專利名稱：以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法及系統的制作方法
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法及系統技術領域
本發明屬于光伏發電技術領域，提供一種以發電單元為基本預測單元的光伏電站發電功率預測系統，適用于由不同安裝方式發電單元混合組成或由單一種安裝方式發電單元組成的光伏電站的發電功率預測。
背景技術：
并網型光伏電站已成為光伏發電的重要應用形式。由于大規模并網型光伏電站一般不配備儲能設備，而是根據晝夜循環啟動和關閉運行，當光照、溫度、時間、季節等因素變化時，其輸出功率會表現出劇烈的波動性和間歇性。隨著越來越多的并網型光伏電站接入電網，會給電力系統的功率平衡與安全穩定運行帶來挑戰，加重電網調度的負擔。由于光伏發電具有波動性和間歇性的特點，現有電網尚不能滿足接納規模化光伏發電的要求，成為制約光伏發電大規模快速發展的主要瓶頸。光伏電站功率預測技術是解決此難題的關鍵技術之一。
光伏陣列的發電功率不僅與太陽輻射強度有關，而且也與太陽光的入射角度有關，當光線垂直于光伏陣列平面時，光伏陣列接收到的太陽輻射量最大，因此，光伏陣列的安裝運行方式對光電轉換效率有著重要影響。光伏陣列的安裝運行方式一般分為固定安裝、單軸跟蹤和雙軸跟蹤共三大類。固定安裝是指光伏陣列固定在支架結構上，不隨太陽位置的變化而移動，這種安裝方式最為簡單，但是光電轉換效率相對較低。為了提高轉換效率，可采用自動跟蹤的安裝運行方式，通過自動跟蹤系統調整光伏陣列平面的角度使其在最大程度上與太陽光保持垂直。目前常見的自動跟蹤安裝運行方式有兩大類共3種單軸跟蹤(水平單軸跟蹤、傾緯度角斜單軸跟蹤)和雙軸跟蹤。水平單軸跟蹤和傾斜單軸跟蹤只有一個旋轉自由度，雙軸跟蹤具有兩個旋轉自由度。
光伏電站一般由一系列逆變器對應的發電單元組成，整個電站的發電功率是由各發電單元的功率輸出匯聚而成。光伏電站可由不同種安裝方式或單一種安裝方式的多個發電單元組成，不同安裝方式發電單元的出力特性各異。為了實現光伏電站發電功率的準確預測，本發明提供一種以發電單元為基本預測元的光伏電站發電功率預測方法及系統。發明內容
本發明的主要目的在于提供一種以發電單元為基本預測元的光伏電站發電功率預測方法及系統，適用于由不同安裝運行方式發電單元混合組成或由單一安裝運行方式發電單元組成的光伏電站的發電功率預測，滿足電力系統調度管理部門和光伏發電企業的需求，為規模化光伏發電接入電網提供技術支持。
本發明采用如下技術方案實施。
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法，該方法的特征是，以光伏電站的基本組成單位-單個的發電單元作為基本預測元，首先預測各個發電單元的輸出功率， 然后將所有正常工作發電單元輸出功率的預測值進行累加，進而得到整個光伏電站的發電功率預測值；采集和從光伏電站監控系統讀取的數據包括各發電單元的太陽輻照度、環境溫度、組件溫度、風速、風向、氣壓、濕度。
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測系統，該系統的特征是，預測系統的硬件平臺由發電單元數據采集設備通過數據傳輸連接到關聯數據庫-發電功率預測服務器，關聯數據庫-發電功率預測服務器又分別與發電單元關聯數據庫、光伏電站監控系統數據庫服務器和數據統計分析模塊連接，發電單元關聯數據庫又與正常工作發電單元輸出功率預測模塊、各發電單元輸出功率預測值累加模塊、光伏電站發電功率預測結果模塊、能量管理系統數據接口模塊、網絡安全防護設備、電力調度數據通訊網、電網調度能量管理系統依序連接；數據統計分析模塊分別與統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊連接，統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊共同連接客戶機/Web/顯示打印；正常工作發電單元輸出功率預測模塊還依序連接有數值天氣預報接收與處理模塊、網絡安全防護防火墻、電力調度數據通信網或互聯網、數值天氣預報；同時，正常工作發電單元輸出功率預測模塊還與關聯數據庫輸入狀態變量預測信息模塊連接。
