張　紅，冷　淼，趙明曦（1.長春工程學(xué)院；.長春工業(yè)大學(xué)　電氣與電子工程學(xué)院；3.吉林省配電自動化工程研究中心，長春　13001；.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東　惠州　516000）

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基于變時(shí)間尺度的風(fēng)力發(fā)電功率短期預(yù)測方法的研究

張紅1，3，冷淼2，趙明曦4
（1.長春工程學(xué)院；2.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；3.吉林省配電自動化工程研究中心，長春130012；4.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州516000）

摘要：在不同的變時(shí)間尺度下，風(fēng)力發(fā)電功率的短期預(yù)測效果是不完全相同的。鑒于每年的統(tǒng)計(jì)周期對風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測不能反映在不同時(shí)間尺度下發(fā)電功率的變化問題，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的物理模型和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，提出一種基于變時(shí)間尺度的風(fēng)力發(fā)電功率短期預(yù)測方法。

關(guān)鍵詞：變時(shí)間尺度；發(fā)電功率；短期預(yù)測；自適應(yīng)

1　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對能源的需求與日俱增。面對不可再生能源日趨減少和全球變暖等環(huán)境污染問題，迫切需要一種可穩(wěn)定持續(xù)開發(fā)的可再生能源。由地球表面空氣流動所產(chǎn)生的風(fēng)能無疑是最好的選擇之一，這就使風(fēng)力發(fā)電成為一個(gè)重要的研究課題［1］。其中，短期功率預(yù)測［2］是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的一個(gè)重要組成部分，它對發(fā)電系統(tǒng)的功率控制和穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率預(yù)測方面，國內(nèi)外學(xué)者都做了一定的研究工作。由于國外對這方面的研究起步較早，很多國家都已擁有比較完善的風(fēng)電功率預(yù)測模型和系統(tǒng)。而國內(nèi)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，在此的研究還局限于風(fēng)電場的規(guī)劃、發(fā)電機(jī)組的控制以及風(fēng)電場以最小影響并入電網(wǎng)等方面，對風(fēng)力發(fā)電的短期預(yù)測研究成果甚少，預(yù)測效果不佳［3］。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)不完備等特點(diǎn)，提出一種將歷史數(shù)據(jù)與物理模型相結(jié)合的插值方法。并針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短期功率預(yù)測因預(yù)測信息的不同對預(yù)測周期的不同需求，提出一種在已有插值方法基礎(chǔ)上的變時(shí)間尺度短期功率預(yù)測方法。

2　短期功率預(yù)測方法

物理模型與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合基礎(chǔ)上的變時(shí)間尺度功率預(yù)測方法由發(fā)電機(jī)組功率預(yù)測輸入預(yù)處理模型、基于歷史數(shù)據(jù)的天氣預(yù)測模塊以及功率預(yù)測模塊組成［4］。

2.1風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測模型輸入處理

依據(jù)物理模型對風(fēng)力發(fā)電短期功率預(yù)測的輸入處理步驟可總結(jié)如下：（1）通過數(shù)據(jù)校正模型對已有數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，減小預(yù)測誤差；（2）通過地形變化模型修整因風(fēng)電場地表凹凸不平給預(yù)測精度帶來的影響；（3）建立基于不同地貌的粗糙度分類模型，計(jì)算受粗糙度影響后的風(fēng)速；（4）通過風(fēng)輪背面風(fēng)速模型求解風(fēng)功曲線對應(yīng)的風(fēng)速。

2.2變時(shí)間尺度的天氣預(yù)測模型

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)風(fēng)速經(jīng)過數(shù)據(jù)校正、地形和粗糙度模型修正后可作為距離最近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速值。但鑒于短期功率預(yù)測的預(yù)測周期存在小于當(dāng)前所研究風(fēng)電場天氣預(yù)報(bào)信息的分辨周期，達(dá)不到功率預(yù)測周期的要求的情況，提出一種基于歷史數(shù)據(jù)的插值方法，提高天氣預(yù)報(bào)信息的分辨率。又根據(jù)控制系統(tǒng)對短期功率預(yù)測預(yù)測周期的不同要求，提出一種基于歷史數(shù)據(jù)的變時(shí)間尺度的天氣信息數(shù)據(jù)預(yù)測模型。

