雞肋的功率預(yù)測——太陽能光伏電站數(shù)據(jù)揭秘

表一：各資源區(qū)的標(biāo)桿上網(wǎng)電價（注：西藏自治區(qū)標(biāo)桿電價另行制定；電價單位：元/千瓦時） 圖一：NREL的SAM頁面圖二：1978—2007年全國平均直接輻射總量（來源：國家氣象局）圖三：美國專業(yè)資源評估公司3 Tier的數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)以及專業(yè)模型推算，分辨率精確到3km表三：中廣核敦煌特許權(quán)項(xiàng)目實(shí)測日照數(shù)據(jù)與NASA數(shù)據(jù)和可研數(shù)據(jù)的對比圖四：國潤天能位于敦煌的氣象設(shè)備 2014年開始，中國光伏電價補(bǔ)貼已經(jīng)不在全國統(tǒng)一電價，而是根據(jù)太陽能資源的優(yōu)劣劃分了三類地區(qū)，這三類地區(qū)將分別獲得1、0.95、0.9元/千瓦時的標(biāo)桿上網(wǎng)電價 （表一）。太陽能資源數(shù)據(jù)對于電站的項(xiàng)目選址、發(fā)電量預(yù)計有直接的關(guān)系，但光伏行業(yè)在這方面的積累還非常有限。數(shù)據(jù)的來源2013年底國家能源局出臺了光伏電站暫行管理辦法，其中里面第12條明確規(guī)定項(xiàng)目開發(fā)前期，必須要有現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，或者有代表性的實(shí)測數(shù)據(jù)。在一份提交給國家能源局的文件中，中國96個基準(zhǔn)站的10年平均水平面總輻射量統(tǒng)計表被作為附件遞交上去。這個遍及中國所有省、直轄市的數(shù)據(jù)表格給出了包括經(jīng)緯度、海拔、水平面年輻射量、傾斜面年輻射量以及等效滿發(fā)小時數(shù)等諸多參數(shù)。這份保密級別的文件外界很難以看到，在新建項(xiàng)目中，要獲得有用的光資源數(shù)據(jù)，要么從當(dāng)?shù)貧庀缶仲徺I，要么免費(fèi)從NASA來查找。目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些機(jī)構(gòu)在做太陽輻射的研究。美國航空航天局（NASA）通過對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的反演，免費(fèi)為用戶提供分辨率為3—110公里的太陽輻射數(shù)據(jù)。NASA的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為中國光伏行業(yè)獲取太陽能資源數(shù)據(jù)最主要的來源。國際電工委員會（IEC）中國專家代表林陽認(rèn)為NASA的免費(fèi)公開數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，“我們對比過甘肅某地的數(shù)據(jù)，NASA公開數(shù)據(jù)給出的值是1600kW•h/m2•a，但實(shí)際的數(shù)據(jù)是接近2000kW•h/m2•a。NASA公開數(shù)據(jù)有較大的誤差，特別是在陰、雨天氣較多的地區(qū)下誤差能達(dá)到25%。”LDK工程公司副總經(jīng)理張雷也表示“NASA的數(shù)據(jù)很有名，但并不是一個可靠的來源。”美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）也在研究跟太陽能發(fā)電相關(guān)的光資源數(shù)據(jù)，他們用的也是NASA數(shù)據(jù)，但是其分辨率是3—40公里的資源數(shù)據(jù)，在其推出的SYSTEM ADVISOR MODEL(sam.nrel.gov)免費(fèi)設(shè)計軟件中，給出了更為準(zhǔn)確的光資源數(shù)據(jù)。“在中國范圍內(nèi)，SAM會免費(fèi)向使用者提供其IP位置方圓五公里的資源數(shù)據(jù)，超過這個范圍的數(shù)據(jù)沒法下載，但是可以向NREL發(fā)郵件索要項(xiàng)目所在地的數(shù)據(jù)。”林陽曾經(jīng)收到了NREL回復(fù)郵件并得到了想要的數(shù)據(jù)，“這個軟件主要針對美國光伏市場的需求。”林陽表示，光資源數(shù)據(jù)來源還是比較多的，“我曾經(jīng)用過MeteoTest瑞士公司開發(fā)的Meteonorm軟件，還有人用法國美迪公司的MeteoDyn Solar工具的數(shù)據(jù)。一些國內(nèi)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)在近幾年也將會推出一系列免費(fèi)的全國光資源數(shù)據(jù)源。”中國面積廣大，全國各地區(qū)光資源及太陽輻射資源有較大差異，根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國太陽能資源地區(qū)被劃分為四類（見表二）。