[论文解读] A Case Study on the Effects of Partial Solar Eclipse on Distributed Photovoltaic Systems and Management Areas

Aditya Sundararajan, Temitayo O. Olowu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 40被引用 6

一句话总结

本研究利用四种分析方法，调查了2017年8月21日日偏食对佛罗里达州两个分布式光伏（PV）系统的影响——迈阿密的1.4 MW系统和代托纳的355 kW系统。分析内容包括：通过功率性能指数评估PV性能、并网点的电能质量、在模拟的IEEE 8500馈线中电压调节装置的运行情况，以及利用多层感知机（MLP）进行可靠性预测。主要发现表明，日食导致辐照度和温度出现显著且快速的下降，引发明显的性能下降及电压调节活动增加，尤其在高光伏渗透水平下更为显著。

ABSTRACT

Photovoltaic (PV) systems depend on irradiance, ambient temperature and module temperature. A solar eclipse causes significant changes in these parameters, thereby impacting PV generation profile, performance, and power quality of larger grid where they connect to. This paper presents a case study to evaluate the impacts of the solar eclipse of August 21, 2017 on two real-world grid-tied PV systems (1.4MW and 355kW) in Miami and Daytona, Florida, the feeders they are connected to, and the management areas they belong to. Four types of analyses are conducted to obtain a comprehensive picture of the impacts using 1-minute PV generation data, hourly weather data, real feeder parameters, and daily reliability data. These analyses include: individual PV system performance measurement using power performance index; power quality analysis at the point of interconnection; a study on the operation of voltage regulating devices on the feeders during eclipse peak using an IEEE 8500 test case distribution feeder; and reliability study involving a multilayer perceptron framework for forecasting system reliability of the management areas. Results from this study provide a unique insight into how solar eclipses impact the behavior of PV systems and the grid, which would be of concern to electric utilities in future high penetration scenarios.

研究动机与目标

• 评估2017年日偏食对佛罗里达州实际配电网中分布式光伏系统的影响。
• 分析日食期间1.4 MW光伏系统在并网点（POI）的电能质量影响。
• 模拟日食引发的功率骤降期间，配电馈线中电压调节装置（如调压器、电容器）的运行响应。
• 利用气象数据和多层感知机（MLP）框架，对迈阿密和代托纳的配电管理区域进行可靠性预测与评估。
• 为电力公司提供在高光伏渗透场景下应对未来日食事件的实用建议。

提出的方法

• 使用基于云的现场数据采集系统，获取1分钟分辨率的PV发电数据，用于性能分析。
• 使用电能质量监测仪，在迈阿密系统并网点采集1分钟分辨率的电能质量数据（有效值电压、谐波、闪变）。
• 基于真实馈线参数和光伏系统数据，对IEEE 8500节点测试馈线进行仿真，分析电压分布变化和调压器运行情况。
• 应用多层感知机（MLP）框架，利用每小时气象数据（如温度、雷击次数）预测日度可靠性指数。
• 开展回归分析与敏感性分析，识别影响配电网络可靠性的关键气象参数。
• 使用功率性能指数（PPI）量化日食期间系统性能变化，并与辐照度、环境温度和组件温度进行相关性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 2017年日偏食如何影响佛罗里达州迈阿密和代托纳分布式光伏系统的性能？
• RQ2 日食期间，并网点的电能质量指标（电压、谐波、闪变）有何影响？
• RQ3 日食如何影响配电馈线中电压调节装置（如调压器、电容器）的运行？
• RQ4 常见气象参数（如温度、雷击）在多大程度上影响配电系统可靠性？这些参数能否用于日食事件期间的可靠性预测？
• RQ5 在高光伏渗透条件下，光伏功率骤降与环境参数变化的动力学如何影响电网稳定性与运行规划？

主要发现

• 系统A（迈阿密1.4 MW）在日食峰值期间性能下降较慢，因其辐照度、环境温度和组件温度的下降更为平缓，相较于系统B。
• 系统B（代托纳355 kW）表现出更陡峭的辐照度与温度下降，导致功率性能指数（PPI）显著上升，表明性能受冲击更严重。
• 辐照度、环境温度与组件温度在各系统内部及之间均表现出强烈正相关性，表明具备基于聚合的预测潜力。
• 电能质量指标（有效值电压、谐波、闪变）在日食期间仍符合IEEE标准，但随着光伏渗透率提高，严重扰动的风险增加。
• 电压调节装置（包括调压器与电容器组）在日食引发的功率骤降期间运行频率增加，尤其在连接光伏的母线附近，系统B的位置导致并网点出现电压上升。
• 日食导致系统损耗增加，因光伏输出快速变化；基于MLP的可靠性预测模型识别出雷击次数是对可靠性影响最大的气象参数，而平均温度影响最小。