斜程度，無云層遮擋等影響的光伏出力曲線，相對于正態(tài)分布，其出力分布峰度偏向較大數(shù)值方向，偏度為負(fù)值［15］，隨著遮擋作用的逐漸增強(qiáng)，曲線整體的波動逐漸增大，光伏出力分布向低輸出功率方向偏移，偏度值逐漸增加。如圖3所示，第一張子圖中曲線a、b出力平滑，偏度分別為-0.42和-0.39，而第二張子圖中出力波動劇烈，曲線c、d偏度值較上述數(shù)值均有較大增加，達(dá)到0.46和0.64。光伏出力分布曲線的偏度是表征出力曲線整體波動劇烈程度的統(tǒng)計(jì)特征，曲線出力波動越劇烈，其出力分布偏度值越大，出力曲線波動與出力分布偏度值的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。圖3不同波動狀況下日出力分布偏度對比圖圖4出力曲線波動情況與出力分布偏度對應(yīng)關(guān)系1.3日平均波動率光伏出力本身呈現(xiàn)拋物線形的波動，這是其本身固有的波動特性，受到云層遮擋等方面的影響，光伏出力會在固有波動的基礎(chǔ)上產(chǎn)生隨機(jī)波動，若仍采用普通統(tǒng)計(jì)指標(biāo)提取其出力波動性特征，則難以區(qū)分固有波動特性與隨機(jī)波動特性［6］，此外，日出力分布偏度是表征出力曲線波動的劇烈程度的統(tǒng)計(jì)特征，缺乏對日波動量的具體描述，因此本文提出有效波動率的概念來對光伏出力的波動水平進(jìn)行描述。如圖5所示，本文定義光伏出力曲線中，與固有波動方向相反的出力曲線波動為有效波動，每次有效波動的極小值點(diǎn)與其相鄰最近的極大值點(diǎn)功率差值的絕對值為該次波動的有效波動量，記為，則日平均有效波動率。可以按下式計(jì)算：圖5有效波動示意圖式中，N為有效波動的次數(shù)。日平均有效波動率是表征光伏電站當(dāng)日出力波動情況的重要特征，間接反映天氣狀態(tài)的變化情況。該特征的值越小，表示光伏電站出力的當(dāng)日平均波動性越小，天氣狀態(tài)越穩(wěn)定。以上提取的三個(gè)特征對光伏電站出力曲線的整體形狀進(jìn)行了描述，共同構(gòu)成了描述光伏出力特性的整體性指標(biāo)。但整體性指標(biāo)的平均效果會掩蓋曲線的局部特征，尤其在具有多種天氣狀態(tài)的情況下（例如：晴轉(zhuǎn)多云、陰轉(zhuǎn)晴等），僅依靠以上整體性指標(biāo)無法準(zhǔn)確表征不同時(shí)間段光伏的出力特點(diǎn)，需要分段指標(biāo)進(jìn)—步精細(xì)化描述。光伏出力曲線具有對稱特性，其對稱的兩時(shí)段提取得到的特征具有可比性，通過兩時(shí)段特征的計(jì)算對比，可得到各時(shí)段曲線的局部特點(diǎn)，因此本文根據(jù)光伏電站理論出力的最大值點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻作為分界點(diǎn)，將光伏出力曲線分為上午時(shí)段與下午時(shí)段，并提取以下分段特征來表征出力曲線的局部特點(diǎn)。1.4子時(shí)段平均出力式中，m為上午時(shí)段采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；分別表示上下午時(shí)段的平均出力。該特征可以分時(shí)段確定出力曲線大致的幅值大小，有助于實(shí)現(xiàn)對多天氣狀態(tài)下光伏出力更加精確化的科學(xué)描述。1.5子時(shí)段波動率的均值、極大值式中，S1,S2分別表示上午與下午時(shí)段有效波動率序列°l,q表示上午與下午時(shí)段有效波動次數(shù)。子時(shí)段波動率的均值、極大值可分別表示為：式中，T=1時(shí)各式表示上午時(shí)段各指標(biāo)；T=2時(shí)表示下午時(shí)段各指標(biāo)表示子時(shí)段的平均波動率。若某時(shí)段平均波動率較高，說明在此時(shí)段光伏電站受云層移動等天氣變化的影響整體較大。可以描述子時(shí)段波動的最大程度，該特征值越大，說明該時(shí)段光伏出力的波動對電網(wǎng)的沖擊越大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。