中國經(jīng)過數(shù)十年的積累也擁有了自己的光資源數(shù)據(jù)。中國從1953年開始測量太陽輻射，目前有2300個氣象站和310座氣象臺。其中122個基準(zhǔn)氣象臺中擁有10年以上數(shù)據(jù)的氣象臺只有96個。中國氣象局是這些數(shù)據(jù)的所有者。國家氣象局風(fēng)能太陽能資源中心(以下簡稱風(fēng)太中心)研究員趙東表示，中國氣象局有兩套相關(guān)的數(shù)據(jù)，核心是全國96個基站的觀測數(shù)據(jù)。其中一套來自氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過官方理論模型，考慮到經(jīng)緯度、海拔等一系列參數(shù)計算出來，然后再對比96個基站的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對而得出；另一套數(shù)據(jù)來自全國2000多個氣象站點(diǎn)的日照時數(shù)等數(shù)據(jù)與96個氣象臺數(shù)據(jù)的綜合結(jié)果。風(fēng)太中心目前為光伏行業(yè)提供電站太陽能資源評估和太陽能發(fā)電專業(yè)數(shù)值天氣預(yù)報的服務(wù)。神華集團(tuán)下屬的國華能源投資有限公司是中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心的長期客戶，張華（匿名）向PV-Tech表示，“我們在做前期選址的時候要用到光資源數(shù)據(jù)，一個坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)要十五萬左右。”對于氣象局的數(shù)據(jù)收費(fèi)，張雷也表示不滿，“希望國家氣象局能把數(shù)據(jù)免費(fèi)向電站投資者開放。我們進(jìn)行投資就會產(chǎn)生稅收，而稅收支撐了國家政府的運(yùn)行?，F(xiàn)在氣象局把這些數(shù)據(jù)拿來賣錢，對整體的光伏行業(yè)是不利的。”在PV-Tech PRO采訪的大部分電站開發(fā)商中，在前期項(xiàng)目開始就從氣象局購買數(shù)據(jù)的并不多，一些開發(fā)商會通過關(guān)系從已有數(shù)據(jù)者那里獲取，更多的是去找類似NASA的免費(fèi)數(shù)據(jù)。張雷曾經(jīng)通過一個名為中國氣象資源共享網(wǎng)的網(wǎng)站獲取免費(fèi)的氣息數(shù)據(jù)，“但后來氣象局把這個網(wǎng)站關(guān)閉了。”事實(shí)上，即使購買了氣象局的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并非完全準(zhǔn)確。張華表示，一方面每年的光資源會因?yàn)樘鞖庾兓煌硪环矫?ldquo;不知道什么原因，東部地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)總是偏低。”PV-Tech記者在西部多個地區(qū)發(fā)現(xiàn)，同一地區(qū)的不同電站其組件傾角最大超別超過5度。趙東解釋道，“可靠的光資源數(shù)據(jù)是非常必要的。最直接的影響是電站設(shè)計中傾角的計算，目前主要的計算方法都沒有問題，差異來自于光資源數(shù)據(jù)。”目前中國有98個氣象臺站監(jiān)測總輻射量數(shù)據(jù)，17個臺站擁有直接輻射數(shù)據(jù)，而光伏傾角計算更多依賴直射輻射數(shù)據(jù)，“即使同樣總輻射量級的光資源地區(qū)，有的地方直射輻射分量多，有的地方散射輻射分量多，后者地區(qū)組件更傾向于平放，而前者組件跟蹤太陽更合適。”趙東補(bǔ)充到，“最佳傾角計算除了考慮輻射，還要考慮當(dāng)?shù)氐臏囟群惋L(fēng)速等諸多因素。”站內(nèi)的氣象儀目前大部分光伏電站在站內(nèi)安裝了氣象儀，但目前大多數(shù)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集并不完備。MEMC在中國投資的第一個電站——敦煌迪盛正在收集傾角輻射，其項(xiàng)目經(jīng)理喬利軍表示，“傾角輻射數(shù)據(jù)比水平數(shù)據(jù)能更好的反應(yīng)電站發(fā)電量和運(yùn)行狀況。”在張雷看來，完備的氣象儀至少要有四塊太陽輻射表，分別測量總輻射值、散射輻射值、傾角輻射值以及直射光數(shù)據(jù)，其中直射輻射的高精度跟蹤器要占據(jù)較高的成本，有的電站為了節(jié)約這方面的預(yù)算，直射輻射量就直接用總輻射量減去散射輻射量，這種做法并不完善。 “測光數(shù)據(jù)是為了光功率預(yù)測服務(wù)的，要做光功率預(yù)測需要以這四塊表的測試值為依據(jù)。”中國光伏專家王斯成在考察了西部電站后發(fā)現(xiàn)，一些電站并沒有安裝傾角輻射表，但這些電站運(yùn)維人員會通過軟件經(jīng)過對水平輻射值的計算得到需要的數(shù)據(jù)。