本發明的基本工作原理是利用在光伏電站現場安裝的傳感器采集各發電單元包括太陽輻照度、環境溫度、組件溫度、風速、風向、氣壓、濕度等在內的氣象參數，讀取光伏電站監控系統數據服務器中各發電單元輸出功率等電氣參數，利用“并網型光伏電站發電功率預測方法”(發明專利公開號CN1017^984A)，建立各個發電單元輸入狀態變量-輸出功率的關聯數據庫模型。利用不斷增加的實際運行數據，通過在線自學習對各個發電單元的關聯數據庫進行實時補充修正和更新，從而使關聯數據庫模型能夠記憶各種不同的運行狀態并跟隨發電單元特性的變化。此關聯數據庫即為各個發電單元輸入狀態變量與輸出功率之間關系映射的數學模型，反映了發電單元輸出功率隨輸入狀態變量變化的規律，據此模型就可由發電單元輸入狀態變量的數值確定其輸出功率的大小。不同安裝運行方式發電單元的出力特性各異，分別針對各個發電單元建立的關聯數據庫模型反映了不同安裝運行方式發電單元的出力特性，并可計及沙塵覆蓋、異常天氣、光伏陣列特性衰減等多種因素的影響。在得到輸入狀態變量的預測信息(包括由氣象服務機構提供的專業數值天氣預報信息)后，利用數據挖掘技術在關聯數據庫中即可映射得到各發電單元的輸出功率預測值， 然后再對所有正常工作發電單元的輸出功率預測值進行累加，即可得到整個光伏電站的發電功率預測值。
本發明的工作流程包括數據采集與傳輸、關聯數據庫建立、數值天氣預報接收、發電功率預測、數據統計分析和預測信息的發布與傳輸。
首先，每個發電單元的采集數據經數據處理模塊處理后送入關聯數據庫-發電功率預測服務器，分別建立各發電單元對應的關聯數據庫。光伏電站中的每個發電單元都對應一個關聯數據庫，這個關聯數據庫是對應發電單元輸入狀態變量與輸出功率之間關系的映射模型。關聯數據庫隨著實時運行數據的增加而不斷地更新、補充，具體方法詳見“并網型光伏電站發電功率預測方法”(發明專利公開號CN1017^984A)。
第二，發電功率預測模塊根據發電單元輸入狀態變量的預測信息或接收的天氣預報信息(包括由氣象服務機構提供的專業數值天氣預報信息)，采用數據挖掘技術，訪問對應的關聯數據庫，得到該發電單元的輸出功率預測值，然后對所有正常工作發電單元輸出功率預測值進行累加得到整個光伏電站的發電功率預測值。
數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。數值天氣預報由專業氣象服務機構提供，主要提供光伏電站所在地點的太陽輻射輻照度、環境溫度、風速、相對濕度、云量、天氣類型等氣象信息，其預報數據發布傳輸方式包括但不限于電力調度數據通信網或互聯網等。
第三，關聯數據庫-發電功率預測服務器負責所有發電單元關聯數據庫的存儲訪問服務、輸入狀態變量預測、氣象預報信息的接收處理和發電功率預測，客戶端計算機可以訪問數據庫，并可以表格、圖形、曲線等直觀的形式顯示數據庫中有關參數的變化趨勢和規律。
本發明的硬件平臺組成包括數據采集設備、關聯數據庫-發電功率預測服務器、 交換機、工作站計算機、網絡等，各組成部分之間采用網絡與交換機方式連接，實現系統內部的數據傳輸、相互通信和信息共享，預測系統與電網調度能量管理系統之間裝設有諸如反向安全隔離裝置、IP認證加密裝置等調度機構要求的網絡安全防護設備。
本發明的軟件程序包括以下功能模塊
(1)關聯數據庫模塊
主要負責各發電單元關聯數據庫的建立、更新、修正，以及數據庫的存儲、訪問等服務。
(2)發電功率預測模塊
主要負責關聯數據庫輸入狀態變量的預測，各個發電單元與光伏電站輸出功率的預測。
發電功率預測的時間尺度包括超短期(0-4小時)和短期小時)。
發電單元與光伏電站發電功率預測的計算時間小于5分鐘，每15分鐘提供一次未來0-4小時的超短期發電功率預測曲線，每12小時或M小時(或者根據調度機構要求) 提供一次未來M小時的短期發電功率預測曲線。
(3)數值天氣預報處理模塊