2區(qū)域電網(wǎng)光伏發(fā)電集群聚合特性分析近年來，隨著光伏電站數(shù)量迅速增多，其并網(wǎng)形式從原有的單個(gè)電站并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域內(nèi)光伏電站的集中并網(wǎng)，同一區(qū)域內(nèi)光伏電站的集合也通常被稱為光伏電站集群。對光伏電站集群出力特性的分析是提高區(qū)域光伏發(fā)電預(yù)測精度，減小并網(wǎng)困難的重要步驟［16］。由于區(qū)域內(nèi)各場站所處空間位置上的差異，光伏電站集群輸出總功率的波動會隨著空間尺度的增加而有所降低，這種光伏電站集群聚合特性即為光伏電站的空間平滑效應(yīng)。2.1風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電集群聚合特性對比同樣具有間歇性、隨機(jī)性與波動性的風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電，其集群聚合特性具有一定的相似性但又不盡相同。從集群聚合特性產(chǎn)生原因來看，二者均由區(qū)域內(nèi)各場站所處空間位置上的氣象差異所引起，而區(qū)域電站數(shù)量以及區(qū)域地理范圍是主導(dǎo)空間差異的兩個(gè)主要因素，因此風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的集群聚合特性均與這兩個(gè)因素緊密相關(guān)。由于風(fēng)能資源全天存在，風(fēng)力發(fā)電受晝夜變化影響不大，隨著平滑效應(yīng)的增強(qiáng)，風(fēng)電集群的出力特性趨于全天恒定出力（如圖6所示）。與之相比光伏發(fā)電出力受其固有波動的影響較大，出力曲線大致呈現(xiàn)〃單峰”分布，其平滑效應(yīng)本質(zhì)上是區(qū)域光伏電站集群聚合后，對集群中各電站隨機(jī)波動的平滑效果。因此，隨著平滑效應(yīng)的增強(qiáng)，集群出力特性會形成較為平滑的出力曲線，有利于減少單個(gè)電站出力波動對電網(wǎng)造成的影響，但曲線仍保持固有的〃單峰”波形基本不變（如圖7所示）。圖6風(fēng)電場集群聚合特性示意圖圖7光伏發(fā)電集群聚合特性示意圖2.2平滑效應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)光伏電站集群中單個(gè)電站的出力波動性特性可用1.1中定義的日平均出力有效波動率來衡量，對于集群聚合的出力平滑效應(yīng)本文定義光伏電站平滑效應(yīng)系數(shù)來衡量，平滑效應(yīng)系數(shù)計(jì)算式如下：式中，表示集群中第l個(gè)電站的有效波動率；osingle表示集群總出力的有效波動率；M表示集群中電站的個(gè)數(shù)。和luster大于1,說明光伏電站集群出力相對于各單個(gè)光伏電站具有平滑效果，且Cluster越大，說明功率波動的平滑效果愈顯著。2.3平滑效應(yīng)的影響因素分析不同風(fēng)電場間輸出功率序列的相關(guān)性系數(shù)通常可以用來表征風(fēng)電場平滑效應(yīng)的大小。如果兩個(gè)風(fēng)電場輸出功率序列具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，其出力波動的疊加效果會加劇風(fēng)電場群出力的波動。若兩電場輸出功率序列相關(guān)性較弱或不存在相關(guān)性，其出力波動會在一定程度上相互抵消，減小整體出力波動，呈現(xiàn)出平滑的效果［11］?，F(xiàn)有風(fēng)電場集群聚合效應(yīng)的相關(guān)研究雖然較多，但無法直接將其推廣應(yīng)用于光伏電站。因?yàn)楣夥l(fā)電出力曲線總體趨勢是先上升后下降，實(shí)際光伏電站出力的空間相關(guān)性主要受這種固有波動性的影響［6］，隨機(jī)波動的影響作用相對較小，這就使得實(shí)際計(jì)算得到的相關(guān)性系數(shù)較大，不符合實(shí)際情況，因此本文提出了光伏出力不一致性系數(shù)K來衡量兩個(gè)光伏電站出力變化中隨機(jī)波動的不相關(guān)性［17］，以此來表征光伏電站的平滑效應(yīng)，其計(jì)算公式如下：其中，P1,P2表示兩個(gè)不同的光伏電站的出力序列，fi(P1,P2)的表達(dá)式如下：其中，fi(P1,P2)表示在第i=1個(gè)采樣點(diǎn)與第i個(gè)采樣點(diǎn)之間兩光伏電站出力曲線趨勢的不一致性，如圖8所示，兩采樣點(diǎn)間二者出力曲線趨勢不一致時(shí)fi(P1,P2)取1，反之取0。