超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

文/侯夢(mèng)玲

到目前為止，國(guó)際上已經(jīng)研究出了許多風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法，總的來說分為兩類：物理方法和統(tǒng)計(jì)方法。物理方法主要是利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)周圍地形地貌等物理信息對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速和風(fēng)能進(jìn)行預(yù)測(cè)得到預(yù)測(cè)功率；而統(tǒng)計(jì)方法則是在統(tǒng)計(jì)模型方法的基礎(chǔ)上利用風(fēng)電場(chǎng)的歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用線性或者非線性的方法在歷史數(shù)據(jù)和未來風(fēng)速之間建立映射關(guān)系。在所有的統(tǒng)計(jì)方法當(dāng)中，最簡(jiǎn)單的為持續(xù)法。持續(xù)法很好地將歷史數(shù)據(jù)以及現(xiàn)階段天氣變化情況對(duì)風(fēng)電功率的影響考慮在內(nèi)，所以在超短期風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)時(shí)準(zhǔn)確率較高。但是由于風(fēng)力本身存在著多變性，所以風(fēng)電場(chǎng)超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率并不穩(wěn)定。為了保證風(fēng)電功率預(yù)測(cè)有明顯的改進(jìn)，預(yù)測(cè)方式還有待提高。

1 超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

對(duì)超短期風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)雖然不會(huì)減少風(fēng)電功率的隨機(jī)性，但是卻能有效地降低其模糊性，使其從整體不確定的范圍縮小到一定誤差區(qū)間，對(duì)電網(wǎng)來說電力調(diào)度部門能夠提前在風(fēng)電出力變化前及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度，合理制定風(fēng)電場(chǎng)控制策略，降低電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量，減小其對(duì)電力系統(tǒng)以及電力市場(chǎng)的干擾，進(jìn)而降低風(fēng)電成本，提高風(fēng)電上網(wǎng)競(jìng)價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力。從風(fēng)電場(chǎng)本身來說，可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，選擇小風(fēng)天氣安排機(jī)組維護(hù)和檢修,從而提高發(fā)電量，減少發(fā)電損失。

2 影響超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的因素

2.1 數(shù)據(jù)的采集與處理

在進(jìn)行超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)時(shí)，既需要風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，也需要?dú)庀笙嚓P(guān)數(shù)據(jù)，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性都會(huì)對(duì)最終的預(yù)測(cè)效果產(chǎn)生巨大的影響。氣象數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的缺失,風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理軟件及設(shè)備的缺陷及故障,都會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)包括數(shù)據(jù)同步、異常數(shù)據(jù)的識(shí)別與處理、缺失數(shù)據(jù)的替代等。處理參數(shù)的選擇也會(huì)影響最終的結(jié)果，通過整合數(shù)據(jù)源,完善處理體系能夠較好的提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

2.2 預(yù)測(cè)策略

預(yù)測(cè)策略是指在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)時(shí)首先著手的角度，經(jīng)常采用的方法有直接預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的超短期風(fēng)電功率、對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者根據(jù)部分風(fēng)機(jī)的預(yù)測(cè)值來進(jìn)行空間的推算。不同的思路需要的計(jì)算量不同，相應(yīng)的結(jié)果精確度也不同，可以明確的是，如果想要得到更高的精確度，必然需要更大的計(jì)算量。

2.3 其他因素

風(fēng)電場(chǎng)的地形地貌會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)超短期風(fēng)功率超短期風(fēng)功率的穩(wěn)定性以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)性，并且地域范圍的增大往往有助于預(yù)測(cè)誤差的對(duì)消。

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)超短期風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候，是將風(fēng)速的推算值轉(zhuǎn)換成為風(fēng)電預(yù)測(cè)，這種方式有其優(yōu)越性，但同時(shí)也存在著一定的缺陷。由于風(fēng)速的多變性以及其受周圍地形地貌的影響，所以在預(yù)測(cè)的時(shí)候風(fēng)電機(jī)組的可靠性及檢修計(jì)劃的不確定性會(huì)對(duì)最終預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行超短期風(fēng)功率的預(yù)測(cè)，受周圍環(huán)境因素以及風(fēng)速變化的影響較大，時(shí)間越長(zhǎng)，風(fēng)速的多邊形表現(xiàn)得會(huì)更加明顯，所以在預(yù)測(cè)的時(shí)候，測(cè)量的時(shí)間會(huì)影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際預(yù)測(cè)的時(shí)候，盡量縮短時(shí)效將有助于提高預(yù)測(cè)的整體精度，但在風(fēng)速波動(dòng)以及間歇特征明顯的時(shí)段內(nèi)，效果會(huì)相對(duì)地變差。

3 超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

3.1 在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的物理模型計(jì)算

在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的物理模型計(jì)算是將天氣過程的物理變化概括成一組物理定律，并用數(shù)學(xué)的思維方式將其用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出來。使用歷史數(shù)據(jù)及邊界，用遞進(jìn)的方式逐時(shí)地往前聯(lián)立求解天氣演變過程的熱力學(xué)和流體力學(xué)方程組，進(jìn)而對(duì)未來的天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)。而想要得到超短期風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)結(jié)果，還需要考慮風(fēng)電場(chǎng)周圍的地形地貌相，利用相應(yīng)模型計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處的風(fēng)速與風(fēng)向等信息，最后通過理論功率計(jì)算得到超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果。因計(jì)算過程需要求解大量偏微分方程，所以需要采用高性能計(jì)算機(jī)，以滿足龐大的計(jì)算量和精細(xì)的計(jì)算要求。為了防止因計(jì)算要求過高導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，在計(jì)算時(shí)需要采用網(wǎng)格嵌套的方法來減少計(jì)算量。同時(shí)為提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，可以為目標(biāo)區(qū)域定制數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)同化技術(shù)。

