（电力系统及其自动化专业论文）考虑光伏并网发电的短期负荷预测.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文提出并解决了在含有光伏并网发电系统的电网中进行短期负荷预测的一 个新问题。建立了总峰瓦值为3 0 m w 的光伏电站的数学模型，并且基于保定地区的 气象资料以及美国国家航空和宇航局提供的保定地区的太阳辐射数据，模拟得到该 光伏发电系统的出力数据；同时分析了光伏系统的出力特性以及影响光伏出力的因 素，建立了光伏系统出力的支持向量机( s v m ) 回归模型，并进行了相应的预测， 预测结果表明支持向量机回归方法为解决光伏系统出力的预测提供了一种可行的 路径；同时基于支持向量机回归方法建立了两种考虑光伏并网发电的电网短期负荷 预测的模型，预测结果表明预测模型一较模型二有效可靠，预测精度较高。 关键词：光伏并网系统，支持向量机( s 1 i ，m ) ，短期负荷预测，光伏出力预测 a b s t r a c t t h i sp a p e rs u b m i t t e da n ds o l v e dan e wi s s u et h a tc o n s i d e “n gt h ei n n u e n c eo f p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e mi n t h es h o f t - t e n nl o a df b r e c a s t i n g t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dal a r g e s c a l ep h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n0 u t p u tm o d e lt h a th a st h et o t a l p o w e ro f3 0 m w ：a n d 柚a l y z e dt h ep vs y s t e mo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef a c t o r st h a t i m p a c tt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e mo u t p u t ，a n do b t a i n e dt h ed a t eo ft h ep vs y s t e mo u t p u t b a s e do nt h em e t e o r o l o g 托a ld a t ao ft h eb a o d i n gr e g i o na n dt h er a d i a t i o nd a t ap r o v i d e d b yt h en a s af o rt h eb a o d i n gr e g i o n t h i sp a p e re s t a b l i s h e dap h o t o v o l t a i cs y s t e m o u t p u tf o f e c a s tm o d e lb a s e do nt h es v mr e g r e s s i o nm e t h o d t l l l ef e a s i b i i i t ya n dv a l i d i t y o ft h em e t h o di nt h i sp a p e ri sp r 0 v e db yp r a c t i c a le x a m p l e b a s e d0 nt h cs v m r e g r e s s j o nm e t h o d ， t h i s p a p e r e s t a b l j s h e sas h o nt e 咖l o a d f 0 r e c a s t i n g m o d e l c o n s i d e r i n gt h ep h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o no u t p u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ef o r e c a s t i n gm o d e li se f f e c t i v ea n dr e l i a b l e b a s e do nt h es v mr e g r e s s i o nm e t h o d t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt w os h o n - t e 咖l o a df o r e c a s t i n gm o d e lp h o t o v o l t a i cs y s t e mo u t p u t f b r e c a s tm o d e lc o n s i d e r i n gp h o t 0 v o l t a i cg r i d c o n n e c t e ds y s t e m n i er e s u l t ss h o wt h e m o d e lo n eh a sh i g hp r e d i c t i o na c c u r a c ya n dm o r ee f 托c t i v ea n dr e l i a b l et h a nm o d e lt w 0 l ig u a n g