光伏發(fā)電功率預測方法研究綜述*

錢 振，蔡世波，顧宇慶，童建軍，鮑官軍*

(1.浙江工業(yè)大學，特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310032;2.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海200041)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的能源被消耗。化石燃料是不可再生的，石油、煤和天然氣儲采比分別為53.3年、113年和55.1年［1］。據(jù)英國石油公司(BP)預測2030 可再生能源占全球能源供應的比例將達到30%。太陽能是最理想的可再生能源之一，在太陽能應用中，光伏發(fā)電是最重要的形式之一。

光伏系統(tǒng)可以應用于單個建筑的獨立系統(tǒng)、農(nóng)村的戶用光伏系統(tǒng)、偏遠地區(qū)的大規(guī)模光伏發(fā)電廠或與其他能源相結(jié)合構(gòu)成的微型智能電網(wǎng)。不管以哪一種形式應用，它都存在發(fā)電功率預測的問題。特別是在光伏發(fā)電廠和微網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏發(fā)電輸出的預測數(shù)據(jù)不僅在管理、調(diào)度、操作、公共電網(wǎng)和微電網(wǎng)的控制中發(fā)揮重要作用，也在系統(tǒng)的優(yōu)化、能源有效利用、電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行中起著至關(guān)重要的作用［2-3］。

本研究首先簡要介紹光伏發(fā)電及其影響因素，著重討論分析近年來光伏發(fā)電功率預測的研究工作，并針對光伏發(fā)電預測研究工作存在的問題深入討論、提出相關(guān)建議。

1 光伏發(fā)電的影響因素

1.1 太陽輻射

光伏系統(tǒng)產(chǎn)生電能的數(shù)量幾乎是和照射到光伏面板上的太陽輻射量成正比的。研究表明:太陽輻射量(單位:kW/m2)減少50%，光伏面板的輸出功率也會降低50%［4］。

地球表面的太陽輻射量對于太陽能系統(tǒng)領域的工程應用和研究來說至關(guān)重要。一般來說，入射到光伏面板的太陽輻射由3 個部分組成，即直接輻射、散射輻射和反射輻射。

1.2 晴空指數(shù)

地球表面的太陽輻射和地外輻射的比率稱為晴空指數(shù)，晴空指數(shù)是一個隨機參數(shù)，它是年、季節(jié)、氣候條件和地理位置的一個函數(shù)。從定義上，晴空指數(shù)也是太陽輻射在地球表面的線性函數(shù)。所以晴空指數(shù)也是太陽輻射的一個指示器。一些研究人員嘗試不同的模型來計算晴空指數(shù)以預測太陽輻射［5］。在羅馬尼亞的布拉索夫市區(qū)，月平均晴空指數(shù)被用來預測每月的太陽輻射［6］。也有一些研究人員認為［7］:晴空指數(shù)應該與其他因素，如規(guī)范化日照時間一起作為太陽輻射預測的輸入數(shù)據(jù)。

1.3 日照時數(shù)

日照時數(shù)是指太陽每天在垂直于其光線的平面上的輻射強度超過或等于120 W/m2的時間長度［8］。在一個具體的地理位置，可應用隨機模型［9］、模糊邏輯［10-12］和神經(jīng)模糊［13］等方法計算光伏發(fā)電系統(tǒng)的日照時數(shù)。

1.4 云

云是影響光伏發(fā)電輸出功率的主要因素之一。由于遮擋作用，云會大幅度降低達到光伏面板的太陽輻射量;并且，云的快速移動或變化會導致光伏輸出功率的大幅度波動。一片飄過的云團可以在幾秒鐘內(nèi)使一個點上的太陽輻射的變化超過60%。

云對光伏系統(tǒng)的影響和太陽位置改變對光伏系統(tǒng)的影響不同，太陽位置的改變對光伏系統(tǒng)輸出的影響具有統(tǒng)一性和相關(guān)性，但云的大小、形狀、速度和方向都在持續(xù)地變化，所以云具有高隨機性和不確定性，從而導致被其遮擋的光伏系統(tǒng)輸出功率在不斷地隨機性波動變化。