此方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分地將周圍的天氣情況和地形地貌的影響考慮在內(nèi)，減小了預(yù)測(cè)的誤差。更重要的是，此方法不需要大量的歷史數(shù)據(jù)，適用于新建的風(fēng)電場(chǎng)。但是它也存在著一定的缺陷，由于天氣情況的變化具有較大的隨機(jī)性，且數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的更新頻率較慢，所以在風(fēng)速突變的情況下，此方法可能存在較大誤差。

3.2 在統(tǒng)計(jì)觀念的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的外推模型

在統(tǒng)計(jì)觀念的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的外推模型是指建立最新預(yù)測(cè)值與最近期超短期風(fēng)電功率值在時(shí)間序列之間的線性或者非線性映射關(guān)系。這兩者想要建立關(guān)系，就必須要?dú)w納歷史風(fēng)速與功率數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。相較于在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的物理模型計(jì)算來說，在統(tǒng)計(jì)觀念的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的外推模型在計(jì)算過程中使用了歷史數(shù)據(jù)，因此能更好地反映出流體、熱力、地形地貌等因素的影響，可以較好地規(guī)避物理影響因素對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生的影響。優(yōu)勢(shì)就在于考慮到了長(zhǎng)時(shí)間的天氣變化情況，精確度較高。

3.3 組合預(yù)測(cè)方法

組合預(yù)測(cè)是將物理模型與統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法，其核心思想是分?jǐn)倖为?dú)預(yù)測(cè)的誤差風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到減小最大偏差的目的。中國(guó)超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)研究的起步相對(duì)于國(guó)際整體來說較晚，但是今年來也已經(jīng)有一些預(yù)測(cè)效果較好的超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)軟件問世。

3.4 概率性預(yù)測(cè)方法以及基于歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)法

基于概率區(qū)間內(nèi)的超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)能夠同時(shí)量化預(yù)測(cè)誤差和相關(guān)概率，提供重要的概率分布信息，進(jìn)而降低預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)所引入的風(fēng)險(xiǎn)。到目前為止，已經(jīng)建立了當(dāng)前時(shí)段實(shí)測(cè)風(fēng)速與下一時(shí)段預(yù)測(cè)風(fēng)速為聯(lián)合條件的預(yù)測(cè)誤差概率統(tǒng)計(jì)模型，采用了離散型概率的表達(dá)方式，結(jié)合現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，有效地減小了最終結(jié)果的誤差。

基于歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)是指根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)功率的方法，也就是在若干個(gè)歷史數(shù)據(jù)和風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出之間建立一種映射關(guān)系，主要的方法包括：持續(xù)法、線性法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。其中持續(xù)法是最簡(jiǎn)答的方法，是指把最近一點(diǎn)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)值作為下一點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，這種方法適用于短時(shí)間之內(nèi)的預(yù)測(cè)，通常采用時(shí)間序列模型，其預(yù)測(cè)誤差較大且預(yù)測(cè)的結(jié)果具有很大的不穩(wěn)定性。采用時(shí)間序列法可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行時(shí)間序列分析，然后將其轉(zhuǎn)換為風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，也可以直接對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率做時(shí)間序列分析。在線性法的預(yù)測(cè)當(dāng)中，應(yīng)用較為廣泛的是自回歸-滑動(dòng)平均模型法，這種方法在數(shù)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性上都要優(yōu)于持續(xù)法。線性法通常采用的是一組不同階數(shù)的自回歸-滑動(dòng)平均模型，對(duì)提前一到六個(gè)小時(shí)的風(fēng)速以及風(fēng)電場(chǎng)的功率進(jìn)行研究，采用大量的歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行建模，經(jīng)過模型識(shí)別、參數(shù)估計(jì)、模型檢驗(yàn)來確定一個(gè)能夠描述所研究時(shí)間序列的數(shù)學(xué)模型，再由該模型推導(dǎo)出預(yù)測(cè)模型。線性法的計(jì)算精度較高，要想讓最終計(jì)算出來的結(jié)果真正地發(fā)揮其價(jià)值，還需要相關(guān)人員積累一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的選取。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能，由大量簡(jiǎn)單處理原件以及某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大規(guī)模而連接而成的，對(duì)復(fù)雜問題的求解比較有效。

4 結(jié)束語

風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)時(shí)，既要考慮天氣變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，還要考慮風(fēng)電場(chǎng)周邊地形地貌對(duì)風(fēng)速以及風(fēng)向的影響，以全面的角度進(jìn)行超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)。在計(jì)算時(shí)需要準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)輸入，因此要保證設(shè)備及軟件的可靠性，避免因數(shù)據(jù)及程序錯(cuò)誤影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí)為了保證計(jì)算的效率還需要減少計(jì)算量并選擇性能良好的計(jì)算機(jī)。準(zhǔn)確的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)于電網(wǎng)及風(fēng)電場(chǎng)本身都十分有益，因此做好風(fēng)電功率預(yù)測(cè)工作非常重要。