m i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ir 卸 k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e ds y s t e m ，娜p p o nv e c t o rm a c h i n e s ，s h o r t t e ml o a df o r e c a s t i n g ，p h o t o v o i t a i cp o w e rg e n e r a t i o no u t p u tf b r e c a s n n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑光伏并网发电的短期负荷预测， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垒丝日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：型笙：! 至：21 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 负荷预测是电力系统领域的一个传统研究问题，是指从已知的电力系统、经济、 社会、气象等情况出发，通过对历史数据的分析和研究，探索事物之间的内在联系 和发展变化规律，对负荷发展做出预先估计和推测。负荷预测是电力系统规划、计 划、用电、调度等部门的基础工作，其重要性早已被人们所认识。进入2 0 世纪7 0 年代后，由于2 次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非 常迅速。随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电，水电， 核电等电厂的发电量处于可比较的数量级或成为不可忽略的一部分时，光伏并网发 电系统将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成很大的冲击，同时将会影响电网的稳 定。因此，在做电网的发展规划时，对负荷预测应充分考虑光伏并网发电对电网的 影响，同时结合实际情况研究出合适的含有并网光伏系统的电网的负荷预测模型， 这是一项具有重要意义的工作。 1 1 短期负荷预测的目的和意义 随着电力系统的商品化和市场化，电力负荷预测的准确性对电力系统安全经济 运行和国民经济发展具有越来越重要的意义。电力负荷预测工作的水平的高低已成 为一个电力企业的管理是否走向现代化的显著标志之一。尤其在我国电力事业空前 发展的今天，用电管理走向市场，电力负荷预测问题己经成为我们面临的重要而又 艰巨的任务。 负荷预测是电力系统运行调度中一项非常重要的内容，是能量管理系统( e m s ) 的一个重要模块，是保证电力系统安全经济运行和实现电网科学管理及调度的基 础。电力负荷预测是否准确，也会影响到电力系统计划、规划等管理部门的工作。 负荷预测是电力系统发电计划的重要组成部分，是调度合理安排电网运行方式、机 组启停计划、交换功率计划等的基础，因此负荷预测精度的好坏会直接关系到产业 部门的经济利益。负荷预测不足可能会导致用电紧张和系统运行安全性下降，因而 由费用高的机组来承担负荷或者从邻近的电网买入价格较高的电能。另一方面，如 果估计过量可能导致过多的旋转备用因而增加运行费用，对于长期的负荷预测来说 有可能造成设置过多的设备，引起资金积压。另外，负荷预测也有利于计划用电的 管理，节煤、节油和降低发电成本，制订合理的电源建设规划，提高电力系统的经 济效益和社会效益。电力系统负荷预测按预测周期可分为超短期、短期、中期和长 期负荷预测。 短期负荷预测的意义在于： 华北电力大学硕士学位论文 1 短期负荷预测是电力系统优化调度( 如机组最优组合、经济调度、最优潮流 计算等) 的基础工具，是电力企业日常经营管理工作的重要组成部分，准确的短期 负荷预测是电网调度机构制定发供电计划和做好电网供需平衡的关键，它有助于系 统运行人员高效地预估电能的生产、输送、分配以及消费情况，制定出经济、合理 的发电方案。对一个大电网，根据短期负荷预测提供的信息，即可以实现发电容量 的合理调度，对运行中的发电厂的出力要求提出预告，从而可以对发电机组出力变 化的情况事先得以估计，又可以经济合理地安排本网内各发电机组的启停机，从而 可以使系统在安全范围内，保持必要的旋转储备容量的耗费为最小，使发电成本为 最小，确保电网安全、稳定、优质、经济运行。 2 随着我国电力市场的进一步发展，短期负荷预测在电力系统的经济运行方面 的影响会愈来愈明显，对于发电公司，短期负荷预测是制定发电计划和报价的依据； 对于供电公司，短期负荷预测为供电方制定购电计划提供依据：对于输电公司，短 期负荷预测也是制定发电计划及安全、可靠、经济运行的基础。 3 电价是电力市场的杠杆和核心内容，体现了电力市场的竞争性和开放性，而 电价的制定是在未来给定电价计算期的负荷预测的基础上完成的。因此，发电企业 要保证其电价的竞争能力并且盈利，就必须获得精确的短期负荷预测值，才能制定 出既有竞争力又保证盈利的电价。 4 提供运转业务是电力市场中电网的一项基本功能，是电力市场平等竞争的必 要条件，可以给电网带来巨大的效益。而电网在执行运转业务时是根据短期负荷预 测的数据及各发电机的运行参数来制定发电计划和调度计划，所以准确的短期负荷 预测才能有效地促进供、运、用电三方的协调。 5 在初级发电市场，所有电量统一进行竞价，只在电费结算时考虑合同电量， 按照差价合约结算。由于电费结算按时段进行，需将合同电量按负荷预测曲线分配 至各时段，所以不准确的短期负荷预测将导致违约，甚至引起电量分配的不合理， 造成电量不足等问题。 