負責天氣預報信息(包括由氣象服務機構提供的專業數值天氣預報信息)的接收與處理。本發明的數值天氣預報由專業氣象服務機構提供，數值天氣預報處理模塊由數值天氣預報處理計算機和相應的軟件程序實現，該模塊可通過互聯網或電力調度數據通信網等方式接收專業氣象服務機構提供的數值天氣預報數據，并進行數據的預處理和記錄存儲等功能，處理后的數值天氣預報數據作為預測模型的可選輸入連接至發電功率預測模塊。
(4)數據統計分析模塊
負責對采集數據和光伏電站監控系統數據服務器中讀取數據的統計分析
①在數據源滿足要求的情況下，參與統計數據的時間范圍可任意設定；
②統計計算所有參數的最大值、平均值、累計值、方差、標準差、最大變化率等指標；
③光伏電站運行數據的統計包括有效發電時間、最大功率數值及其對應時間、容量利用率、利用小時數，發電單元采集數據的統計包括太陽輻照度分布、風速風向分布、溫度分布；
④自動生成指定格式的曲線、報表、趨勢圖、直方圖、餅圖、分布圖等圖形和表格。
⑤對發電功率實際值與預測值誤差的統計，包括均方根誤差、平均絕對誤差、平均偏差誤差、相關系數等，誤差統計的時間區間可自主設置。
(5)能量管理系統數據接口模塊
主要負責預測系統與電網調度能量管理系統的通信接口和數據交換。能量管理系統數據接口模塊由網絡安全防護設備和接口軟件程序組成，通過網絡安全防護設備將發電功率預測系統與電力系統調度通信數據網相連，從而實現與能量管理系統數據平臺的連接。根據電力二次系統安全防護規定的要求，在系統中設置了專用的安全隔離裝置，能夠保證不同安全區之間數據的安全可靠傳輸。
本發明的有益效果在于，提供的發電功率預測系統，以各逆變器對應的發電單元為基本預測單元，適用于由不同安裝運行方式(包括固定安裝、單軸跟蹤、雙軸跟蹤、聚焦型等)發電單元混合組成或由單一安裝運行方式發電單元組成的光伏電站的發電功率預測。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
圖1為本發明的工作流程圖。
具體實施方式
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法，該方法的特征是，以光伏電站的基本組成單位-單個的發電單元作為基本預測元，首先預測各個發電單元的輸出功率， 然后將所有正常工作發電單元輸出功率的預測值進行累加，進而得到整個光伏電站的發電功率預測值；采集和從光伏電站監控系統讀取的數據包括各發電單元的太陽輻照度、環境溫度、組件溫度、風速、風向、氣壓、濕度。
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測系統，該系統的特征是，預測系統的硬件平臺由發電單元數據采集設備通過數據傳輸連接到關聯數據庫-發電功率預測服務器，關聯數據庫-發電功率預測服務器又分別與發電單元關聯數據庫、光伏電站監控系統數據庫服務器和數據統計分析模塊連接，發電單元關聯數據庫又與正常工作發電單元輸出功率預測模塊、各發電單元輸出功率預測值累加模塊、光伏電站發電功率預測結果模塊、能量管理系統數據接口模塊、網絡安全防護設備、電力調度數據通訊網、電網調度能量管理系統依序連接；數據統計分析模塊分別與統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊連接，統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊共同連接客戶機/Web/顯示打印；正常工作發電單元輸出功率預測模塊還依序連接有數值天氣預報接收與處理模塊、網絡安全防護防火墻、電力調度數據通信網或互聯網、數值天氣預報；同時，正常工作發電單元輸出功率預測模塊還與關聯數據庫輸入狀態變量預測信息模塊連接。
本發明的技術路徑分為四個基本環節
(1)發電單元運行數據的采集和傳輸
光伏電站內所有發電單元處各種傳感器采集的數據(包括太陽輻照度、環境溫度、風速等參數)傳輸至光伏電站監控室，與從光伏電站監控系統數據庫服務器中讀取的各發電單元的輸出功率數據一起送入關聯數據庫-發電功率預測服務器，用于建立各個發電單元的關聯數據庫。
(2)發電單元關聯數據庫的建立
