基于光伏功率預(yù)測的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊如意

（國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000）

0 引言

核能、太陽能、火電均為重要能源類型，在發(fā)電形式上具有互補(bǔ)性，進(jìn)而構(gòu)成互補(bǔ)能源系統(tǒng)。光伏發(fā)電對燃料無依賴性，具有環(huán)境友好的特殊優(yōu)勢[1]。但光伏發(fā)電的輸出功率與太陽輻照度、溫度、濕度等氣象因素條件相關(guān)，以致其具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，這成為制約其發(fā)展的重要因素之一[2]。核電運(yùn)行功率穩(wěn)定，適合提供能源系統(tǒng)中的基本負(fù)荷?；痣娍刹捎媚Y(jié)水節(jié)流、改變一次風(fēng)量等手段調(diào)節(jié)負(fù)荷，具有變負(fù)荷響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，在多種能源互補(bǔ)調(diào)節(jié)的過程中能夠彌補(bǔ)光伏帶來的較大波動(dòng)性的缺點(diǎn)。

在互補(bǔ)能源系統(tǒng)中，核電提供平穩(wěn)的基本負(fù)荷，如果光伏發(fā)電的功率可以得到及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測，將給火電站提供準(zhǔn)確的負(fù)荷調(diào)動(dòng)信息，使其能提前做好變負(fù)荷準(zhǔn)備，更加充分地利用清潔能源，提高核電站運(yùn)行的安全性。

1 光伏功率預(yù)測研究

1.1 基于時(shí)間序列與相似日方法的光伏功率預(yù)測

光伏發(fā)電輸出功率與輻照度、溫度等氣象條件因素有關(guān)，主要起作用的是輻照度。氣象條件越相近的時(shí)段，光伏發(fā)電輸出功率的數(shù)值和趨勢也就越相近，所以氣象條件相似日可被用來進(jìn)行光伏功率的預(yù)測。光伏功率預(yù)測的方法，主要包括統(tǒng)計(jì)方法、物理方法和綜合方法。其中，統(tǒng)計(jì)方法側(cè)重從氣象與光伏發(fā)電功率的數(shù)據(jù)關(guān)系中，對光伏功率進(jìn)行預(yù)測。物理方法通過建立光伏發(fā)電過程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對光伏發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測。綜合方法是以上兩種方法的結(jié)合。在現(xiàn)有研究中，上述3種方法分別約占72%、11%、17%，統(tǒng)計(jì)方法是最常見的方法[3]。

本文選用時(shí)間序列方法和相似日方法相結(jié)合的方法進(jìn)行光伏功率預(yù)測，其預(yù)測流程如圖1所示。先利用時(shí)間序列方法得到目標(biāo)日的輻照度等氣象參數(shù)的預(yù)測值，采用主觀權(quán)重及熵權(quán)法得到各采樣時(shí)間點(diǎn)的權(quán)重，再以此為標(biāo)準(zhǔn)選取與目標(biāo)日情況相近的數(shù)個(gè)相似日，進(jìn)而得到預(yù)測目標(biāo)日各時(shí)間點(diǎn)的光伏輸出功率預(yù)測值。在相似日判定過程中，需要用到預(yù)測目標(biāo)日的輻照度等氣象條件信息，這本身是需要預(yù)測的。本研究的思路是：以預(yù)測目標(biāo)日的氣象信息的預(yù)測值，代替預(yù)測目標(biāo)日的真實(shí)值。但這種方法忽略了氣象信息預(yù)測過程的誤差，這也就是本文先采用時(shí)間序列方法進(jìn)行目標(biāo)日氣象信息的預(yù)測，再使用相似日方法進(jìn)行目標(biāo)日光伏輸出功率預(yù)測的原因。

圖1 時(shí)間序列方法與相似日結(jié)合流程圖Fig.1 Flow chart of similar day method with time series analysis