6 系统充裕性评估( p r o j e c t e da s s e s s m e n to fs y s t e ma d e q u a c y ) 由电力调 度中心负责，主要内容是分析预测中短期系统供需平衡和系统安全情况，目的是让 市场成员正确了解信息。p a s a 是发电市场得以顺利进行的基础。这也充分体现了准 确的短期负荷预测对系统及发电市场的重要影响和应用。 1 2 短期负荷预测的研究现状及发展的新方向 短期负荷预测是指日负荷预测和周负荷预测，分别用于安排日调度计划和周调 度计划，包括确定机组起停、水火电协调、联络线交换功率、负荷经济分配、水库 2 华北电力大学硕士学位论文 调度和设备检修等，对短期负荷预测，需充分研究电网负荷变化规律，分析负荷变 化相关因子，特别是天气因素、日类型等和短期负荷变化的关系。短期负荷预测是 制定发电计划的基础。提高负荷预测的精度是电力系统规划和运行的必然要求。众 多文献不遗余力地进行负荷预测的研究，主要出发点大多是以更为先进的理论提高 预测的准确性，为电力系统运行的经济性和安全性提供有力的保证。目前负荷预测 领域的研究主要关注于预测方法上的改进和提高。 负荷预测技术经过几十年的发展，随着数学统计理论和人工智能技术的相继引 入，人们提出了各种各样的预测方法，现有的预测方法多达十几种，这些方法各有 其优缺点，很难说有哪一种方法绝对优越于其他方法。根据数学模型的不同，短期 负荷预测方法大致可以分为两类：数学统计方法和人工智能方法，下面对几种典型 的方法加以介绍并进行简单的评价。 1 2 1 基于数学统计方法的电力负荷预测方法 ( 1 ) 回归模型预测方法【。回归预测是根据负荷过去的历史资料，建立可以进 行数学分析的数学模型，对未来的负荷进行预测。主要分为线性回归和非线性回归， 也分一元回归和多元回归。其特点是将预测目标的因素作为自变量，将预测目标作 为因变量。回归分析法中，自变量是随机变量，因变量是非随机变量，又给定的多 组自变量和因变量资料，研究各种变量之间的相关关系。利用得到的经验回归方程 式来表示变量之间的定量关系，预测系统将来的负荷值。 ( 2 ) 时间序列预测法【2 j 。时间序列预测法是应用较早、最为广泛、发展比较 成熟的一种方法。它把负荷数据看作是一个按季节、按周、按天以及按小时周期性 变化的时间序列，根据负荷的历史资料，设法建立一个数学模型来描述电力负荷这 个随机变量变化过程的统计规律性，在数学模型的基础上确立负荷预测的数学表达 式，对未来的负荷进行预报。在时间序列法中常采用的技术有：卡尔曼滤波、状态 估计、b o x j e n k i n s 模型、自回归动平均模型等。其中，处理随机时间序列问题的 最有效的方法是b o x j e n k i n s 的时间序列法，其基本的时间序列模型主要有自回归 模型( a r ) 、动平均模型( m a ) 、自回归动平均模型( a r m a ) 、和自回归平滑移动模型 ( a r i m a ) 共四种。 ( 3 ) 灰色预测法1 3 l 。灰色系统理论的显著特点就是用少量的数据做微分方程 建立起预测的模型。灰色模型法在建模时不需要计算统计特征量，从理论上讲，可 以使用于任何非线性变化的负荷指标预测。将一定范围内变化的历史数据序列进行 累加，使其变成具有指数增长规律的上升形状就对生成的数列建立起g m ( g r e y m o d e l ) 模型，g m ( 1 ，n ) 也就是对n 个变量用一阶微分方程建立的灰色模型。数列的 生成方式有三种：累加生成、累减生成和级比生成。 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 趋势外推技术i 引。按照负荷的变化趋势，对未来负荷情况做出判定，就 是趋势外推预测技术。趋势外推技术包括水平趋势预测技术( 全平均法、一次滑动 平均预测法、一次指数平滑预测法、一阶自适应系数预测法等) 、线性趋势预测技 术、多项式趋势预测技术、季节性趋势预测技术、增长趋势预测技术。这些技术的 共同特点是作趋势外推，不对其中的随机成分作统计处理，是简单实用的预测方法。 1 2 2 基于人工智能原理的电力负荷预测方法 ( 1 ) 专家系统法1 5 1 。专家系统是一个用基于知识的程序设计方法建立起来的 计算机系统，它拥有某个领域内专家的知识和经验，并能像专家那样运用这些知识， 通过推理，在那个领域内做出智能决策。所谓专家系统法，是对数据库里存放的过 去几年的，每小时的负荷和天气数据进行细致的分析，从而汇集有经验的负荷预报 人员的知识，提取有关规则，按照一定的规则推理进行负荷预测。在处理具体城网 中长期负荷预测时，能对多种预测模型逐一进行评估决策，快速地做出最佳预测结 果，避免了人为推理的繁琐和人为差错的出现，克服以往用单一模型进行预测的片 面性缺陷。专家系统是对人类的不可量化的经验进行转化的一种较好的方法。若能 将它与其他方法有机地结合起来，构成预测系统，将可得到满意地结果。但专家系 统分析本身就是一个耗时的过程，并且某些复杂的因素( 如天气因素) 即使知道其对 负荷的影响，但要准确、定量地确定他们对负荷地影响也常常是很困难的事。 ( 2 ) 小波分析法1 6 胴。众所周知，小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是一种时域 一频域分析方法，既发扬了f o u r i e r 分析的优点，又克服了f o u r i e r 分析的某些 缺点，在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，并且能根据信号频率高低自动 调节采样的疏密，容易捕捉和分析微弱信号，可以聚焦到信号的任意细节，尤其是 对奇异信号很敏感，能很好的处理微弱或突变的信号。