中廣核敦煌特許權(quán)電站在站內(nèi)架設(shè)的太陽輻射監(jiān)測儀記錄了去年一年的數(shù)據(jù)，但由于儀器的問題并沒有得到全年的所有數(shù)據(jù)。但根據(jù)其中8個月的數(shù)據(jù)來看（見表三），實(shí)測輻照量與NASA數(shù)據(jù)和可行性研究的數(shù)據(jù)最大參考誤差超過30%。趙東認(rèn)為這種誤差存在很正常，“每年的天氣狀況都不相同，所以需要多年的數(shù)據(jù)積累。”而氣象儀的質(zhì)量是也是造成數(shù)據(jù)差異的原因之一。在中廣核敦煌特許權(quán)項(xiàng)目運(yùn)維記錄中，氣象儀（型號WAMS620-SP）頻繁出現(xiàn)問題，如氣象數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)很少會傳輸監(jiān)控后臺，氣象儀數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等。根據(jù)趙東的經(jīng)驗(yàn)，氣象儀的質(zhì)量是一方面，即使好的氣象儀，其中每塊輻射表還需要在當(dāng)?shù)貧庀笳具M(jìn)行標(biāo)定。如果不做標(biāo)定，每塊表仍然存在不同的誤差。王斯成表示，對于輻射數(shù)據(jù)及其測量應(yīng)該符合GB/T20513-2206國標(biāo)文件中光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導(dǎo)則中的內(nèi)容，該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等效于IEC61724。目前氣象儀根據(jù)其功能不同，價格從數(shù)萬到十幾萬不等。林陽認(rèn)為，“國外的氣象儀輻照表的精度更高，主要原因是其中的光敏元器件工藝會更好一些。見到過日本EKO的測試設(shè)備，其高端輻射表配有專門的散熱風(fēng)扇，可以避免輻照表內(nèi)部元器件的溫度漂移問題。”趙東并未對國產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品的差異直接評價，“我們氣象部門的都采用國產(chǎn)的輻照表，質(zhì)量都沒有問題，關(guān)鍵還是看是否做好標(biāo)定。”相比于大多數(shù)企業(yè)在光資源設(shè)備上投入不足，國潤天能則在敦煌建設(shè)了中國第一個第三方野外實(shí)驗(yàn)站，其中一套完備的氣象及光資源觀測設(shè)備耗費(fèi)超過200萬。這套系統(tǒng)已經(jīng)積累了一年的數(shù)據(jù)，國潤天能正在對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。雞肋的功率預(yù)測為了更好的對光伏電站的電力進(jìn)行管理和調(diào)度，國家電網(wǎng)要求各電站安裝光功率預(yù)測系統(tǒng)。趙東認(rèn)為，“光功率預(yù)測系統(tǒng)必須與輻射觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來才能發(fā)揮作用，特別是超短時間功率預(yù)測。”在他看來，光功率預(yù)測的本質(zhì)是把觀測的太陽輻射數(shù)據(jù)結(jié)合其他氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為功率，“在光資源有效數(shù)據(jù)缺乏的情況下，這套系統(tǒng)很難發(fā)揮作用。”金塔甘電投電站站長劉海林表示，“光功率預(yù)測系統(tǒng)安裝上了，但一直沒有用。”事實(shí)上，在PV-Tech PRO記者走訪的大多數(shù)電站中光功率預(yù)測系統(tǒng)都沒有投入使用。甘肅金塔亞洲新能源電站負(fù)責(zé)人劉生平表示，“甘肅省電網(wǎng)公司在嘉酒地區(qū)新能源送出能力提升協(xié)調(diào)會上提出，要求光伏電站安裝有功功率控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與省調(diào)接口，如果有超最大出力上限的機(jī)會，省調(diào)可反饋信息。”劉生平了解到，這套系統(tǒng)報價59萬，他們還沒有安裝這套系統(tǒng)，將看已安裝企業(yè)的效果如何、以及是否能起到多發(fā)電的作用再做安排。張雷對地面電站光功率預(yù)測系統(tǒng)的看法是，“真正的功率預(yù)測是要在站內(nèi)安裝一系列的測試設(shè)備，包括濕度、云量、雨量的傳感器，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)功率預(yù)測，而不是現(xiàn)在的功率推算。就像F1方程式賽車比賽中都會提供實(shí)時氣象服務(wù)，比如會不會有雨，幾分鐘后會有雨等。”