基于優(yōu)化的模糊神經(jīng)模型的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)的研究

沈璐璐

摘 要： 采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并使用粒子群優(yōu)化算法對(duì)模糊神經(jīng)模型地結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)證明所提出的優(yōu)化模糊神經(jīng)模型具有更優(yōu)的準(zhǔn)確性、緊湊性和可解釋性，可以在線估計(jì)和預(yù)測(cè)單個(gè)光伏模塊電氣特性以及最大功率點(diǎn)，且具有較好的計(jì)算性能。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電預(yù)測(cè); 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型; 粒子群優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 399 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In this paper， the fuzzy neural network model is used to predict the electrical characteristics of the photovoltaic power generation system under different environmental conditions， and the particle swarm optimization algorithm is used to optimize the structure and parameters of the fuzzy neural model. Experiments prove that the proposed optimized fuzzy neural model has better accuracy， compactness and interpretability. It can estimate and predict the electrical characteristics and maximum power point of a single photovoltaic module online， and it has good computing performance.

Key words： photovoltaic power generation prediction; fuzzy neural network model; particle swarm optimization

0 引言

光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率點(diǎn)（MPP）水平隨環(huán)境條件和氣候條件的不同而變化，因此需要對(duì)不同條件下PV系統(tǒng)的電氣特性進(jìn)行準(zhǔn)確和高效地預(yù)測(cè)，從而獲得其MPP[1-2]。現(xiàn)有的PV系統(tǒng)電氣特性預(yù)測(cè)方法主要有三大類(lèi)：間接預(yù)測(cè)方法、直接測(cè)量方法和基于人工智能算法的預(yù)測(cè)方法。

間接預(yù)測(cè)方法包括使用預(yù)先確定的參數(shù)和數(shù)據(jù)，這些參數(shù)和數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)PV模塊進(jìn)行事先實(shí)驗(yàn)評(píng)估獲得。這種方法的主要缺點(diǎn)之一是模型需要大量?jī)?nèi)存來(lái)存儲(chǔ)模型參數(shù)的值[3]。直接測(cè)量方法是基于電壓和電流的在線測(cè)量值。直接測(cè)量方法的關(guān)鍵概念是對(duì)PV電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到PV功率和電壓變化之間的比率獲得零值為止。這種方法的缺點(diǎn)在于最佳工作點(diǎn)附近連續(xù)振蕩以及控制器的電路復(fù)雜性較高[4-5]。

為了避免上述方法的弊端，基于人工智能算法的預(yù)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。已有研究提出使用布谷鳥(niǎo)搜索優(yōu)化算法[6]、人工蜂群算法[7]以及人工魚(yú)群算法[8]實(shí)現(xiàn)在實(shí)際環(huán)境條件下的PV模塊電氣特性預(yù)測(cè)和最大功率點(diǎn)的估計(jì)，但是這些算法在計(jì)算效率和預(yù)測(cè)精度等方面存在不足。為此本研究提出了一種改進(jìn)的基于神經(jīng)模糊模型來(lái)表示PV電氣特性。使用粒子群優(yōu)化算法（PSO）對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練。在PSO訓(xùn)練時(shí)使用加速度系數(shù)和慣性因子以避免訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，同時(shí)可以將過(guò)程結(jié)束時(shí)預(yù)測(cè)電流與其實(shí)際值之間的誤差最小化。實(shí)驗(yàn)表明所提出的模型可以在短時(shí)間內(nèi)以最小的誤差和零振蕩來(lái)預(yù)測(cè)和跟蹤PV系統(tǒng)在變化環(huán)境條件下的電氣特性。

1 PV建模

建模對(duì)象為以np×ns個(gè)太陽(yáng)能電池的PV陣列，np為串聯(lián)面板塊數(shù)，ns為串聯(lián)面板塊數(shù)。Vpv和Ipv分別表示PV陣列的輸出電壓和電流。如果忽略?xún)?nèi)部并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻，則PV面板陣列的輸出電流[9]，如式（1）。

對(duì)于上述訓(xùn)練算法，有四個(gè)PSO參數(shù)，即Ω（0）、Ω（Nk）、ξ1和ξ2，都需要正確選擇，以使模型訓(xùn)練準(zhǔn)確且計(jì)算效率高。

本研究使用常規(guī)初始化模式來(lái)確保初始粒子更均勻地覆蓋搜索空間。即在實(shí)踐中，這20個(gè)粒子被初始化為盡可能彼此遠(yuǎn)離并且盡可能遠(yuǎn)離搜索空間的邊界。粒子的初始化范圍是[-15，15]。