1.2 時(shí)間序列方法

時(shí)間序列方法是多種方法的總稱，具體可分為一次、二次、三次滑動(dòng)平均法等方法。其中，一次滑動(dòng)平均法適用于沒有總趨勢的序列，二次滑動(dòng)平均法在其中加入了趨勢信息，三次滑動(dòng)平均法加入了趨勢因素。其又可分為累乘、累加兩種形式。針對預(yù)測光伏輸出功率具體問題的具體特征，本文采用三次滑動(dòng)平均法。

對某一時(shí)間序列x1，x2，x3...xn...，用S表示滑動(dòng)平均值，第t期一次滑動(dòng)平均值、二次滑動(dòng)平均值、三次滑動(dòng)平均值分別記為則有，式中，Xt是第t期指標(biāo)實(shí)際值，a是平滑系數(shù)（0＜a＜1）。建立三次滑動(dòng)平均法的數(shù)學(xué)模型：Yt+T=at+btT+ctT2。式中，T表示預(yù)測周期，Yt+T表示基年為t，預(yù)測周期為T年的指標(biāo)預(yù)測值；at，bt，ct為平滑系數(shù)。計(jì)算公式如公式（1）所示。

1.3 相似日方法

如前文所述，輻照度及溫度的數(shù)值和變化趨勢相似的兩天，其光伏發(fā)電的功率的數(shù)值和變化趨勢就越相似。根據(jù)此原理，可構(gòu)成相似日判別向量，即將每一天固定時(shí)間間隔的輻照度排列成向量。然后，按照他們與之前由時(shí)間序列方法得到的目標(biāo)日輻照度預(yù)測值進(jìn)行比較，取偏差大小，決定每一點(diǎn)的權(quán)重，再進(jìn)行相似日選取。最后，加權(quán)平均可得到對某天的光伏功率的預(yù)測值。上述過程中，影響最后得到的預(yù)測值的一個(gè)關(guān)鍵過程是權(quán)重的選取。選取方法包括主觀權(quán)重法和熵權(quán)法。

1.3.1 主觀權(quán)重法

基于主觀權(quán)重法的光伏功率預(yù)測，是指在預(yù)測過程中直接給定每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輻照度或氣象信息的權(quán)重值。該權(quán)重由專家研究賦予，或從多次預(yù)測的實(shí)踐工作中獲得。該方法適用于對預(yù)測精度要求不太高，或歷史數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)量不充足的情況。同時(shí)，具有過程簡單、計(jì)算快的優(yōu)點(diǎn)。

1.3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀的權(quán)重計(jì)算方法。熵權(quán)法利用了熵表達(dá)信息量的特點(diǎn)，即一個(gè)指標(biāo)在各評估對象之間的水平差異越大，則該指標(biāo)計(jì)算出的權(quán)重就越大，對評估結(jié)果的影響也就越大[5]。

具體的計(jì)算過程是：先按每個(gè)觀測日的n個(gè)參考數(shù)據(jù)作為矩陣的一行，行數(shù)即等于參與選取相似日的總天數(shù)m，并將得到矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。第i個(gè)指標(biāo)的熵值Hi為：

由此得到第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)ωi為：

熵權(quán)法確定權(quán)重，進(jìn)而進(jìn)行功率預(yù)測的整體流程，與前文所述的主觀權(quán)重法相比，只在各輻照度點(diǎn)的權(quán)重計(jì)算上有區(qū)別。

1.4 光伏輸出功率預(yù)測

本文在選取相似日的過程中，全天24h內(nèi)每10min取一個(gè)采樣點(diǎn)，共144個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)輻照度的權(quán)重采取主觀權(quán)重法和熵權(quán)法兩種方式分別計(jì)算，確定各采樣點(diǎn)的權(quán)重后，以歷史數(shù)據(jù)庫中輻照度與前文所述時(shí)間序列方法得到的輻照度的差值平方乘以權(quán)重，得到每天的總體偏差。偏差最小的5天記為相似日，其偏差的總和記為e1，e2，e3，e4，e5。由公式（4）求得每個(gè)采樣點(diǎn)的功率權(quán)重 ，再對功率進(jìn)行加權(quán)平均，即得到最終功率預(yù)測值P，如公式（5）所示。