不一致性系數(shù)K表示兩出力曲線上趨勢不一致的采樣間隔個(gè)數(shù)占總間隔個(gè)數(shù)的比值，是一個(gè)大于0小于1的數(shù)，由于兩出力曲線的固有波動具有相同的趨勢，針對該波動不一致性系數(shù)為0，該指標(biāo)僅反映隨機(jī)波動的影響，因此可用來解釋電站集群聚合的平滑效應(yīng)，K值越大說明這兩個(gè)光伏電站集群聚合的平滑效應(yīng)越好。由于光伏出力曲線的總體趨勢是先上升后下降的，因此不存在兩條完全互補(bǔ)的出力曲線，換言之任意兩條出力曲線的不一致性系數(shù)不可能達(dá)到1。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)不一致性系數(shù)接近0.5時(shí)就可認(rèn)為它們之間的相關(guān)性較差，互補(bǔ)性較好。圖8不一致性示意圖3仿真算例為驗(yàn)證本文提取的整體、局部特征對實(shí)際光伏出力曲線的描述效果，以及光伏發(fā)電集群聚合特性分析理論在實(shí)測數(shù)據(jù)上的應(yīng)用效果，本章對前述理論采用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算所采用數(shù)據(jù)為云南某地區(qū)A~E五個(gè)光伏電站的實(shí)測數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)的采集時(shí)間段為2015年3月至2016年3月，采樣時(shí)間間隔為15min。3.1單個(gè)光伏電站出力特性實(shí)例分析以云南某地區(qū)B、C兩電站的輸出特性曲線進(jìn)行實(shí)例計(jì)算分析。圖9分別為兩電站2015年3月1日的輸出功率曲線。從圖9可以看出，B電站當(dāng)日全天出力均有波動，波動分布較為平均。C電站在上午時(shí)段出力平穩(wěn)，但下午由于天氣狀態(tài)的改變（如晴轉(zhuǎn)多云）光伏出力曲線具有比較劇烈的波動，以本文提取的特征對兩條曲線進(jìn)行描述，指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1。從表1中可以看出兩電站平均出力基本相同，日平均波動率數(shù)值反應(yīng)兩曲線出力波動總量相近，但從出力分布的偏度可以看出C電站曲線的波動程度略為劇烈。由于并無出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)晴等天氣，B電站出力曲線上下午時(shí)段較為對稱，各時(shí)段平均出力十分接近，C電站上午時(shí)段平均出力略高于下午。從子時(shí)段波動率均值以及最大值可看出，B電站全天均有少量云層遮擋，上下午均有波動，波動分布較為均勻。圖9B、C兩電站2015年3月1日出力曲線C電站上午時(shí)段曲線光滑平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯波動，平均波動率較低僅為0.008，波動率極大值也僅為0.01，而下午時(shí)段由于天氣狀態(tài)的變化使得C電站出現(xiàn)較為劇烈的出力波動，波動率均值為0.133，最大波動率達(dá)到了0.174，此時(shí)該電站出力的劇烈波動會對電網(wǎng)造成較大影響。兩曲線整體形狀相似，整體特征較為相近，但從局部特征的計(jì)算結(jié)果來看，二者對電網(wǎng)的影響相差很大，應(yīng)按照不同出力情況處理。表1兩出力曲線指標(biāo)計(jì)算結(jié)果布偏度子時(shí)段平均出力子時(shí)段波動率波動率均值波動率極大值上午下午上午下午上午下午B電站0.3670.068-0.2940.3780.3660.0480.0830.0800.105C電站0.3610.078-0.0570.4150.3310.0080.1330.0100.174電站名稱整體性指標(biāo)局部性指標(biāo)日平均出力日出力分日平均波動現(xiàn)有的光伏出力描述體系一般只計(jì)算電站的日平均出力以及日平均波動率，且日平均波動率是以輸出功率歸一化后的一階差分均值來表示。