它将一个信号的信息转化成 小波系数，可以方便的处理、存储、传递、分析或用于重建原始信号。由于电力系 统中日负荷曲线具有特殊的周期性，负荷以天、周、年为周期发生波动，大周期中 嵌套小周期，因此小波分析的优点决定了它可以有效地应用于负荷预测问题的研 究。 ( 3 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 方法【引。运用神经网 络技术进行电力负荷预测，是一种新的研究方法，由于它可以模仿人脑的智能化处 理，对大量非结构性、非精确性规律具有自适应功能，具有信息记忆、自主学习、 知识推理和优化计算的特点，特别是其自学习和自适应功能较好的解决了天气和温 度等因素与负荷的对应关系，所以，人工神经网络得到了许多中外学者的赞誉，预 测是人工神经网络的最有潜力的应用领域之一。1 9 9 1 年p a r kd c 等人第一次将 a n n 应用于电力系统负荷预测，并取得了令人满意的结果。 4 华北电力大学硕士学位论文 现在研究最多的是应用误差反向传播算法( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o n ，又称为 b p ) 进行短期负荷预测，常用的是简单的三层a n n 模型，主要思路为将历史数据及 对电力负荷影响最大的几种因素作为输入量输入人工神经网络，经过输入层、隐含 层和输出层中各神经元的作用最后生成输出量，再以输出误差为目标函数对网络权 值进行不断的修正直至误差达到要求，经训练后的网络就可以进行预测工作，只要 把待预测日的相应刺激输入神经网络就可以得到相关的输出，即预测结果。由于人 工神经网络具有一定的联想和推理功能，所以对于训练过程中没有出现过的情况神 经网络同样可以进行预测。神经网络可以处理那些难于用解析规则描述的过程或系 统，可通过对样本数据的学习，自动实现对系统的描述；神经网络是并行结构，在 处理实时性要求高的问题上显出极大的优越性；神经网络是非线性系统，人们已从 理论上证明了多层感知器能够任意逼近给定函数、甚至逼近各阶导数的能力；神经 网络具有很强的信息综合能力、很好的容错性，它能恰当地协调好互相矛盾的输入 信息。 ( 4 ) 模糊预测法1 9 j 。模糊预测法是建立在模糊数学理论上的一种新技术。模 糊理论是解决不确定、不完全信息问题的一种有效方法。在电力负荷预测中，存在 着大量的不确定因素，很难进行精确的描述和表达。九十年代以来，模糊理论在电 力系统负荷预测中的应用逐渐展开i l 。目前，模糊理论在电力负荷预测中的应用研 究主要集中于两个方向：一是基于模糊理论的电力负荷预测方法，其主要基于模式 匹配的思想，利用模糊集理论在处理从大量数据中抽取具有相似性的代表量和非线 性问题的强大功能，通过对历史数据的模糊化处理和分析，将大量看似杂乱无章的 原始数据整理成规律性很强的数据序列，提炼出负荷相关环境及负荷变化的若干种 典型模式，通过判定未来待预测环境属于哪种模式，最终建立负荷预测模型，实现 负荷预测；二是将模糊逻辑与传统数学模型预测方法、神经网络及专家系统预测方 法相结合的电力负荷预测方法研究【1 1 】。模糊理论方法的优势在于处理负荷预测中的 不确定因素的有效性，但是在自学习、自适应能力等方面还需要进一步的研究。 ( 5 ) 数据挖掘技术1 1 z j 。数据挖掘( d a t am i n i n g ) 是2 0 世纪术刚刚兴起的数 据智能分析技术，它又称为数据库中知识发现( k n o w l e d g ed i s c o v e r yf r o m d a t a b a s e ，简称k d d ) ，是一个从大量数据中抽取挖掘出未知的、有价值的模式或规 律等知识的复杂过程。数据挖掘的显著特点就是它强大的数据处理能力，能从大量 的数据中发现有用的规律、规则、联系、模式等知识。 电力系统的数据类型多样，数据量大，特别是电力市场化后，历史负荷数据十 分惊人。在这种情况下，仅靠传统的分析处理方法已捉襟见肘，而数据挖掘可以从 海量数据中发现许多有用的信息，正是解决这个难题的有利工具。数据挖掘作为一 门新兴的技术，目前在电力系统负荷预测方面的应用尚处于探讨阶段，其在负荷预 5 华北电力大学硕士学位论文 测方面将有广阔的应用前景。 ( 6 ) 优选组合预测【”l 。优选组合预测技术有两层含义：一是从几种预测方法 得到的结果中选取适当的权重加权平局；另一层含义是，可在几种方法中比较，选 择标准差最小或拟合度最佳的一种方法。组合优选方法是建立在最大信息利用的基 础上的，它集结多种单一模型所包含的信息，进行最优组合。因此在大多数情况下， 通过组合预测可以达到改善预测结果的目的。 ( 7 ) 支持向量机。支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，s v m ) 是由v a p n i k 在统计学习理论基础上提出的一种新的通用学习算法，它基于经验风险最小并能保 证期望风险最小的理论，提出了结构风险最小化原理，相对于基于经验风险最小化 原理的传统机器学习算法，它具有更出色的学习性能和推广能力，能收敛于全局最 优解，且在样本有限的情况下性能优越，被认为是神经网络的替代方法，已成为机 器学习界研究热点之一。目前在时间序列预测领域也开始得到应用【1 4 】，文献 1 5 提到了2 0 0 1 年在欧洲智能技术网举行的世界电力负荷预测竞赛中，采用s v m 方 法取得负荷预测结果第一名。由此可以看出，s v m 无论在理论还是在实践中，在非 线性时间序列预测领域都具有优秀的表现和应用前景。目前，已应用于解决非线性 分类、模式识别、函数拟合等问题。 由于s v m 拟和精度高、学习和推广能力强、能收敛于全局最优等特点，近年来 越来越多的被用于电力负荷预测中。