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(jià)（注：西藏自治區(qū)標(biāo)桿電價(jià)另行制定；電價(jià)單位：元/千瓦時(shí)） 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(píng)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(duì)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(jià)補(bǔ)貼已經(jīng)不在全國統(tǒng)一電價(jià)，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(shí)的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià) （表一）。太陽能資源數(shù)據(jù)對(duì)于電站的項(xiàng)目選址、發(fā)電量預(yù)計(jì)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(tái)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(gè)基準(zhǔn)站的10年平均水平面總輻射量統(tǒng)計(jì)表被作為附件遞交上去。這個(gè)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(shí)數(shù)等諸多參數(shù)。這份保密級(jí)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(duì)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(huì)（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(duì)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(gè)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(jì)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(huì)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(gè)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(gè)軟件主要針對(duì)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(huì)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(píng)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(gè)氣象站和310座氣象臺(tái)。其中122個(gè)基準(zhǔn)氣象臺(tái)中擁有10年以上數(shù)據(jù)的氣象臺(tái)只有96個(gè)。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(gè)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(jì)算出來，然后再對(duì)比96個(gè)基站的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)而得出；另一套數(shù)據(jù)來自全國2000多個(gè)氣象站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)與96個(gè)氣象臺(tái)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(píng)估和太陽能發(fā)電專業(yè)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(píng)估中心的長期客戶，張華（匿名）向PV-Tech表示，“我們?cè)谧銮捌谶x址的時(shí)候要用到光資源數(shù)據(jù)，一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)要十五萬左右。” 對(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(gè)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(gè)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(huì)因?yàn)樘鞖庾兓煌?，另一方?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(gè)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(jì)中傾角的計(jì)算，目前主要的計(jì)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(gè)氣象臺(tái)站監(jiān)測總輻射量數(shù)據(jù)，17個(gè)臺(tái)站擁有直接輻射數(shù)據(jù)，而光伏傾角計(jì)算更多依賴直射輻射數(shù)據(jù)，“即使同樣總輻射量級(jí)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(jì)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(gè)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(huì)通過軟件經(jīng)過對(duì)水平輻射值的計(jì)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(gè)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(hào)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(huì)傳輸監(jiān)控后臺(tái)，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(duì)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(jià)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(huì)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(duì)國產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品的差異直接評(píng)價(jià)，“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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)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(huì)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(huì)，省調(diào)可反饋信息。”劉生平了解到，這套系統(tǒng)報(bào)價(jià)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(duì)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(huì)提供實(shí)時(shí)氣象服務(wù)，比如會(huì)不會(huì)有雨，幾分鐘后會(huì)有雨等。”在他看來，數(shù)據(jù)收集需要一個(gè)積累的過程，只有這樣預(yù)測才會(huì)越來越精確。 作為IEC標(biāo)準(zhǔn)中國代表，王斯成提出了針對(duì)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(jì)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(duì)發(fā)電效率的影響，他們?cè)谝粋€(gè)大型地面電站和一個(gè)分布式電站中放置了多個(gè)太陽能輻射點(diǎn)傳感器，以對(duì)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(gè)電站的短時(shí)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(jì)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(dòng)對(duì)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(bào)，實(shí)時(shí)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(bào)模式系統(tǒng)利用局地分析預(yù)報(bào)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(bào)以及太陽輻射的模擬和預(yù)報(bào)。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(bào)提供相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值方法，為發(fā)電量預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確可靠的太陽輻射模擬和預(yù)報(bào)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(jià)格根據(jù)預(yù)報(bào)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(bào)的支持下，光伏電站可以實(shí)現(xiàn)4小時(shí)以內(nèi)的超短期功率預(yù)測以及72小時(shí)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(jì)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(tái)設(shè)備將統(tǒng)計(jì)預(yù)測值與實(shí)際功率值并給出平均絕對(duì)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(duì)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(huì)有困難。趙東也想到這個(gè)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(gè)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(bào)系統(tǒng)，能同時(shí)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(duì)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(duì)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(jì)提供幫助。