论文部分内容阅读
能源问题关乎国计民生,是社会生产发展的基石。随着社会经济的高速发展,人类对能源的需求量越来越大。同时,以石油、煤炭为代表的传统化石能源的缺陷和弊端逐渐显现,大力发展新能源已成为我国的重要能源战略。近年来,可再生能源系统的装机容量呈爆发性增长,其中光伏发电的增幅最为明显。光伏组件是光伏发电系统的基石,对光伏组件进行建模分析是评估光伏发电系统在复杂工况下输出性能的重要技术手段之一。然而在实际工况下,光伏组件的衰减率很难保持一致。光伏组件衰减率的不一致性对光伏组件建模技术提出了更高的要求,如何对衰减后的光伏组件进行高精度的建模是亟待解决的问题。同时,光伏系统的输出具有明显的非线性特征,当光伏阵列被遮挡时,其最大功率点将会发生明显的偏移。为了提高光伏发电系统的经济性,需对最大功率点跟踪技术（Maximum Power Point Tracking,MPPT）进行优化。此外,相较于传统发电系统,光伏发电系统的出力高度依赖于辐照度、温度和相对湿度等气象参数。当气象参数发生突变时,光伏系统的出力将会出现较大幅度的波动。因此,亟需开展高时间分辨率的光伏功率预测研究,为电网调度部门提供准确的电源出力参考信息。光伏发电技术具有光照-出力强非线性特征,本文利用数据驱动方法,从光伏组件建模、最大功率点跟踪、光伏电站功率预测以及区域光伏出力预测四个方面开展了研究,具体研究内容如下:（1）提出了基于伏安曲线特征的五参数光伏组件模型参数提取方法。首先通过对光伏组件模型的五个参数赋予随机值建立包含大量伏安特性曲线的数据集并获取伏安特性曲线上的特征量。以伏安曲线上获取的特征量作为已知输入参量,光伏组件模型五个未知参数作为输出参量构建人工神经网络（Artificial Neural Network,ANN）训练集,以建立伏安曲线特征量与光伏组件模型中五个未知参量之间的映射关系。为了提高人工神经网络的预测精度并减小计算量,分别了计算五个参数与伏安曲线特征量之间的皮尔逊相关系数（Pearson Correlation Coefficient）,选择相关系数较高的伏安曲线特征量作为ANN模型的输入参量。最后,利用仿真和实验共同验证了五参数光伏组件模型参数提取方法的精度。本文提出的基于伏安曲线特征的五参数光伏组件模型参数提取方法能够实现光伏组件和光伏阵列在复杂工况下输出特性的离线分析和数据采集,为后续最大功率点跟踪及功率预测方法研究提供了准确的数据保障。（2）提出了基于特征映射的全局最大功率点跟踪方法（Global Maximum Power Point Tracking,GMPPT）。首先,利用多个特征点对应的特征量描述光伏阵列P-V曲线的形状特征。通过离线建模,采集了光伏阵列在不同遮挡工况下的P-V曲线,基于统计学分析确定了特征点及其对应特征量的选取规则。随后,基于ANN建立P-V曲线形状特征与全局最大功率点（Global Maximum Power Point,GMPP）之间的映射关系,通过扫描P-V曲线上几个特征点实现了全局最大功率点的快速定位。最后,结合自适应扰动观察法（Adaptive Perturbation and Observation method,P＆O）进一步实现了高精度的全局最大功率点跟踪,并通过仿真和实验对所提方法的可行性和性能进行了验证。（3）提出了基于逆变器数据驱动的光伏电站秒级功率预测方法。首先,基于粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）及统计学方法对人工神经网络结构和参数初始值进行了优化,提高了模型的收敛速度及预测精度。其次,利用辐照度矩阵描述光伏阵列的遮挡工况,并对其进行数据降维,解决了在构建ANN训练集时输入参量维度过高导致的收敛速度过慢的问题。随后,基于ANN建立光伏阵列遮挡工况与输出功率的映射关系,通过对逆变器群的输出功率进行分析,实现了光伏阵列遮挡工况的逆向推导。此外,本文引入了虚拟云图（Virtual Cloud Image）的概念,结合光伏阵列的推导遮挡工况以及位置信息构建了能够描述云团形状、厚度、运动方向和运动速度的虚拟云图。最后,结合光伏电站的布局结构实现了光伏电站秒级功率预测,并利用仿真和实验共同验证了所提功率预测方法的预测精度。（4）提出了基于数据驱动的分钟级区域光伏出力预测方法。首先,基于拉格朗日插值公式对采集的光伏电站历史数据进行了数据清洗,解决了部分光伏电站因设施不完善导致的历史出力数据缺失与失准的问题。其次,对区域内各光伏电站的出力与区域光伏出力之间相关性进行了分析,利用统计升尺度法实现了区域光伏出力预测,显著降低了算法所需数据量。随后,基于ANN优化了统计升尺度法中基准光伏电站的选取规则,有效的提高了区域出力预测精度,并解决了基准光伏电站出力波动造成的区域出力预测精度降低的难题。此外,通过集成不同时间分辨率下ANN模型的预测结果,实现了高精度的区域出力滚动预测。最后通过对区域历史实测出力数据的分析验证了所提预测方法的预测精度。本文针对现有研究的不足,在光伏组件建模、最大功率点跟踪以及光伏功率预测等方面开展了相关的研究工作,为高比例光伏接入电网打下了坚实的技术基础,为并网光伏发电系统的大规模应用提供一定理论指导。