1.5 溫度

太陽能光伏電池的效率隨著溫度的升高而減少，因為溫度升高會使載流子的遷移率、擴散長度以及少數(shù)載流子的壽命變差。硅光伏電池具有很好的吸熱性，所以它們的溫度會在運行期間顯著的上升，從而改變了光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率［14］。光伏面板的溫度取決于光伏面板的吸收特性、封裝結(jié)構(gòu)與材料、散熱性、光伏面板工作的地點、大氣參數(shù)如輻照度水平、環(huán)境溫度、風速和特定安裝條件等。

1.6 風速

風速對光伏電池性能具有重要的影響，因為它影響光伏面板的溫度和灰塵積累。風可以加速光伏面板上方的氣流流動，而流動的空氣可以加快光伏面板的熱傳遞，使面板的溫度降低。實驗表明，面板的溫度是以風速約1.45 ℃/(m·s-1)的增加而降低的［15］。此外，風也影響光伏電池上的灰塵覆蓋層中沉積結(jié)構(gòu)，從而影響覆蓋層的透射率［16］。

1.7 灰塵

在戶外環(huán)境中構(gòu)建的光伏系統(tǒng)，光伏面板暴露在空氣中，天長日久自然會積累灰塵。幾項研究表明，積累的灰塵會降低太陽能光伏電池的性能。光伏面板暴露在戶外10 天后，它的透光率平均降低8%［18］，8 個月后光伏面板的性能大約降低32%［19］。光伏面板上的沙子堆積將造成光伏發(fā)電效率下降17%［20］。谷歌大學的一個對比實驗則表明:灰塵會導致光伏面板輸出的電流降低2%［21-22］。

2 光伏功率預測的研究進展

2.1 研究現(xiàn)狀

光伏發(fā)電預測方法主要分為兩類:統(tǒng)計法和人工智能法［23］。統(tǒng)計法包括ARMA、ARIMA、馬爾可夫鏈等，但實際上基于歷史數(shù)據(jù)訓練的人工智能功率預測方法也屬于統(tǒng)計法。文獻［24］總結(jié)了2008年之前采用傳統(tǒng)模型和人工智能技術(shù)進行的光伏系統(tǒng)功率預測研究工作。近年來光伏發(fā)電預測研究的最新進展如表1所示［25-58］。由文獻列表可見，近年來有關(guān)光伏發(fā)電預測的研究依然采用馬爾可夫鏈、神經(jīng)網(wǎng)絡、回歸分析、支持向量機、最小二乘法等統(tǒng)計分析方法、人工智能方法、相關(guān)方法的衍生或融合技術(shù)，與文獻［24］總結(jié)分析的各種方法并無實質(zhì)性的差別。

表1 基于統(tǒng)計學的光伏發(fā)電功率預測

方法電站容量考慮因素準確率時間尺度特定區(qū)域的彌漫性全球相關(guān)法13 kWp全球日曬、環(huán)境溫度、光伏參數(shù)平均偏差錯誤:4.1%，均方根誤差:11.4%每個月基于Levenberg Marquardt and Newton Raphson 方法的BP 網(wǎng)絡算法6.8 kWp太陽輻照度、電池溫度、電流和功率、氣象參數(shù)均方誤差:0.006 230 1，R:0.989 8724 h小波神經(jīng)網(wǎng)絡10 MWp連續(xù)21年每日總太陽輻射平均絕對誤差18.79%結(jié)合自回歸模型的小波分解100 Wp太陽輻射、電池溫度、光伏面板的歷史數(shù)據(jù)標準誤差:9.874 8E-08雙正交小波分解方法仿真風速、輻射誤差3%～3.5%.均方根誤差:2.39%24 h進化編程的ANN 模型1.92 kWp太陽輻射和環(huán)境溫度R:＞0.993 60大規(guī)模精確太陽輻射預測德國的光伏系統(tǒng)來自歐洲中期天氣預報中心的天氣數(shù)據(jù)均方根誤差:4%～5%2 d核函數(shù)極限學習機10 kWp，40 kWp歷史數(shù)據(jù)(無需實時數(shù)值天氣預報)平均相對誤差:16%～18%24 h

2.2 時間尺度

由表1 可知，大部分研究的時間尺度是1 天左右，其原因在于:

(1)長期預測相對比較容易。長期預測大多是基于光伏電站發(fā)電和NWP(數(shù)值天氣預報)記錄的歷史數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計回歸可獲得一個合理的并且可以接受的預測結(jié)果。這種類型的預測通常用于光伏電站的設計、選址和咨詢服務，要求精度不高。因此，長期預測很容易實現(xiàn)，一些企業(yè)和非營利組織已經(jīng)開發(fā)了光伏發(fā)電長期預測的軟件。