按照該方法計(jì)算可得B電站與C電站日平均波動率分別為0.044與0.048，二者數(shù)值基本相同，無法進(jìn)行區(qū)分。由前述可知，兩類曲線對電網(wǎng)的影響大不相同，若按照同一標(biāo)準(zhǔn)處理，將對電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行造成較大的影響。因此，與現(xiàn)有指標(biāo)相比本文提取的特征指標(biāo)更加精細(xì)，可辨識多天氣狀況下的不同電站出力特性，對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員具有較大的參考價(jià)值。3.2集群光伏電站出力特性分析光伏出力的平滑效應(yīng)主要是由空間分布上的氣象資源差異引起的，而影響空間分布交攵應(yīng)有兩個(gè)主導(dǎo)因素：光伏電站的數(shù)目和區(qū)域地理范圍（用區(qū)域直徑表示）。本文通過計(jì)算電站集群的平滑效應(yīng)系數(shù)以及各電站之間的不一致性系數(shù)完成對平滑效應(yīng)的量化分析。以云南某地區(qū)A~E5個(gè)光伏電站為例進(jìn)行計(jì)算分析，為敘述方便分別記為PVF1~PVF5。各個(gè)光伏電站間的相對距離如表2所示。表2各個(gè)光伏電站間的相對距離（km）光伏電站PVF1PVF2PVF3PVF4PVF5PVF105.7228.6733.5753.75PVF25.72030.2029.1952.89PVF328.6730.20030.2082.41PVF433.5729.1930.20053.06PVF553.7552.8982.4153.060光伏電站選取上述5個(gè)光伏電站2015年3月19日有功出力時(shí)間序列為研究對象，5個(gè)光伏電站出力變化如圖10所示。為定量衡量不同光伏電站出力的相關(guān)性，分別計(jì)算這5個(gè)光伏電站兩兩間的趨勢不一致性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。PVF1和PVF2地理位置相距較近，僅相隔5.72km，兩者的趨勢不一致性系數(shù)為0.16，呈現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性，但是互補(bǔ)性不高；PVF1和PVF3之間的距離增大到28.67km,它們兩者的趨勢不一致性系數(shù)為0.30具有較高的互補(bǔ)性；觀察不一致性系數(shù)矩陣可知，其最大值出現(xiàn)在PVF3和PVF5之間，它們兩者相距82.41km,因此由上述分析可知區(qū)域直徑是影響光伏平滑效應(yīng)的重要因素。圖10五個(gè)光伏電站出力曲線表3光伏電站間不一致性系數(shù)矩陣光伏電站PVF1PVF2PVF3PVF4PVF5PVF100.160.300.300.42PVF20.1600.280.220.42PVF30.300.2800.320.46PVF40.300.220.3200.40PVF50.420.420.460.400光伏電站以PVF1為基礎(chǔ)，逐漸加入PVF2~5，分別計(jì)算不同光伏集群下的平滑效應(yīng)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。表中：PVF1~2表示PVF1和PVF2;PVF1~3表示PVF1、PVF2和PVF3;PVF1~4表示PVF1、PVF2、PVF3和PVF4,PVF1~5表示5個(gè)光伏電站組成的光伏電站集群?？梢钥闯觯S著光伏電站數(shù)目的增多，平滑效應(yīng)系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明隨著光伏范圍的擴(kuò)大，不同區(qū)域光伏電站的加入，總體出力平滑效應(yīng)得到了體現(xiàn)。表4平滑效應(yīng)影響因素分析光伏電站群電站數(shù)目區(qū)域直徑/kmcluster"VF1101.000PVF1~225.721.175PVF1~3328.671.362PVF1~4433.571.495PVF1~5582.411.513以五個(gè)光伏電站2015年3月2日數(shù)據(jù)為例，量化分析區(qū)域直徑、區(qū)域電站數(shù)目對光伏電站集群聚合出力特性的影響。