2.3功率預(yù)測模塊

在系統(tǒng)執(zhí)行能量分配時(shí)，根據(jù)功率預(yù)測模塊對預(yù)測周期的要求設(shè)置插值周期，再按此周期從天氣信息歷史數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)。若根據(jù)控制系統(tǒng)要求需要不同的預(yù)測周期，則對應(yīng)設(shè)置不同的插值周期，提取不同插值的歷史數(shù)據(jù)，至此實(shí)現(xiàn)變時(shí)間尺度的插值運(yùn)算，完成變時(shí)間尺度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率預(yù)測物理模型。

執(zhí)行預(yù)測時(shí)，引入相似度法則對歷史風(fēng)速變化趨勢與預(yù)測點(diǎn)的預(yù)測風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速組成的綜合數(shù)據(jù)做相似度分析計(jì)算。其具體方法如下：

以日特征向量反應(yīng)風(fēng)速變化趨勢，假設(shè)為預(yù)測日的風(fēng)速綜合數(shù)據(jù)，為歷史第j天的風(fēng)速綜合數(shù)據(jù)，為預(yù)測日的特征向量，其中，k表示預(yù)測日k時(shí)刻相鄰時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)速變化趨勢量，，k表示歷史數(shù)據(jù)第j 日k時(shí)刻相鄰時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)速變化趨勢量，則預(yù)測日數(shù)據(jù)與歷史第j日數(shù)據(jù)變化趨勢相似度可由如下表達(dá)式求解。

通過對預(yù)測日風(fēng)速變化趨勢與歷史風(fēng)速變化趨勢做相似度結(jié)果的比較，從中選取相似度較高的m天的數(shù)值天氣信息歷史數(shù)據(jù)，并以求加權(quán)平均的形式對預(yù)測日當(dāng)天的風(fēng)速進(jìn)行插值。求解獲得預(yù)測日下一預(yù)測周期的預(yù)測風(fēng)速，達(dá)到為接下來基于歷史數(shù)據(jù)的變時(shí)間尺度風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測提供可靠天氣信息支持的目的。

2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)測功率

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息經(jīng)過各輸入預(yù)處理模型，結(jié)合變時(shí)間尺度功率預(yù)測模塊，成為距離最近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸入風(fēng)速值。在無干擾情況下，根據(jù)風(fēng)電場空氣密度、發(fā)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)以及風(fēng)速值可推到出理想輸出功率如下。

式中，P代表發(fā)電機(jī)組輸出功率，R代表發(fā)電機(jī)組槳葉半徑，這δ代表風(fēng)電場空氣密度，Dp代表風(fēng)能利用系數(shù)，vr、vin和vout分別代表發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速、起始風(fēng)速和終止風(fēng)速。

在現(xiàn)實(shí)發(fā)電工程系統(tǒng)中，發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境等諸多因素影響，很難達(dá)到理想狀態(tài)，故需采用實(shí)際風(fēng)電場功率風(fēng)速曲線進(jìn)行功率輸出預(yù)測。

3　結(jié)論

在本文中，考慮到目前國內(nèi)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)分辨率不足以滿足短期功率預(yù)測周期要求的情況，提出一種將物理模型與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合的相似度插值方法，通過與線性插值法的對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性；并根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對功率預(yù)測周期的不同要求，提出一種基于歷史數(shù)據(jù)的變時(shí)間尺度方法。

參考文獻(xiàn)：

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［2］楊秀媛，肖洋，陳樹勇.風(fēng)電場風(fēng)速和發(fā)電功率預(yù)測研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005（11）:1-5.

［3］李炎，高山.風(fēng)電功率短期預(yù)測技術(shù)綜述［A］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué).中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十四屆學(xué)術(shù)年會論文集（下冊）［C］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué):2008:5.

［4］曹娜，趙海翔，任普春等.風(fēng)電場動態(tài)分析中風(fēng)速模型的建立及應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（36）:68-72.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.156

基金項(xiàng)目：長科技合（2013266）