(2)短期預測的重要性和必要性。對于所有類型的光伏應用，如光伏電站、光伏微網(wǎng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)等，都必須有短期預測模塊來支持系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運行。此外，隨著光伏系統(tǒng)的快速發(fā)展，光伏系統(tǒng)短期功率預測的需求也在不斷增加并越來越迫切。

(3)短期預測能夠滿足不同時間尺度的要求。當短期預測符合其預期的精確度時，它同樣也可以得到中、長期功率預測所需要的結(jié)果。

2.3 預測精度

表1 中的文獻分別使用了下列誤差標準:均方根誤差RMSE，平均絕對誤差百分比MAPE，最大平均誤差MAE，平均偏差MBE，相對偏差，相對均方根誤差rRMSE，平均絕對偏差MAD，平均相對誤差MRE，均方誤差MSE，平均誤差，平均絕對誤差，歸一化誤差，平均相關(guān)系數(shù)R，等等。即使是相同的誤差標準RMSE，MAPE，研究結(jié)果也呈現(xiàn)出相當大的差異。不同預測方法的均方根誤差值如表2所示，其中的均方根誤差RMSE 存在兩種度量方式:功率和百分比。因為不同文獻研究對象的功率容量差異較大，用功率表示的RMSE 差異巨大，如其中一篇文獻的RMSE 是33 W～63 W，而另一篇文獻的RMSE 卻高達0.1 MW。相對而言，百分比形式的RMSE 更具有橫向可比性，但依然差距較大，最小的僅2.39%、最大的為13.17%。同樣，如表3所示的平均絕對誤差百分比MAPE 最小為2.786 7%、最大為16.86%。

表2 不同預測方法的均方根誤差值

3 目前研究中存在的問題分析

由上述文獻及分析可知，近年來在光伏發(fā)電預測方法上沒有突破性的進展及成果，對光伏發(fā)電功率預測相關(guān)問題缺乏深層次思考與研究。本研究從以下幾個方面總結(jié)分析光伏發(fā)電預測中需要重點關(guān)注的問題。

3.1 數(shù)據(jù)基礎

傳統(tǒng)的物理預測方法根據(jù)太陽能輻射模型、電站模型、光伏轉(zhuǎn)換模型、電路模型和逆變器模型來預測輸出功率。但受輻射的不確定性、云的變化、雨水和環(huán)境、電池溫度等因素的影響，會導致短期預測不夠準確。在這種情況下，基于統(tǒng)計和人工智能技術(shù)的輸出功率預測方法可以綜合考慮并補償上述各種因素的影響。不過，這些方法需要充分的歷史數(shù)據(jù)支持，以供給統(tǒng)計處理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練。通常，至少需要光伏系統(tǒng)輸出功率一年的連續(xù)且完整的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸。神經(jīng)網(wǎng)絡相關(guān)的算法不僅需要光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率的歷史數(shù)據(jù)，而且與氣象和數(shù)值天氣預報的歷史數(shù)據(jù)緊密相關(guān)。歷史數(shù)據(jù)的缺少會使相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和人工智能預測方法無效。同時，不完整的歷史數(shù)據(jù)可能導致很大的預測誤差。除了歷史數(shù)據(jù)之外，數(shù)值天氣預報，如云、風、溫度、濕度和降雨等實時數(shù)據(jù)，也有助于預測的在線訓練和調(diào)整內(nèi)部參數(shù)以獲得更高的預測精度。不同預測方法的誤差如表3所示。

表3 不同預測方法的平均絕對誤差百分比

除了歷史數(shù)據(jù)的完整性，另一個值得關(guān)注的問題是數(shù)據(jù)本身。數(shù)據(jù)的采樣間隔、準確性、收集、預處理、數(shù)值天氣預報的選擇和本地傳感器指標特性等都從不同方面決定著數(shù)據(jù)本身的特性，也將很大程度上影響預測的準確性。研究表明，更準確的天氣預報可以將光伏發(fā)電功率預測精度提高10%左右［34］。