它主要利用s v r ( s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ) 支持向量机回归模型，以历史数据作为训练样本，通过训练网络，找出输入( 历史 影响因素) 与输出( 待预测时刻的负荷) 之间的最优函数关系。 1 2 3 短期负荷预测研究发展的新方向 分布式发电以其投资省、发电方式灵活、与环境兼容等特点在电力系统中的比 重逐步提高，同时分布式发电系统与大电网日益联合运行，给现代电力系统运行与 控制带来巨大的变化。 负荷预测作为古老的研究课题，随着新形势的不断变化，特别是分布式发电的 不断发展，理论研究和实际工程应用都应该重视分布式发电的影响。分布式发电由 于其数量众多、单机容量小、分散面广等客观原因，无法将其纳入统一调度范围。 由此导致的结果是，电网调度部门只关心网供负荷的数据，这对其安排统一调度机 组的发电计划至关重要。可是由于分布式发电也有其特殊性，比如光伏发电的出力 与太阳辐照强度有关，只在白天出力，才可以上网，没有光照就没有出力，这种实 际情况对网供负荷具有重大影响。对于调度部门而言如果不考虑光伏发电的变化情 况、单纯依靠网供负荷自身的变化趋势进行预测，则势必带来较大误差。因此考虑 分布式发电对短期负荷预测的影响势必会成为未来负荷预测研究发展的新方向。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 3 光伏并网发电研究的意义 近年来，能源和环境的可持续发展已经成为世界关注的焦点，可再生能源的发 展呼声日益高涨，装机年增长速度超过3 0 ，相关技术取得可喜进步，应用领域越 来越宽，开发利用规模越来越大，我们完全有理由相信可再生能源将逐步替代化石 能源，成为人类可持续发展的能源。在可再生能源的家族中，资源量最大、分布最 普遍的是太阳能( 事实上，其它可再生能源也间接来自于太阳能) 。全球权威能源 机构预测，到本世纪中期太阳能将成为人类能源构成中的重要组成部分，而到本世 纪末太阳能将成为人类能源构成中的主要部分。我国陆地表面每年接受太阳辐射能 相当于约4 9 0 0 0 亿吨标准煤，全国三分之二的国土面积年日照在2 2 0 0 小时以上， 年太阳辐射量超过5 0 0 0 兆焦m 2 ，太阳能资源丰富，是中华民族赖以生存，永续繁 衍的最宝贵的资源。将太阳能直接转换为电能这一能源高端产品的光伏发电技术目 前已经成熟，发展势头迅猛，正在努力突破高成本的制约瓶颈，光伏发电在我国有 巨大的发展潜力，有望在3 0 年左右的时段内成为重要的电力能源之一。随着传统 能源的日益枯竭，太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源，而光伏发电是当前 利用太阳能的主要方式之一【1 6 】【1 7 j f l 8 】【1 9 】【2 州。 1 3 1 并网发电成为光伏发电的发展趋势 随着光伏发电技术的不断提高，光伏发电成本也随着光伏产业的发展成本不断 降低，当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，纷纷制定了雄心 勃勃的到2 0 1 0 年光伏发电发展规划：日本计划累计装机容量将达到5 g w 、欧盟为 3 g w 、美国为4 7 g w 、澳大利亚为o 7 5 g w ，印度、中国等发展中国家估计为1 5 2 g w 。 2 0 0 4 年世界光伏系统累计装机容量4 g w 。据统计，到2 0 l o 年世界光伏系统累计装 机容量预计将达到1 4 一1 5 g w 。长期发展目标更加宏伟，见表卜l 世界光伏发电装机 容量( g w ) 。 表卜l 世界光伏发电装机容量( g w ) 7 华北电力大学硕士学位论文 权威机构预测到2 0 2 0 年光伏发电在世界电力生产中所占的比例将达l 左右， 到2 0 5 0 年约2 5 。可以断言：光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步 成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电，谁就掌握了未来发展 的主动权。我国从1 9 5 8 年起就进行光伏器件研究，7 0 年代初成功地制造出空间光 伏电源。7 0 年代中期后，中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电 源开始使用，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。 近年来并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位，2 0 0 3 年并网 发电的市场份额达到5 5 5 。光伏并网发电的作用是将太阳能转换为可供利用的交 流电能。在白天有光照的时候发出电能，通过逆变控制器向用户负载供电，同时与 电网并联，光伏方阵在阳光下发出的直流电转换为符合入网标准的交流电与电网联 结，将多余的电能输入电网；在阴雨天或晚上的时候，则由电网供电。并网发电在 光伏市场中的主导地位在人类能源变革中具有重要意义，它标志着光伏发电由边远 地区的离网运行和特殊应用向电网电源发展，由补充能源向替代能源转变，人类社 会开始建设可持续发展的能源体系。其它各种应用，如农村离网、通讯和信号、商 业应用、大型电站以及消费品等都保持着稳步发展，并继续发挥光伏发电的独特优 势。 光伏并网开始与上个世纪8 0 年代初，大都是较大的光伏并网电站，规模从 1 0 0 k w 到1 m w 不等，都是政府投资的实验性电站。但由于太阳能电池成本过高，其 发电成本很难让公司接受。