式（5）中，P表示某時(shí)刻的功率預(yù)測值；P1，P2，P3，P4，P5表示各相似日在該時(shí)刻的光伏輸出功率預(yù)測值。

1.5 評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)預(yù)測準(zhǔn)確性的指標(biāo)有很多種數(shù)學(xué)手段，可以采用均方根誤差（RMSE）描述預(yù)測的準(zhǔn)確性。RMSE是指預(yù)測值與真實(shí)值的偏差的平方與觀測次數(shù)n的比值的平方根。均方根誤差能夠較好地衡量出觀察值與真實(shí)值之間的偏差。

RMSE的定義如公式（6）中所示：

2 火電光伏互補(bǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建

由于系統(tǒng)中的光伏發(fā)電部分裝機(jī)容量較大，不適合配置儲能蓄電池，因而下面對系統(tǒng)能量調(diào)度中暫不考慮蓄電池等儲能元件。互補(bǔ)系統(tǒng)的能量調(diào)度應(yīng)本著3個(gè)基本原則：①盡量避免核電負(fù)荷指令的突然大幅度變化；②在前一點(diǎn)的基礎(chǔ)上，盡可能充分地利用光伏資源；③在前兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上，減少火電負(fù)荷變化的次數(shù)。

如果互補(bǔ)能源系統(tǒng)對外輸出的功率需要滿足該地區(qū)的用電負(fù)荷需求，應(yīng)先對該對象的負(fù)荷需求特性進(jìn)行分析，并可利用類似上文的相似日方法對其負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測。由于預(yù)測方法類似，本文不再贅述。

調(diào)度過程應(yīng)滿足以下幾個(gè)基本原則[6,7]，即能量平衡原則。如式（7），損失最小原則，如式（8），火電機(jī)組爬坡速率約束，如式（9）等。

式中，L(t)表示負(fù)荷隨時(shí)間變化的預(yù)測值；PN(t)、PV(t)、PT(t)分別表示核電、光伏、火電實(shí)際的輸出功率；COST表示該運(yùn)行策略的總損失值；CN、CC、CCO2和CA分別表示核電成本、火電燃料成本、CO2釋放折合的環(huán)境成本、棄光帶來的光資源損失；Pi(t-1)為t-1時(shí)段火電機(jī)組i的有功功率；Ri up為火電機(jī)組i單個(gè)時(shí)段的最大上升功率；Ridown為火電機(jī)組i單個(gè)時(shí)段的最大下降功率。

3 結(jié)論

由火電、光伏、核電共同組成的互補(bǔ)能源系統(tǒng)能夠較為充分地利用光伏資源，同時(shí)發(fā)揮核電提供穩(wěn)定的基本負(fù)荷的能力。該互補(bǔ)能源系統(tǒng)隨負(fù)荷調(diào)節(jié)的能力主要來源于火電的快速變負(fù)荷技術(shù)，而火電的負(fù)荷指令的準(zhǔn)確性依靠光伏輸出功率以及用戶負(fù)荷變化的預(yù)測。更及時(shí)、更準(zhǔn)確的光伏輸出功率和用戶負(fù)荷預(yù)測，能夠降低火電負(fù)荷隨動(dòng)的難度。本文通過時(shí)間序列與相似日方法相結(jié)合的策略進(jìn)行光伏功率預(yù)測，結(jié)合火電變負(fù)荷技術(shù)，同時(shí)由核電提供基本負(fù)荷，進(jìn)行互補(bǔ)能源系統(tǒng)的分析，對現(xiàn)有能源系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要的參考意義。