3.2 影響因素

正如表1所示，各種研究文獻幾乎考慮了所有影響光伏發(fā)電功率預測性能的可能因素，但主要的因素是太陽輻射和環(huán)境溫度、電池溫度。實際上，清潔度指數(shù)和日照時間是通過改變達到光伏面板的太陽輻射量來影響光伏系統(tǒng)輸出功率。雖然在部分文獻中沒有明確指出，但在光伏發(fā)電功率預測中，晴空指數(shù)和日照時間也常常作為影響因素之一。灰塵覆蓋光伏面板，將減少光伏面板吸收太陽輻射的比例，最終降低光伏面板的輸出功率。不同于輻射、云、溫度、風速等因素，灰塵對光伏功率輸出的影響是一個長期且平穩(wěn)的過程，因為灰塵的沉降、積累和自然清除是一個持續(xù)且穩(wěn)定的過程。灰塵對光伏面板性能的影響具有緩慢性和漸進性，不能反映在超短期或短期預測當中，但可以根據(jù)其影響特性進行補償。

風速和云也明顯地影響光伏系統(tǒng)的功率輸出，但是很少被考慮到，因為它們的屬性變化很大且很快，在幾分鐘內(nèi)甚至幾秒鐘內(nèi)使光伏發(fā)電輸出具有很陡的斜坡，這超出了大多數(shù)人工智能方法處理龐大數(shù)據(jù)量的響應時間。而在數(shù)小時、數(shù)天或數(shù)周時間水平的短期或中期預測中，這種急劇的變化可以被視為異常而忽視。但是在超短期預測中，影響預測精度的最重要因素是云。云只有很小甚至沒有慣性，所以云變幻莫測，它的形狀、大小、速度和方向都在改變。云的變化會立即改變光伏面板接收到的太陽輻射量，并迅速引起光伏系統(tǒng)輸出功率的變化。有研究人員采用天空成像儀［59-60］和太陽跟蹤攝像頭［61］探測和跟蹤影響光伏發(fā)電輸出功率的云朵變化，但其算法的時間分辨率還不能達到預期的精度。

3.3 精度指標

盡管光伏電站已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到推廣應用，但是從文獻分析可以看出:到目前為止還沒有關(guān)于光伏發(fā)電功率預測的相關(guān)標準。作為最大的風電部署國，西班牙擁有嚴格的風電并網(wǎng)標準，其中包括48 h時間尺度的風電場輸出功率預測技術(shù)指標，即:平均誤差為20%，最大誤差為30%;24 h 時間尺度的風電場輸出功率預測的平均誤差為10%，最大誤差為15%［62-63］。但光伏發(fā)電系統(tǒng)還沒有類似的具體標準和要求。

其次，在各種文獻中有太多的光伏功率預測的性能指標參數(shù)，如均方根誤差、相對均方根誤差、平均絕對誤差百分比、平均絕對偏差、平均相對誤差、平均偏差錯誤、均方誤差、相對偏差、平均誤差、平均絕對誤差、平均相對誤差、歸一化誤差、最大平均誤差、平均相關(guān)系數(shù)，等等。這些預測精度指標使用不同的數(shù)學模型和判據(jù)，因而很難將它們進行統(tǒng)一比較分析，難以形成標準。

3.4 時間響應

時間響應是控制系統(tǒng)中的一個技術(shù)術(shù)語。雖然很少有文獻提到光伏發(fā)電功率預測的響應時間參數(shù)，但是毫無疑問它在逆變控制、并網(wǎng)控制、電力監(jiān)視和實時調(diào)度控制中具有非常重要的作用。在短期和超短期預測中，響應時間可以在相當短的時間內(nèi)為控制系統(tǒng)提供準確的決策數(shù)據(jù)支持，保證系統(tǒng)的性能，并保持高動態(tài)品質(zhì)。光伏發(fā)電功率預測的響應時間主要取決于算法。不同的算法及其軟件實現(xiàn)決定了執(zhí)行算法的時間長度，從而決定了預測的響應時間。顯然，回歸方法的響應時間較短，而基于人工智能技術(shù)的方法需要更多的時間進行訓練以滿足所需要的預測精度和性能。所以在短期/超短期預測中，需要平衡精度和時間響應這兩個指標，以滿足實際應用的需求。