9 0 年代后，国外发达国家掀起“屋顶光伏并网系统 的 热潮，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到各国的重视。近年来， 光伏并网发电更是成为光伏发电应用的重要方向和研究热点，这标志着太阳能光伏 并网发电技术已经进入了一个新的历史阶段，即太阳能光伏发电已开始向大能源、 替代能源过渡，也就是说，光伏发电应用已经开始由边远农村地区逐步向并网发电 和建筑结合得常规供电方向发展。据统计，并网所用的太阳能电池占全球产量的一 半以上，成为太阳能发电最重要的应用领域，而且随着大规模的应用，发电成本还 将不断下降，作为一种分散供电的新模式，有着十分广阔的应用前景。目前，国外 并网发电技术同趋成熟，已开发出并网发电专用的逆变器及相应的配套组件。随着 电力电子及微电子技术的迅速发展，并网发电系统将会得到不断的改善。总之，从 能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场， 而并网发电将是进入电力市场的必由之路。 1 3 2 我国的几个主要光伏电站 l 、西藏羊八井1 0 0 k w p 并网光伏电站工程。2 0 0 5 年8 月，中国科学院电工研究 所在西藏羊八井建成一座1 0 0 k w p 并网光伏示范电站。该项目的研究对西藏的电力 8 华北电力大学硕士学位论文 建设以及在我国荒漠化地区推广建设大型及超大型并网光伏电站有重要的指导意 义。 西藏羊八井1 0 0 k w p 并网光伏电站的建成，为我国在戈壁荒漠开展大规模或超大规 模并网光伏电站的研究工作奠定了基础。西藏羊八井1 0 0 k w p 光伏并网电站主要由 集中光伏并网发电系统、屋顶支路光伏并网发电系统和数据采集系统组成。集中光 伏并网系统由光伏阵列、光伏接线箱、直流配电、集中逆变器、交流配电等组成； 屋顶支路光伏并网系统由楼顶光伏阵列、直流配电、交流配电、两台支路逆变器等 组成：数据采集系统由并网电站关键数据采集系统和气象数据采集系统构成。 2 、西藏安多光伏发电站。安多县光伏电站容量为1 0 0 k w p ，是我国目前运行最 大的光伏发电站，设备配套最完善，应用技术最先进的独立运行实用光伏电站。该 电站是我国第一个自行设计和施工完成的大型光伏发电系统。在此基础上配合相当 完整的高低压输配电系统，形成了我国乃至世界上唯一的以光伏发电为核心的独立 运行电力系统，同时由于安多县地处海拔4 8 0 0 m 的青藏高原，使之成为世界上海拔 最高的大型光伏电力系统。 3 、深圳国际园林花卉博览园l m w p 光伏并网发电系统。深圳国际园林花卉博览 园的太阳能光伏并网发电系统分布于园内的标志性建筑圆形屋顶，总覆盖面积为 5 3 2 5 m 2 ，电站安装于园内综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北 区东山坡，采用与市电直接并网的运行方式，该并网光伏电站是目前亚洲和中国总 容量第一的并网光伏电站，同时也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站 之一。l m w p 并网光伏电站是我国并网光伏发电领域的成果典范，填补了我国在大型 并网光伏电站设计和建设上的空白，成为中国并网太阳能发电的里程碑。 4 、敦煌8 m w p 光伏并网电站。2 0 0 4 年9 月下旬甘肃敦煌8 删p 并网光伏发电系 统建设预可行性报告通过了专家审评，并且向国家发改委上报了项目建议书。大规 模的并网型光伏发电系统在我国尚属首次，8 兆瓦系统目前在全世界也是最大的。 该并网光伏发电系统采用“集中安装建设，多支路上网技术方案。即：在电器主 接线上，8 m w p 并网系统分为8 个独立的l m w p 分系统，分别发电上网；l m w p 分系统 包括5 个2 0 0 k w p 的发电单元、一台1 0 0 0 k v a 的升压变压器；每个发电单元有2 0 0 k w p 组件、2 0 0 k v a 并网逆变器组成，输出0 4 k v 三相交流电。 ，5 、2 0 0 8 年北京奥运会提出“绿色奥运、科技奥运、人文奥运一理念，光伏发 电开始融入奥运建筑，各体育场馆与运动员村等奥运建筑中将大范围采用太阳能等 绿色能源利用技术。奥运规划提出了在奥运场馆安装3 m w p 太阳能光伏发电设施。 在北京市科委的支持下，已经落实了国家体育馆1 0 0 k w p 、五棵松篮球馆1 0 0 k w p 、 国家游泳中心5 0 k w p 、国家体育场5 0 k w p 等光伏发电系统。 6 、2 0 0 7 年1 1 月世界上第一座利用光伏发电玻璃幕墙的五星级酒店在保定竣 9 华北电力大学硕士学位论文 工。大楼最吸引人的地方是让高耗能的大厦变成了一座输出电力的小型电站，是一 座真正意义上的节能、绿色的大楼。太阳能幕墙遍布大厦的各个立面，人们注意不 到的附属建筑屋顶、大堂顶部的2 0 0 平方米玻璃采光区，都有输出电力的太阳能电 池板。太阳能玻璃幕墙具有环保、节能、隔音、良好的透光率、产生电能等许多优 点这座名为电谷锦江国际酒店的大厦大规模、多角度采用了光伏发电技术，安装 并网容量o 3 m w p ，不仅能够满足大楼的公共照明，而且能够并网发电，建成后将成 为国内光伏并网发电的样板工程。 图1 1 我国主要光伏发电分布图 14 考虑光伏并网发电的短期负荷预测的目的和意义 太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气 及地域的影响较大，弗网发电后会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质 量造成一定影响。但是目前尚未见到光伏发电系统在电网潮流和稳定计算中的数学 模型。