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日食大考| 国能日新精准预测光伏出力及影响分析

时间:2020-07-10 来源:国能日新

 2020年6月21日,夏至当天,我国境内发生了21世纪以来一次最大、最接近日全食的日环食现象。日食过程中由于太阳光被月球遮挡,部分地方光照辐射强度减弱,直接影响了光伏电站出力和电力系统的安全运行。

本次日食概况

 本次日食是本世纪以来对我国光伏电站出力影响最大的一次自然事件,持续时间为4小时35分钟,西藏、四川、重庆、贵州、湖南、江西、福建、台湾的部分县市可以看到“日环食”,其他范围城市则可以看到不同程度的“日偏食”。

各个地区对应的开始结束时间如下表所示:

表1 2020年6月21日中国各地区日食情况 (图片来源:科学纵横)

 由表1可以看出,我国南部大部分地区的太阳遮挡率可以达到70%以上,厦门更是高达99.3%,北方有些地区也达到50%以上的遮挡。

日食对电网和电站的影响

 对电网的影响

在天气晴朗时,日食期间阳光消失,光伏发电出力会陡然下降;而当日食结束时,阳光重现,大量光伏电力又会瞬时涌入电网。这个波动比正常日出日落要剧烈得多,给电网造成严重冲击,影响电网安全,预防不好可能造成电网安全事故。

而本次日食对我国各地都有影响,尤其对西南电网(覆盖四川、重庆、西藏)的影响较大。日食期间西南电网全网光伏出力最低达24.7万千瓦,仅占到日食前(149.9万千瓦)的16.5%左右。我国电网经受了光伏出力剧烈波动带来的严峻考验。

为了保证日食当天所服务的光伏电站功率预测的精准度,国能日新功率预测技术工程师们很早就开展了分析研究工作,根据日食期间的天气情况,深入分析所服务范围内的光伏电站出力波动,评估其对电网的影响程度以及出力最低点对电网的影响,并利用精准的功率预测来辅助电网调度机构做日前发电计划,帮助电网提高了故障应对能力,有效减少了事故出现的概率。

其实,日食影响电网的事件并不在少数。在本世纪影响最大的一次当属2015年3月20日发生在德国的一次日食事件。当时,作为欧洲最大的光伏发电国家,德国电网在日食期间运行平稳,系统电压、频率等指标均在正常范围内波动。据了解,德国电网顺利应对日食的考验得益于电网调度机构较为准确的光伏发电功率预测及基于预测的日前发电计划。显而易见,日食期间精准的功率预测非常重要。

对电站的影响

研究表明,当天气晴朗时,日食对光伏电站发电出力影响较为明显;阴天时则影响较小。从实际例子来看,日食对光伏电站的发电量影响较大。

2015年3月20日,整个北半球日食景观引发德国电网危机,导致德国骤然失去约70%的光伏电力,光伏电站损失数小时的发电量。

2016年3月9日,印度尼西亚在内的东南亚和太平洋地区发生了日全食,导致当地光伏电站被厚厚的云层覆盖,造成发电损失。

2017年8月21日,日食阻碍了美国部分地区光伏电站的正常运行。据统计,受影响的光伏电站有2175万千瓦,光伏发电出力大大减少。

当然,日食期间的光伏电站发电量损失我们无法控制,但在“两个细则”考核越来越严格的情况下,精准的功率预测能够大大减少电站考核,保障电站收益。

国能日新对本次日食期间光伏实际出力分析

对日食期间光伏电站的功率进行预测,不仅要知道日食发生的具体时间,而且要考虑当地当时的阴晴变化,因此要比正常天气预测复杂得多。本次日食,国能日新结合多种相似天气下的历史数据,凭借多年预测经验、专业的预测能力和技术对光伏电站进行精准建模和预测。

下面我们分别选取南北两个省份(四川、河北)的光伏电站,分析在当时的天气条件下这两个光伏电站的出力情况。

四川省某30MW光伏电站

本次四川省出现了日环食,受日食影响的地区太阳遮挡率达到了70%以上,该电站当时的天气为晴转多云。从图1可以看到,日食发生时段内,光伏出力明显低于历史相似日的出力,在15:45时达到最低,仅为1.7MW,而在历史相似日该时刻实际出力为15.7 MW,相差14MW,仅占到了正常出力的10.8%。

图1中蓝色曲线为当天的实际功率,黄色曲线为当天的预测功率,由于当地为晴转多云天气,因此实际功率稍有波动,不考虑多云的因素,当天的功率预测曲线与实际功率基本一致。

图1 四川省某30MW光伏电站日食期间实际功率与预测功率对比

河北省某50MW光伏电站

本次河北省受日食影响的地区太阳遮挡率达到了50%以上,出现了日偏食,该电站当时的天气为晴天。从图2可看出,日食发生时段内,该电站光伏出力低于历史相似日出力,最低为8.9MW,约为历史相似日该时刻实际出力(19MW)的46%左右。日食发生全部时段为14:28-16:54,该时段内该电站实际发电量约为44.1MWh,历史相似日实际发电量为62.2MWh,日食发生时段发电量仅为历史相似日相同时段的70.9%。当天的功率预测曲线与实测曲线基本一致。

图2 河北省某50MW光伏电站日食期间实际功率与预测功率对比

从一南一北两个省份的曲线对比来看,四川省的遮挡面积较大,对光伏出力的影响较大。相比四川省,河北省的遮挡面积稍小,但最低时刻的出力也下降到了正常出力的一半以下。数据表明,国能日新的功率预测经受住了本次日食的考验,体现了精准的预测能力和技术水平,有效保障了电网、电站安全平稳运行。

极端天气预防建议

不仅仅是日食,冰雹、暴雨、暴雪、大风等极端天气同样会对电网和光伏电站造成冲击,因此,成功的经验为以后类似天气的应对起到了很好的借鉴意义。为此,国能日新功率预测专家有如下建议:

提升光伏功率预测精度。精准预测日食期间光伏电站发电出力波动,是电网调度机构做日前发电计划和应对预案的基础,是降低日食等极端天气对电网和电站造成损失的必备条件。因此,应加强光伏发电功率预测技术研究,进一步提升预测精度。

提前制定合理的发电和备用电源计划。为了将日食等极端天气对电网的不利影响降到最低,电网调度机构应提前制定精准的新能源发电计划和常规电源发电计划。而且,为了更好地应对异常情况发生,可提升备用电源调节的灵活性,以此来减少对电网的损失程度。

通过市场机制增强电网灵活调节能力。发电波动大时,峰谷差也随之变大,通过电价调节、需求侧响应及辅助服务补偿等机制,能增加电网调节的灵活性。

随着太阳能、风能等新能源发电的不断增长,未来将是含高比例可再生能源电力系统的运行常态,电网在电力生产过程中要实时调整好新能源出力。不断持续深入研究来提升功率预测的精准度,对于在极端天气下的电网安全非常重要,并能够减少由此给电站带来的考核损失。而且,对于日食等极端天气对电网和电站的影响,未来需要采取更为灵活性的应对措施,如储能、电力交易等的推广。

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