計及天氣類型指數(shù)的光伏發(fā)電短期出力預(yù)測

陶曉峰

摘 要：隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，光伏出力的有效應(yīng)用可以充分預(yù)測并且緩解電源對電力系統(tǒng)造成的影響。在這個過程中，需要分析外界因素，比如天氣類型，對光伏發(fā)電出力的影響，最終得出相關(guān)模型，采取有效的防治措施，以達(dá)到保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。簡要闡述了光伏電池模型及其輸出特性，研究了光伏預(yù)測的影響因素，并深入分析了預(yù)測模型的內(nèi)容，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：天氣類型指數(shù)；光伏發(fā)電；短期出力影響；預(yù)測模型

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.037

1 光伏電池模型及其輸出特性

光伏電池主要是以半導(dǎo)體PN結(jié)來接收太陽能所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，它可以直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，其中主要應(yīng)用到的是能量轉(zhuǎn)換器。光伏電池的輸出特點與光照、溫度等因素有很大的關(guān)系。在保持溫度不變的情況下，光伏電池的最大輸出功率可以隨著光照強(qiáng)度的增大而不斷增大。在光照強(qiáng)度不變的情況下，如果溫度不斷升高，光伏電池最大輸出功率的變化幅度則相對比較小。

2 光伏預(yù)測的影響因素

2.1 天氣類型的劃分

在全國各地，天氣狀況對光伏出力有相當(dāng)大的影響，產(chǎn)生的因素也比較多。雖然劃分氣象類型的方法多種多樣，但我國對氣象劃分有統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，共劃分了33種氣象類型，包括晴天、多云、陣雨和大雨4種特點鮮明的典型代表類型。在不同的季節(jié)，不同的天氣類型在出力類型方面也會呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)方式。

2.2 氣象因素對光伏預(yù)測的影響

氣象因素與光照強(qiáng)度、氣溫、云量和風(fēng)速等因素是不同的，為了更加準(zhǔn)確地分析其對光伏出力的影響，需要分析每個因素與光伏出力之間的相關(guān)性，并且對求數(shù)值進(jìn)行排序。

3 預(yù)測模型

3.1 預(yù)測模型的建立流程

在建立模型的過程中，要先處理收集好的光伏電站的歷史數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，利用處理好的數(shù)據(jù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練，之后根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測光伏電站的短期出力。

3.2 預(yù)測模型的設(shè)計

在設(shè)計預(yù)測模型的過程中，需要應(yīng)用到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也可以將其稱為預(yù)測太陽輻射強(qiáng)度和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的有效科學(xué)方式。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，它是單向傳播的、多層前向的網(wǎng)絡(luò)，在非線性映射和自適應(yīng)方面具有相當(dāng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

本文選用3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為主要研究對象，輸入層的節(jié)點數(shù)量和預(yù)測模型的輸入變量是一致的，本文輸入節(jié)點數(shù)量為15個。在充分考慮了當(dāng)?shù)毓夥娬镜牡乩砦恢煤螅砩?：00到次日凌晨5：00的發(fā)電功率為0，所以，需要選擇其他時間測量，選擇預(yù)測日期的前一天和預(yù)測日期當(dāng)天的天氣類型指數(shù)作為預(yù)測模型進(jìn)行輸入。

隱含層為一層，其中，單元數(shù)目的選擇對結(jié)果的影響是比較大的。從隱含層單元數(shù)據(jù)中獲取到的信息與輸入輸出單元的數(shù)量有直接關(guān)系——如果輸入輸出單元的數(shù)量太少，從網(wǎng)絡(luò)中所獲取到的信息則比較少；如果輸入輸出單元的數(shù)量太多，就會出現(xiàn)錯誤，有誤差。因此本文選取的隱含測節(jié)點數(shù)量為13個。

3.3 訓(xùn)練樣本的選取和數(shù)據(jù)處理

在訓(xùn)練樣本時，要訓(xùn)練、觀察、記錄每天每個時間節(jié)點的發(fā)電功率和天氣類型指數(shù)。樣本中的數(shù)據(jù)在不同的時間量上有不同的單位，數(shù)量級也相差很大。因此，由神經(jīng)元激活函數(shù)的特點可知，神經(jīng)元的輸出一般會限制在一定范圍內(nèi)，在大部分人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，會利用非線性的激活函數(shù)操作。本文將神經(jīng)元的輸出限定在（0，1）或者（-1，1）之間，訓(xùn)練原始數(shù)據(jù)后達(dá)到神經(jīng)元飽和的狀態(tài)。所以，在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)之前需要進(jìn)行相關(guān)處理，最大限度地減小不同因素引發(fā)的預(yù)測誤差。

本文輸出的數(shù)據(jù)主要是預(yù)測前一天每一個時間段的發(fā)電功率、天氣類型指數(shù)和當(dāng)天的天氣類型指數(shù)，輸出數(shù)據(jù)則為預(yù)測當(dāng)天每一個時間段的發(fā)電功率。

3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和預(yù)測

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方式進(jìn)行訓(xùn)練時，主要采用的是誤差反向傳播學(xué)習(xí)的算法設(shè)置訓(xùn)練樣本和訓(xùn)練次數(shù)。在對權(quán)值進(jìn)行初始化之后，就可以設(shè)置當(dāng)前為迭代次數(shù)，按照順序輸入樣本，計算出每一層的輸出和反傳誤差值。

3.5 預(yù)測結(jié)果以及分析

根據(jù)文中所述內(nèi)容預(yù)測某城市的情況。圖1是天氣類型為晴天的預(yù)測結(jié)果曲線，從中可以看出，預(yù)測到的數(shù)值與實際值的曲線是非常相似的。

另外，還需要預(yù)測雨天的相關(guān)情況。其中，某個時間段預(yù)測結(jié)果的誤差是比較大的，出現(xiàn)這種情況的原因有2點：①雨天對樣本的訓(xùn)練比較少；②在雨天，受外界因素的影響，會改變外界的天氣環(huán)境，從而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果發(fā)生變化。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文簡要分析了環(huán)境因素對光伏發(fā)電輸出功率的影響，并建立了計及天氣類型指數(shù)的光伏發(fā)電短期出力的預(yù)測模型。在實際應(yīng)用實驗過程中，需要根據(jù)不同的天氣類型合理分析光伏電站的發(fā)電功率，利用歐式距離科學(xué)地劃分和歸類當(dāng)?shù)氐奶鞖忸愋?，根?jù)每天天氣類型的平均發(fā)電功率建立預(yù)測模型，以保證其準(zhǔn)確性，從而形成比較強(qiáng)的預(yù)測能力。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