随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电，水电，核 电等电厂的发电量处于可比较的数量级或成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电 将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策带来如下问题： 1 负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统出力的特殊性，将对电网的 早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统 旋转机组的拥有量，电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰 1 0 华北电力大学硕士学位论文 和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价 的，这当然是发电商所不愿意看到的。 2 昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现 的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。 3 气象条件的变化。当一个地区的光伏并网发电达到一定规模时，如果地理气 象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无 功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济 运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。 4 远距离光伏电能输送。当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为 可能时，由于光伏并网发电没有旋转惯量，调速器及励磁系统，它将给交流电网带 来新的稳定问题。如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电，将会给与光伏 发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题，( 专门用于光伏并网发电 的输电线路，由于使用效率低，将对荒漠太阳能的利用形成制约。用于借道或者兼 顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路，由于负荷率低下，显得很不经济。) 不 论采用高压交流或直流送出，光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置。至于 对电网稳定的影响，目前还未见到光伏发电在电网稳定计算中的数学模型( 包括电 源模型和负荷模型) 。光伏并网发电将对电网安全稳定运行有多大的影响目前尚不 清楚。 5 降耗问题。光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光 伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发 电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效 率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降 低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网 输送电力将侵害其他发电厂商的利益，这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是 由于电网在考虑安全，稳定和经济运行时，不仅仅是只由水电厂担任旋转备用。因 此，系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量f i f 应该乘以一个小于1 的 系数，并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。 综上所述，由于光伏发电输出功率的特殊性，即周期性地输出功率，并且其功 率值与太阳辐照强度等气象条件有关，并网以后会对电网产生一个周期性的冲击。 因此，光伏系统输出功率的扰动将有可能影响电网的稳定，会使电力系统负荷预测、 规划和运行与过去相比有更大的不确定性，大量的用户使用光伏发电系统为其提供 电能，使得配电网规划人员更加难于准确预测负荷的增长情况，从而影响系统的调 度和机组出力的计划。据国外有关文献资料介绍，一个电网的发电容量中的光伏发 电容量比例一般不宜超过1 0 一1 5 ，否则整个电网将难以运行i z l j 。 华北电力大学硕士学位论文 因此含有光伏并网系统的电网做发展规划时，在负荷预测中应充分考虑光伏并 网发电对电网的影响，同时有必要对光伏系统的出力进行预测，以便了解大规模的 太阳能光伏并网系统的发电运行特性以及与电网调度、电力负荷等的配合问题；有 利于电力系统调度部门及时调整调度计划，有效地减轻光伏并网发电对电网的影 响。 1 5 本文的主要工作 本文首次提出并解决了在含有光伏并网系统的电网中如何进行短期负荷预测 的一个新问题。含有光伏并网发电系统的电网在做发展规划时，对负荷预测应充分 考虑光伏并网发电对电网的影响，同时结合实际情况研究出合适的含有光伏并网系 统的电网的负荷预测模型，这是一项具有重要意义的工作。本文的主要工作如下： 1 对目前的短期负荷预测方法进行分析比较，提出短期负荷预测发展的新方 向；分析光伏并网发电对现有发电模式和电网的技术、经济、政策带来的问题，分 析在电网短期负荷预测中考虑光伏并网发电的意义。 