3.5 評價標準

如果沒有長時間的應用測試數(shù)據(jù)或在相同條件下對比實驗、應用驗證，僅僅通過算法、仿真結(jié)果或孤立的實驗結(jié)果來評價光伏發(fā)電功率預測方法是不嚴謹?shù)?。雖然已有大量有關(guān)光伏發(fā)電功率預測的研究工作，但在這個領域至今沒有統(tǒng)一的預測方法評價標準。隨著光伏系統(tǒng)的大面積推廣，光伏發(fā)電系統(tǒng)的部署、設計和應用需要光伏發(fā)電功率預測標準。此外，功率預測標準將為電網(wǎng)接納光伏系統(tǒng)提供決策依據(jù)。光伏領域的工程師和研究人員也需要在報告和研究論文中用一個通用評估方法為讀者提供全面、可信的數(shù)據(jù)和研究結(jié)論。

綜合考慮各方面的因素，應在光伏發(fā)電功率預測的評價標準中明確以下信息:

(1)光伏電站相關(guān)數(shù)據(jù)。包括:①電站信息:經(jīng)度、緯度、海拔高度、氣候類型等;②電力系統(tǒng)信息和模型:光伏面板、逆變器、存儲系統(tǒng)、傳感器等。

(2)歷史數(shù)據(jù)。包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)采樣間隔、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)的完整性及合理性。

(3)誤差指標。包括幾種常用的誤差計算方法，如:均方根誤差、平均絕對誤差百分比、平均相對誤差、最大平均誤差和相關(guān)系數(shù)等。

(4)時間尺度和時間分辨率。預測時間尺度可以是小時、天、周或月，時間分辨率可以是秒、分鐘或小時。

(5)算法復雜度。即，在預測方法中所使用的計算方法和計算資源的成本。

(6)時間復雜度。預測方法的時間成本。

(7)經(jīng)濟性。預測方法及其實施的經(jīng)濟性分析。

4 結(jié)束語

全球性的能源形式日趨嚴峻，太陽能光伏發(fā)電將成為最有前景的可再生能源之一。在過去幾十年里，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在世界各地得以推廣應用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)應用中，輸出功率預測是關(guān)鍵技術(shù)之一。本研究對2008年以來有關(guān)光伏發(fā)電輸出功率預測的研究工作進行綜述分析，總結(jié)如下:

(1)大多數(shù)的研究工作都針對短期功率預測(時間尺度24 h)，研究對象、預測方法及結(jié)果差異較大;

(2)太陽輻射、環(huán)境溫度和電池溫度是光伏發(fā)電短期預測中最重要的因素，而云特別是高層云是超短期預測必須考慮的首要因素;

(3)數(shù)據(jù)是光伏發(fā)電預測的必備基礎;

(4)響應時間是光伏發(fā)電短期/超短期功率預測的一個重要指標;

(5)到目前為止，還沒有被普遍認可的標準用于評估各種預測方法。

從信息流的角度來看，光伏發(fā)電功率預測就是采用某種學習計算方法對歷史數(shù)據(jù)信息和實時數(shù)據(jù)信息進行加工處理，然后給出新的信息:預測結(jié)果數(shù)據(jù)。即光伏發(fā)電功率預測主要分為3 個部分:輸入信息、輸出信息和信息處理方法。由以上分析可知，目前絕大多數(shù)的研究工作都集中在信息處理方法上，即嘗試采用各種算法或綜合算法進行功率預測;而對于輸入信息本身的研究、對輸出結(jié)果的可用性和多方位綜合評價與分析，缺少系統(tǒng)性的研究與探討。

結(jié)合綜述分析，筆者對今后光伏發(fā)電功率預測研究提出如下建議:

(1)應加強數(shù)據(jù)的完整性和有效性設計。注重數(shù)據(jù)采集、處理和存儲積累各環(huán)節(jié)的設計，從數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)密度、時間分布、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性等方面保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，保證預測的準確性和可重復性;

(2)應研究制定一種統(tǒng)一的光伏發(fā)電功率預測評估評價標準。針對光伏發(fā)電功率預測的實際需求，以常用的預測目標參數(shù)為考察指標，制定綜合的評估評價標準體系;

(3)應研究開發(fā)適用于具體實際光伏系統(tǒng)的功率預測方法。由于實際光伏系統(tǒng)及其所處地理環(huán)境千差萬別，普遍適用的功率預測方法是不存在的。以工程應用為出發(fā)點和最終目標，以具體系統(tǒng)的特點、歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境特征為基礎，研究適用于具體系統(tǒng)的功率預測方法，使之具有同時具有研究的意義和工程應用價值。

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