張曉英,段賽賽,吳麗珍
(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)
隨著“碳中和、碳達(dá)峰”政策實(shí)施,光伏發(fā)電在發(fā)電領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是由于光伏發(fā)電存在非平穩(wěn)性和不確定性,其大規(guī)模并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)造成巨大沖擊。從目前調(diào)度中心的數(shù)據(jù)分析,光伏功率的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間仍存在較大偏差,因此研究如何提高光伏發(fā)電功率的預(yù)測(cè)精度尤為重要。
目前,對(duì)光伏功率的預(yù)測(cè)主要集中在利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行預(yù)測(cè)優(yōu)化。文獻(xiàn)[1-4]分別采用自適應(yīng)改進(jìn)樽海鞘算法(Adaptive Slap Swarm Algorithm,ASSA)、麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)、變分模態(tài)分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和灰狼算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)對(duì)傳統(tǒng)功率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化,使預(yù)測(cè)效果較傳統(tǒng)模型有所提升。文獻(xiàn)[5-9]對(duì)太陽跟蹤器跟蹤偏差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了理論分析和研究,并對(duì)偏差角測(cè)量裝置進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)和優(yōu)化。文獻(xiàn)[1-9]的研究主要集中在跟蹤精度的理論研究和提高功率預(yù)測(cè)精度上,對(duì)跟蹤偏差角和功率預(yù)測(cè)誤差帶來的影響研究不足。因此文獻(xiàn)[10]提出迭代誤差修正模型,并把該模型運(yùn)用到支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型中,但迭代誤差修正模型在進(jìn)行誤差修正時(shí),個(gè)別時(shí)刻的預(yù)測(cè)誤差會(huì)出現(xiàn)異常,導(dǎo)致光伏功率預(yù)測(cè)的精確度有所降低。
綜上所述,本文針對(duì)雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在的跟蹤偏差角以及采用傳統(tǒng)迭代誤差修正思想進(jìn)行多模型預(yù)測(cè)時(shí)存在的誤差異常值,提出一種基于跟蹤偏差角和改進(jìn)迭代誤差修正的光伏功率預(yù)測(cè)模型。研究的創(chuàng)新之處在于,通過構(gòu)建改進(jìn)迭代誤差修正的一層優(yōu)化模型和基于跟蹤偏差角及改進(jìn)迭代誤差修正的二層優(yōu)化模型,綜合評(píng)估跟蹤偏差角和改進(jìn)迭代誤差修正模型對(duì)功率預(yù)測(cè)的影響,進(jìn)一步提高了模型的預(yù)測(cè)精度,彌補(bǔ)了單一模型存在的不足。
一層優(yōu)化主要在多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation,BP)預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上,采用多模型對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。一層優(yōu)化的特點(diǎn)是提出了一種改進(jìn)迭代誤差修正模型,并分別使用遺傳算法優(yōu)化多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Genetic Algorithm optimizes Back Propagation,GA-BP)功率預(yù)測(cè)模型和灰狼算法優(yōu)化多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Grey Wolf Optimizer optimizes Back Propagation,GWO-BP)功率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明,GWO-BP 預(yù)測(cè)模型比GA-BP 預(yù)測(cè)模型優(yōu)化效果更好。
本文在傳統(tǒng)迭代誤差修正理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。先通過多模型優(yōu)化算法對(duì)功率進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而求解出誤差值;再將該誤差值作為下一級(jí)的預(yù)測(cè)輸入;最后通過多預(yù)測(cè)模型對(duì)誤差進(jìn)行輸出預(yù)測(cè)。當(dāng)輸出的誤差滿足設(shè)定的閾值時(shí)即可停止訓(xùn)練,為避免傳統(tǒng)迭代誤差修正模型在仿真過程中出現(xiàn)異常值,采用最優(yōu)模型選擇出每時(shí)刻誤差絕對(duì)值的最小值作為該時(shí)刻誤差修正的最終值。