2 综合考虑各种影响光伏出力的因素，同时基于保定地区的气象资料以及美国 国家航空和宇航局( n a s a ) 提供的保定地区的太阳辐射数据以及可再生能源互补发 电优化建模的h o m e r ( h y b r i do p t i m i z a t i o nm o d e lf o re l e c t r i cr e n e w a b l e ) 软 件，建立一个保定地区的总峰瓦值为3 0 m w 的光伏并网发电系统的出力模型，并且 模拟得到该光伏系统的出力数据。 3 介绍支持向量机回归算法的原理，研究光伏系统出力特性；基于光伏系统出 力的不连续性、不确定性和周期性，以及光伏系统的出力与其影响因子之间的非线 性关系，建立光伏系统出力的s v m 回归预测模型，并进行相应的预测。 4 分析含有光伏并网发电系统的电网的短期负荷特性，基于保定市区的历史负 荷、气象数据以及模拟得到的光伏系统出力数据，建立考虑光伏并网发电的电网短 期负荷的两种预测模型，分析预测结果，并对两种预测模型进行比较。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章光伏并网发电系统出力模型的建立 太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过 并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是 2 l 世纪最具吸引力的能源利用技术。本章仅针对并网光伏系统建立出力模型。本章 基于保定地区的气象资料，模拟建立了一个大型的光伏并网电站，并模拟计算出该 光伏系统的全年的出力数据。 2 1 光伏并网发电系统简介 2 1 1 光伏并网发电系统的原理及组成 太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直 接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。如图2 1 所示：白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到 交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。 蘑l 图2 1 并网光伏系统发电原理图 1 太阳能电池组件。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太 阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域 和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个 组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。一个太阳能电池只能产生 大约o 5 伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把 太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能 华北电力大学硕士学位论文 电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是3 6 片，这意味着一个太 阳能组件大约能产生1 7 伏的电压。 2 直流交流逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的 是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方 式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能 电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统 将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 并网太阳能光伏系统可分为集中式大型并网光伏系统和分散式小型联网光伏 系统两大类。大型并网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上，由电 网统一调配向用户供电。与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有许多独特 的优越性，可以概括为以下几点： ( 1 ) 利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资 源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合 经济社会可持续发展战略。 ( 2 ) 所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光 伏系统的建设投资可减少达3 5 一4 5 ，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可 提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。 ( 3 ) 光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材 料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑 物科技含量提高、增加“卖点”