對不同區(qū)域直徑的光伏電站集群與其相對應(yīng)的平滑效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中平滑效應(yīng)系數(shù)為各區(qū)域直徑數(shù)值下的均值。采用多項(xiàng)式擬合方法對二者關(guān)系進(jìn)行擬合。由于光伏出力的平滑效應(yīng)主要是由地理分布上的氣象資源差異引起的，而集群區(qū)域的覆蓋面積可直接反應(yīng)集群內(nèi)地理分布的差異的大小，因此，本文選取可反應(yīng)集群覆蓋區(qū)域的區(qū)域直徑二次式來與平滑效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行擬合。擬合表達(dá)式為式(13),擬合結(jié)果圖如下所示：圖11集群區(qū)域直徑與平滑效應(yīng)系數(shù)擬合結(jié)果式中d表示集群區(qū)域直徑。擬合表達(dá)式對數(shù)據(jù)擬合的誤差平方和(SSE)為0.1195，R2系數(shù)為0.9034，說明表達(dá)式具有較好的擬合效果。從曲線可以看出，在集群區(qū)域直徑較小時(shí)，電站間不一致性系數(shù)的系數(shù)較小，平滑效應(yīng)較弱。隨著集群區(qū)域直徑的擴(kuò)大，平滑效應(yīng)系數(shù)也逐漸增大，集群呈現(xiàn)較好的空間平滑效果，但當(dāng)距離達(dá)到60km后，平滑效應(yīng)會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，甚至有下降的趨勢。在擬合區(qū)域直徑與平滑效應(yīng)系數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析區(qū)域電站數(shù)量和區(qū)域直徑對平滑效應(yīng)的共同影響。仍采取多項(xiàng)式擬合，對平滑效應(yīng)系數(shù)與區(qū)域直徑以及電站數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式如式(14)，結(jié)果如圖10所示：式中d表示集群區(qū)域直徑；num表示區(qū)域電站數(shù)量。擬合表達(dá)式對數(shù)據(jù)擬合的誤差平方和(SSE)為0.037，R2系數(shù)為0.97，說明表達(dá)式可以較好地反應(yīng)平滑效應(yīng)系數(shù)與兩影響因素之間的關(guān)系。圖12平滑效應(yīng)系數(shù)與集群區(qū)域直徑、區(qū)域電站個(gè)數(shù)擬合結(jié)果從擬合結(jié)果圖可以看出隨著區(qū)域電站個(gè)數(shù)與集群區(qū)域直徑的增加，平滑效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，且平滑效應(yīng)受集群區(qū)域直徑的影響更為強(qiáng)烈。綜上所述，集群區(qū)域直徑與區(qū)域電站數(shù)量這兩個(gè)影響因子對平滑效應(yīng)有較強(qiáng)的解釋作用，三者關(guān)系的擬合結(jié)果可用于光伏電站的規(guī)劃選址，對平抑區(qū)域光伏電站整體出力波動具有一定的參考意義。此外該擬合模型也可為后續(xù)進(jìn)行光伏電站集群劃分提供理論支撐。3.3小結(jié)本章采用光伏電站實(shí)測數(shù)據(jù)對前述的光伏電站出力特征提取與區(qū)域電站集群聚合特性分析理論進(jìn)行仿真計(jì)算。驗(yàn)證了本文提取的特征指標(biāo)，可以有效地識別多天氣狀態(tài)下的不同電站出力曲線。從集群聚合出力特性的仿真分析可看出，隨著集群區(qū)域范圍的逐漸擴(kuò)大以及集群中光伏電站數(shù)目的增多，集群平滑效應(yīng)系數(shù)逐漸增大，總體出力平滑效應(yīng)得到增強(qiáng)，擬合關(guān)系式(14)得出了平滑效應(yīng)系數(shù)與區(qū)域電站數(shù)量和集群區(qū)域直徑的定量關(guān)系，三者關(guān)系的擬合結(jié)果可用于光伏電站的規(guī)劃選址，對平抑區(qū)域光伏電站整體出力波動具有一定的參考意義。