調(diào)整完所有模型參數(shù)后，必須使用公式（8）重新計(jì)算規(guī)則權(quán)重，并更新線性參數(shù)，以便獲得另一組新的適應(yīng)度函數(shù)值。迭代執(zhí)行訓(xùn)練算法，以便連續(xù)生成具有更好解的一組粒子，直到達(dá)到最大迭代為止。在此過(guò)程結(jié)束時(shí)，將使用適應(yīng)度函數(shù)最高的粒子來(lái)確定PV模型的最終結(jié)構(gòu)。

上述算法流程，如圖4所示。

3.3 使用PSO算法更新模型參數(shù)

通過(guò)初步的模擬研究，選擇了四個(gè)PSO參數(shù)設(shè)置，即ξ1、ξ2、Ω（0）和Ω（Nk）。在初始階段，按照Kennedy和Eberhart最初的算法設(shè)計(jì)，設(shè)置參數(shù)值為ξ1=ξ2=2且Ω（0）=Ω（Nk）=1。使用這些參數(shù)設(shè)置，可以分別生成十個(gè)不同的PV模型。每個(gè)模型都從20組不同的粒子中選擇。每個(gè)模型調(diào)整的迭代總數(shù)設(shè)置為30。在每次迭代中，均記錄了采樣的PV電流與總體最佳粒子所預(yù)測(cè)的PV電流之間的均方根誤差，如式（18）所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)電路和算法流程，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)電路和平臺(tái)包括：用于PIC18F452和PV模擬器編程的計(jì)算機(jī)、MPPT控制器、PICKIT2調(diào)試器、示波器、SEPIC（DC/DC變流器）、電流探頭和負(fù)載電阻器。PV模塊、SEPIC和MPPT控制器在MATLAB / Simulink中實(shí)現(xiàn)。

PV模塊的電氣參數(shù)，如表4所示。

神經(jīng)模糊算法參數(shù)，如表5所示。

最大粒子數(shù)、最大迭代數(shù)C1、C2、Wmin和Wdamp分別為2 000、150、1、2、0.5和0.99。運(yùn)行PSO-NF模型的計(jì)算時(shí)間為1分鐘04 秒。

通過(guò)對(duì)三個(gè)輸入?yún)?shù)V（電壓）、G（日照）和T（溫度）的解析計(jì)算和輸出數(shù)據(jù)Ipv的采集，以進(jìn)行神經(jīng)模糊算法參數(shù)的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)過(guò)程如下。首先完成了由V、G、T和Ipv組成的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)收集，下一步就是使用混合PSO-NF算法的學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)調(diào)整前饋網(wǎng)絡(luò)和后饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。模型的平均平方誤差結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在迭代53次時(shí)算法實(shí)現(xiàn)了收斂，此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差等于0.3%，該數(shù)值非常低，證實(shí)了所提算法的良好性能。最后一步是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。

上述計(jì)算過(guò)程與模型訓(xùn)練中的計(jì)算過(guò)程相同。 使用式（1）計(jì)算解析Ipv，以構(gòu)造包括三輸入和一輸出的檢查向量。因此，使用開(kāi)發(fā)的算法估算光伏陣列Ipvis的發(fā)電電流。包含在集合V、G、T和Ipv中的數(shù)據(jù)稱(chēng)為檢查數(shù)據(jù)。由于在PSO-NF算法中調(diào)用了檢查數(shù)據(jù)選項(xiàng)，因此最終選擇的模糊推理結(jié)構(gòu)（FIS）具有最小檢查錯(cuò)誤。因此，最終模型的均方誤差如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差等于0.4%，顯然這個(gè)數(shù)值已經(jīng)足夠小。

圖7表明，對(duì)于變化的日照度和電池溫度，預(yù)測(cè)曲線非常接近原始曲線，顯示了所提出算法的良好性能。

一旦使用本研究所提算法估算了PV電池輸出電流I ^pv，就可以通過(guò)式（4）計(jì)算出PV的MPP。如圖7（a）和圖7（b）所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法可在僅知道PV模塊電氣參數(shù)的情況下，基于針對(duì)任何照度和電池溫度精確預(yù)測(cè)PV陣列的電氣特性。

5 總結(jié)

本文提出了一種基于PSO-NF的PV系統(tǒng)電氣特性的模型。為了獲得模型算法所輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，緊湊性和高解釋性，提出了模型參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)一起優(yōu)化的思路。為了使模型參數(shù)在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中不出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，同時(shí)使預(yù)測(cè)電流與訓(xùn)練結(jié)束時(shí)的實(shí)際值之間的誤差最小化，本研究選擇了用于PSO-NF訓(xùn)練方案的加速度系數(shù)和慣性因子。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所提算法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同氣候條件下PV系統(tǒng)的電氣特性，且計(jì)算性能較好。

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（收稿日期： 2020.02.28）