大型光伏电站的辐照度和功率输出波动分析

# 大型光伏电站的辐照度和功率输出波动分析 ## 1 光伏电站层面的波动分析 ### 1.1 功率和辐照度波动的定义与计算 功率波动在时刻 t 的大小 $\Delta P_{\Delta t}(t)$ 定义为两个相隔时间间隔 $\Delta t$ 的功率测量值之差，并相对于所研究电站的额定功率 $P_n$ 进行归一化，公式如下： $\Delta P_{\Delta t}(t) = \frac{[P(t + \Delta t) - P(t)]}{P_n} \times 100\%$ 此定义同样适用于辐照度波动 $\Delta G_{\Delta t}(t)$，不过是通过 $G^* = 1000 W/m^2$ 进行归一化。需要注意的是，$\Delta t$ 必须是信号采样时间（此处为 1 s）的倍数。通过在时间序列上移动幅度为 $\Delta t$ 的时间窗口，就可以得到原始时间序列中每个时刻的波动值。波动是一个相对值，以百分比表示，它能在一定程度上反映给定时间间隔内功率输出相对于总装机功率的变化，这对电站运营商来说是重要的数据。 例如，在一个光伏电站记录了一系列功率测量值，要计算与之相关的功率波动的演变，只需逐步将幅度为 $\Delta t$ 的窗口移动到整个序列上，并计算相应的波动。窗口会遍历所有测量值，$\Delta t$ 的宽度可以是测量分辨率的任意倍数，也可以是 1 s。下图展示了不同 $\Delta t$ 下辐照度和功率波动的演变： | 时间间隔 $\Delta t$ | 功率波动与辐照度波动关系 | | ---- | ---- | | 60 s | 功率波动相对于辐照度波动有明显的平滑效果 | | 600 s | 功率波动相对于辐照度波动有明显的平滑效果，且时间间隔 $\Delta t$ 越大，波动越大 | ### 1.2 辐照度波动 #### 1.2.1 辐照度波动分布 在 Cintruénigo 站点记录了一年的辐照度波动分布，观察间隔 $\Delta t$ 分别为 1 s、30 s、60 s 和 600 s，以百分比形式呈现。这些波动是基于从黎明到黄昏的每日辐照度测量值计算得出的，并且分布进行了归一化处理，使得每条曲线所包围的总面积等于 100。由于相对频率轴采用对数刻度，这一特征与图形的视觉印象可能不一致。 分布明显对称，这是因为云的通过会使辐照度在云影进入研究区域时降低，云影离开后又会增加。此外，从图中可以看出，波动幅度与观察窗口 $\Delta t$ 呈正相关。以下是不同波动区间的相对发生频率表： | $\Delta G_{\Delta t}$ (%) | $\Delta t$ (s) | | | | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | | 1 s | 30 s | 60 s | 600 s | | $0\% \leq \Delta G \leq 3\%$ | 98.9 | 92.5 | 87.5 | 59.3 | | $3\% \leq \Delta G \leq 10\%$ | 0.9 | 4.5 | 7.4 | 28.2 | | $10\% \leq \Delta G \leq 50\%$ | 0.1 | 2.7 | 4.4 | 11.2 | | $50\% \leq \Delta G \leq 100\%$ | $2 \times 10^{-4}$ | 0.3 | 0.7 | 1.3 | | $0\% \leq \Delta G \leq 100\%$ | 100 | 100 | 100 | 100 | 可以看出，在 1 s 内出现超过 3% 的显著波动是相对罕见的现象，仅占 1% 的时间。而对于 600 s，超过 3% 的波动相对频率接近 41%。对纳瓦拉南部的其他站点进行研究，也得到了类似的结果，这表明在该实验条件下，辐照度波动的发生与站点位置无关。由于辐照度波动是功率波动的主要原因，因此可以推断，纳瓦拉南部光伏电站的功率波动不受地理位置的影响。 #### 1.2.2 最大辐照度波动 下图展示了基于观察间隔 $\Delta t$ 的最大辐照度波动，涵盖了所有研究站点一年的数据。所有值均为正，因为最大值是基于波动的绝对值计算的，原则上网格波动补偿能力是对称的。可以明显看出，辐照度动态变化非常迅速：在 1 s 内最大波动达到 50% - 75%，在 60 s 内达到 100%。超过 100% 的波动是由于白云边缘的反射，使得辐照度值超过了 $G^*$。各个站点之间没有显著差异，这支持了在纳瓦拉的光伏观测站条件下，辐照度波动的表现与地理位置无关的观点。 ```mermaid graph LR A[观察间隔 $\Delta t$] --> B[最大辐照度波动] B --> C{ ```