在他看來，數(shù)據(jù)收集需要一個積累的過程，只有這樣預(yù)測才會越來越精確。作為IEC標(biāo)準(zhǔn)中國代表，王斯成提出了針對IEC61725標(biāo)準(zhǔn)（日光功率預(yù)測分析）的修訂，該標(biāo)準(zhǔn)中有三種理論分析模型（峰值分布、cosine分布、平坦分布）。林陽表示，“如果光功率預(yù)測細(xì)化不到每一天，那么是沒有更好的途徑來保證準(zhǔn)確性。”萊維塞爾和天源科創(chuàng)都提供了各自整合各種輻照計和氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備的整套方案，在其設(shè)備中都有著名Kipp&Zonen輻射監(jiān)測設(shè)備。萊維塞爾還研發(fā)了DX Presee光功率預(yù)測系統(tǒng)，可提供15分鐘分辨率的超短期、短期以及中期功率預(yù)測。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室正在研究云層對發(fā)電效率的影響，他們在一個大型地面電站和一個分布式電站中放置了多個太陽能輻射點(diǎn)傳感器，以對比輻照度變化與電站輸出功率的差異。他們的分析能夠量化每個電站的短時間功率變化，并創(chuàng)建模型來模擬這種變化。Sandia實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)計劃將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)大到更多電站中以驗(yàn)證他們的模型，并研究光伏電力的波動對電網(wǎng)的沖擊。趙東為光功率預(yù)測提供了新的解決辦法，“電站業(yè)主可以采用數(shù)字氣象預(yù)報，實(shí)時的氣象數(shù)據(jù)反饋給功率預(yù)測的服務(wù)單位。”中國氣象局太陽能發(fā)電專業(yè)數(shù)值天氣預(yù)報模式系統(tǒng)利用局地分析預(yù)報系統(tǒng)LAPS三維云分析技術(shù)、中尺度氣象模式WRF與大氣輻射傳輸模式SES2，通過基于衛(wèi)星遙感水汽、可見光和紅外通道數(shù)據(jù)以及云分類、云檢測等數(shù)值產(chǎn)品的LAPS三維云分析改進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)了云物理參數(shù)的模擬和預(yù)報以及太陽輻射的模擬和預(yù)報。該系統(tǒng)為云雨天氣條件下三維云量場及太陽輻射的模擬和預(yù)報提供相對準(zhǔn)確的數(shù)值方法，為發(fā)電量預(yù)報提供準(zhǔn)確可靠的太陽輻射模擬和預(yù)報基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。趙東表示，未來三天的數(shù)字氣象數(shù)據(jù)服務(wù)的價格根據(jù)預(yù)報的點(diǎn)數(shù)以及要素的多少、每天幾次數(shù)據(jù)提供等而有所差異，“但一般每年費(fèi)用不超過10萬。”在數(shù)字氣象預(yù)報的支持下，光伏電站可以實(shí)現(xiàn)4小時以內(nèi)的超短期功率預(yù)測以及72小時內(nèi)的短期功率預(yù)測。東潤環(huán)能的光功率預(yù)測的氣象信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括風(fēng)速曲線、風(fēng)玫瑰圖、風(fēng)廓線、輻照強(qiáng)度曲線以及云量曲線和氣溫曲線等。在作出預(yù)測后，這臺設(shè)備將統(tǒng)計預(yù)測值與實(shí)際功率值并給出平均絕對誤差和均方根誤差以及誤差小于20%所占的比例。地面電站因規(guī)模大可以搭建氣象儀，對于中小型的分布式項(xiàng)目來說難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉植际降墓夤β暑A(yù)測實(shí)現(xiàn)起來會有困難。趙東也想到這個問題，“按我的想法，地方電力公司或電力調(diào)度機(jī)構(gòu)可以統(tǒng)一做預(yù)測，目前技術(shù)上也是可行的。氣象部門可以向一個地區(qū)做統(tǒng)一的預(yù)測。我們已經(jīng)做了一套集中化的預(yù)報系統(tǒng)，能同時為很多點(diǎn)做預(yù)測。”由于目前分布式并未大規(guī)模推廣，趙東的這套系統(tǒng)還沒獲得實(shí)際應(yīng)用。在談到氣象服務(wù)收費(fèi)問題，趙東表示，“我們的收費(fèi)更多的是支持風(fēng)太中心的研發(fā)運(yùn)行。”2014年，趙東將就太陽輻射對組件的增溫效應(yīng)以及跟發(fā)電量衰減幅度和效率衰減的關(guān)系、霧霾對光伏系統(tǒng)的影響、沙塵折減系數(shù)等課題展開研究，以更好的為光伏系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計提供幫助。