光伏電站特征提取得到的指標(biāo)可用于單站發(fā)電功率預(yù)測分類建模的數(shù)據(jù)篩選過程，能夠有效區(qū)分不同類型特性對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，對于提高分類預(yù)測精度具有一定意義。作為單電站特征提取分析工作的延伸，集群聚合特性分析可用于進(jìn)行區(qū)域發(fā)電功率預(yù)測分類建模時(shí)的數(shù)據(jù)篩選，為區(qū)域大量光伏電站集群劃分提供理論支持。4結(jié)束語本文從單個(gè)光伏電站出力特征提取與集群聚合出力特性分析兩個(gè)層面對光伏發(fā)電的輸出特性進(jìn)行研究。在單個(gè)電站層面，本文對其出力曲線進(jìn)行特征提取，形成三個(gè)整體性指標(biāo)用以刻畫曲線整體形狀以及兩個(gè)局部性指標(biāo)進(jìn)一步對局部進(jìn)行精細(xì)化描述。在集群電站層面，本文定義了平滑效應(yīng)系數(shù)來衡量電站集群的平滑性，又以光伏電站間的出力不一致性系數(shù)來表征平滑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。隨后以云南某地區(qū)五個(gè)光伏電站的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，從單個(gè)電站出力特征提取仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，本文提取的光伏電站出力特征指標(biāo)可以有效的辨識多天氣條件下的不同類別出力曲線。集群聚合出力特性分析的仿真結(jié)果表明，隨著集群區(qū)域范圍的逐漸擴(kuò)大以及集群中光伏電站數(shù)目的增多，集群平滑效應(yīng)系數(shù)逐漸增大，總體出力平滑效應(yīng)得到增強(qiáng)。本文以實(shí)際數(shù)據(jù)對平滑效應(yīng)系數(shù)與區(qū)域電站個(gè)數(shù)以及集群區(qū)域直徑的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到關(guān)系表達(dá)式(14)，該擬合關(guān)系式對于光伏電站集群效應(yīng)的量化具有一定參考價(jià)值。光伏電站出力特征提取是集群聚合特性分析的基礎(chǔ)，而集群聚合特性分析是特征提取工作的延伸，針對二者的研究對于提高單電站與區(qū)域集群電站分類預(yù)測精度具有一定意義，也為區(qū)域大量光伏電站集群劃分提供理論支持。由于實(shí)測數(shù)據(jù)中電站個(gè)數(shù)以及區(qū)域直徑的限制，集群效應(yīng)定量描述結(jié)果的精度還有待于提升，未來將依據(jù)更加豐富的光伏電站數(shù)據(jù)，綜合考慮電站間海拔差等次要地理因素，對區(qū)域集群聚合分析模型加以完善。參考文獻(xiàn)朱偉鋼,林燕梅，周蕾.太陽能光伏發(fā)電在中國的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力，2007,05:19-23.王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.胡泊，辛頌旭，白建華，等.我國太陽能能發(fā)電開發(fā)及消納相關(guān)問題研究[J].中國電力，2013,46(1):1-6.趙冬梅，尹顥涵，王建鋒.間歇性能源出力特性綜合分析體系及其應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015,9(5):7-14.ZHANGWeidong,LIUZuming.SimulationandanalysisofthepoweroutputfluctuationofphotovoltaicmodulesbasedonNRELone-minuteirradiancedata[C]//InternationalConferenceonMaterialsforRenewableEnergyEnvironment(ICMREE),August19-21,2013,Chengdu,China:21-25.張曦，康重慶，張寧，等.太陽能