針對光伏電站內所有的發電單元，利用實際運行數據分別建立各個發電單元對應的輸入狀態變量-輸出功率關聯數據庫，關聯數據庫具有在線自學習功能，能夠實時反映不同安裝運行方式發電單元的出力特性。關聯數據庫的建立方法詳見“并網型光伏電站發電功率預測方法”(發明專利公開號CN1017^984A)。
(3)光伏電站發電功率預測
發電功率預測模塊根據各發電單元關聯數據庫輸入狀態變量的預測信息或接收的天氣預報信息，利用數據挖掘技術，訪問對應的關聯數據庫，得到對應發電單元的發電功率預測值。利用上述方法得到光伏電站所有正常工作發電單元的發電功率預測值，這些預測值按照(1)式累加即可得到整個光伏電站的發電功率預測值。N
Pv=YuPvi⑴/=1
Pv為光伏電站的發電功率預測值；
Pvi為第i個發電單元的發電功率預測值；
i = 1,2,…，N，為光伏電站內正常工作的發電單元個數。
發電功率預測在時間尺度上包括超短期預測(0-4小時)和短期預測04小時內)。
(4)發電功率預測系統的數據傳輸
發電功率預測系統可通過電力調度數據通信網或互聯網等方式接收專業氣象服務機構提供的數值天氣預報信息，并將光伏電站發電功率預測結果傳送到電網調度管理機構和能量管理系統。
本發明提出的光伏電站發電功率預測系統能夠容納的發電單元數量不少于255 個，擴容個數不受限制。權利要求
1.以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法，其特征是，以光伏電站的基本組成單位-單個的發電單元作為基本預測元，首先預測各個發電單元的輸出功率，然后將所有正常工作發電單元輸出功率的預測值進行累加，進而得到整個光伏電站的發電功率預測值。
2.根據權利要求1所述以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法，其特征是采集和從光伏電站監控系統讀取的數據包括各發電單元的太陽輻照度、環境溫度、組件溫度、 風速、風向、氣壓、濕度。
3.根據權利要求1或2所述以發電單元為基本預測單元的發電功率預測系統，其特征是，預測系統的硬件平臺由發電單元數據采集設備通過數據傳輸連接到關聯數據庫-發電功率預測服務器，關聯數據庫-發電功率預測服務器又分別與發電單元關聯數據庫、光伏電站監控系統數據庫服務器和數據統計分析模塊連接，發電單元關聯數據庫又與正常工作發電單元輸出功率預測模塊、各發電單元輸出功率預測值累加模塊、光伏電站發電功率預測結果模塊、能量管理系統數據接口模塊、網絡安全防護設備、電力調度數據通訊網、電網調度能量管理系統依序連接；數據統計分析模塊分別與統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊連接，統計指標模塊、誤差計算模塊、圖形表格模塊、篩選分類模塊共同連接客戶機/Web/顯示打印；正常工作發電單元輸出功率預測模塊還依序連接有數值天氣預報接收與處理模塊、網絡安全防護防火墻、電力調度數據通信網或互聯網、數值天氣預報；同時，正常工作發電單元輸出功率預測模塊還與關聯數據庫輸入狀態變量預測信息模塊連接。
全文摘要
以發電單元為基本預測單元的發電功率預測方法及系統，利用傳感器等數據采集設備，采集各發電單元處的參數，將這些參數作為輸入狀態變量；同時讀取各發電單元的輸出功率值，并將其作為輸出狀態變量，針對各個發電單元分別建立對應的關聯數據庫；利用關聯數據庫得到其對應的發電功率預測值；再對正常工作發電單元的功率預測值進行累加，進而得到整個光伏電站的發電功率預測值。本發明的有益效果在于，提供的發電功率預測系統，以各逆變器對應的發電單元為基本預測單元，適用于由不同安裝運行方式，包括固定安裝、單軸跟蹤、雙軸跟蹤、聚焦型等，發電單元混合組成或由單一安裝運行方式發電單元組成的光伏電站的發電功率預測。
文檔編號H02N6/00GK102545707SQ201210007609
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者馮勇, 劉興杰, 劉友寬, 李萍, 杜景琦, 梅華威, 王飛, 米增強, 翟偉翔, 蘇適 申請人:云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院, 華北電力大學(保定)