設(shè)采用n個(gè)氣象特征因素、m組數(shù)據(jù)樣本,通過2 種優(yōu)化算法預(yù)測(cè)典型日的功率,計(jì)算出第1 次功率真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的差值Δy0,把Δy0作為下1 次預(yù)測(cè)的輸入值,結(jié)合第1 次誤差修正的輸入樣本{X1,…,Xn,W,Δy0},然后進(jìn)行第2 次誤差修正,以此類推。其中X1,…,Xn為n個(gè)氣象特征因素。當(dāng)預(yù)測(cè)的第i次差值Δyi滿足條件時(shí),即可停止預(yù)測(cè),再對(duì)每次預(yù)測(cè)的誤差分時(shí)刻擇優(yōu)選取。誤差修正步驟如下:
1)通過功率預(yù)測(cè)模型得到第1 次功率預(yù)測(cè)值,并求出真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之差Δy0,將其作為第1 次誤差修正輸入值,同時(shí)輸出第1 次預(yù)測(cè)差值Δy1。
2)重復(fù)步驟1,把Δy1作為第2 次迭代誤差修正的輸入值,同時(shí)輸出第2 次預(yù)測(cè)差值Δy2。
3)重復(fù)步驟,把Δyi-1作為第i次迭代誤差修正的輸入值,同時(shí)輸出第i次預(yù)測(cè)差值Δyi。
式中:yfor為修正后的預(yù)測(cè)功率值;Δyo,m,n為第m個(gè)數(shù)據(jù)和第n個(gè)氣象特征因素下的最優(yōu)誤差輸出值;為功率實(shí)際值。
由于遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)相較于其他基礎(chǔ)的算法具有更高的適應(yīng)性,利用GA 來優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可避免預(yù)測(cè)值陷入局部最優(yōu)[12-13]。灰狼算法是一種隨機(jī)概率搜索算法[14-15],GWO 不僅僅有GA 并行搜索的優(yōu)點(diǎn),而且比粒子群算法收斂性強(qiáng),因此本文在傳統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立了GA-BP 和GWO-BP 2 種預(yù)測(cè)優(yōu)化模型。GA-BP和GWO-BP 預(yù)測(cè)優(yōu)化模型流程如圖1 所示。
雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤偏差示意圖如圖2 所示。其中,γ為跟蹤偏差角,δ為方位角,X,Y,Z為方位軸。
圖2 跟蹤偏差示意圖Fig.2 Schematic diagram of tracking deviation
由圖2 可知,跟蹤偏差角γ指的是太陽入射光與跟蹤法線的夾角。理想情況下,太陽跟蹤器通過雙軸運(yùn)動(dòng)耦合,使太陽接收面法線指向與太陽入射光線方向始終保持一致,實(shí)現(xiàn)完全精確跟蹤;實(shí)際上,由于結(jié)構(gòu)變形、運(yùn)行過程的誤差導(dǎo)致很難實(shí)現(xiàn)理論意義上的完全精確跟蹤[16]。文獻(xiàn)[17]通過統(tǒng)計(jì)分析表明,引入γ后光伏發(fā)電功率可提高10%。
對(duì)跟蹤偏差角建??梢匀嬖u(píng)估跟蹤誤差的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[6]提出了2 種跟蹤偏差角建模方法,第1 種采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法來計(jì)算跟蹤偏差角,第2 種采用輻照度差異法來處理跟蹤誤差,通過2.2.1 和2.2.2 節(jié)公式計(jì)算,選取2 種建模方法中得到跟蹤偏差角最小的方法進(jìn)行二層優(yōu)化。
2.2.1 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法
雙軸光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在追蹤太陽光時(shí),俯仰角和方位角均會(huì)發(fā)生變化,根據(jù)實(shí)際安裝地點(diǎn)情況,設(shè)定組件接收面朝向正南,太陽光方向矢量分解圖如圖3 所示。其中,ε為太陽高度角,Q為太陽入射光方向矢量,根據(jù)直角坐標(biāo)系中空間矢量與3 個(gè)坐標(biāo)軸的關(guān)系,Q在O-XYZ上的坐標(biāo)可表示為(QX,QY,QZ)。
圖3 太陽光方向矢量分解圖Fig.3 Sunlight direction vector decomposition
QX,QY,QZ分別為X,Y,Z軸上的坐標(biāo)分量,其中QX為cosδcosε,QY為sinδcosε,QZ為sinε,所以坐標(biāo)Q通過分解可表示為(cosδcosε,sinδcosε,sinε)。太陽入射光方向矢量Q為:
式中:I為X軸上方向單位矢量;J為Y軸上方向單位矢量;K為Z軸上方向單位矢量。
雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中總存在跟蹤誤差,設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行中的俯仰角為ε'、方位角為δ',其中,cosδ'cosε',sinδ'cosε',sinε'分別為考慮跟蹤誤差時(shí)接收面法線方向向量F在X,Y,Z軸的坐標(biāo)值。太陽能接受面法線方向向量F為:
根據(jù)空間向量夾角的計(jì)算公式進(jìn)行分析,得到太陽入射光方向向量Q和接收面法線向量F之間的跟蹤偏差角γ為:
2.2.2 輻照度差異法
設(shè)c為時(shí)刻,采用b臺(tái)光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),采用光伏組件正面接受的輻照功率值計(jì)算出跟蹤偏差角。假設(shè)第1 臺(tái)光伏組件在典型日c時(shí)刻接受的輻照功率值為P1-c,其集合c={1,2,…,24}。依次測(cè)得b臺(tái)光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)c時(shí)刻接受到的輻照功率值Pi-c,其集合i={1,2,…,b},選取每組中的最大太陽輻照值作為該時(shí)刻的基準(zhǔn)值,構(gòu)成1組b×1 的輻照度最大值功率矩陣,利用跟蹤偏差的估算公式計(jì)算跟蹤偏差角γ為:
式中:Pi-max為所有光伏跟蹤系統(tǒng)同時(shí)刻所測(cè)得最大輻照功率值;Pi為第i臺(tái)光伏跟蹤系統(tǒng)實(shí)際功率值。
本文仿真數(shù)據(jù)選自甘肅省張掖市某縣10×2 kW的集群光伏發(fā)電設(shè)備,總裝機(jī)容量為20 kW,其光伏設(shè)備的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)內(nèi)置反向跟蹤策略,可以更大限度減小陰影的影響。仿真樣本選用典型季節(jié)中(2022 年1 月16 日-4 月30 日)每隔1 h 的光伏發(fā)電功率實(shí)測(cè)值,實(shí)際跟蹤角度由安裝在光伏組件左側(cè)的傳感裝置測(cè)得。對(duì)10 臺(tái)雙軸光伏跟蹤器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,同時(shí)以1 h 為時(shí)間間隔測(cè)得10 組太陽輻照數(shù)據(jù),選取8:00-18:00 之間共11 組數(shù)據(jù),組成11×10 功率矩陣數(shù)據(jù)。
3.1.1 改進(jìn)迭代誤差修正仿真分析
本文的一層優(yōu)化是在多模型預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上改進(jìn)誤差修正的過程,以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇3 月21日作為預(yù)測(cè)日,通過相似日理論[18-19]選取前70 天綜合相似度最高的歷史發(fā)電日作為相似日樣本集。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知,預(yù)測(cè)3 次誤差后達(dá)到閾值要求,選取3 次誤差最優(yōu)的結(jié)果對(duì)功率預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正,即可實(shí)現(xiàn)功率預(yù)測(cè)的一層優(yōu)化。GA-BP 預(yù)測(cè)模型下的3 次預(yù)測(cè)誤差如圖4 所示。
圖4 GA-BP預(yù)測(cè)模型下的3次預(yù)測(cè)誤差Fig.4 Three prediction errors under GA-BP prediction model
由圖4 可知,以GA-BP 預(yù)測(cè)模型為例,通過3次迭代誤差修正后,預(yù)測(cè)的誤差值每次均有改進(jìn),第3 次預(yù)測(cè)誤差較接近最優(yōu)誤差,最優(yōu)誤差均能保持在-30~70 W 之間,說明考慮預(yù)測(cè)誤差對(duì)實(shí)現(xiàn)功率預(yù)測(cè)具有積極意義。
3.1.2 不同預(yù)測(cè)模型仿真
含改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè)可以使修正后的功率預(yù)測(cè)值更加接近真實(shí)值。不同優(yōu)化模型下的改進(jìn)迭代誤差如圖5 所示。
圖5 不同優(yōu)化模型下的改進(jìn)迭代誤差Fig.5 Improved iterative error under different optimization models
由圖5可知,改進(jìn)的迭代誤差大致分布在-75~100W之間。以GWO-BP 預(yù)測(cè)模型為例,假設(shè)2 kW 的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在理想滿載情況下,考慮改進(jìn)迭代誤差修正的GWO-BP 預(yù)測(cè)模型與BP 預(yù)測(cè)模型相比,預(yù)測(cè)精度可以提升5%左右。
推導(dǎo)得到預(yù)測(cè)精度η為:
基于改進(jìn)迭代誤差修正的GA-BP預(yù)測(cè)中,利用遺傳算法進(jìn)行局部尋優(yōu)的優(yōu)點(diǎn),通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化,再反向傳播進(jìn)行優(yōu)化找到最優(yōu)的初始化參數(shù),設(shè)置遺傳代數(shù)為29 代,種群規(guī)模為5 群;在GWO-BP 預(yù)測(cè)中,先對(duì)比目標(biāo)函數(shù)和頭狼的目標(biāo)函數(shù)值,若目標(biāo)函數(shù)值小于頭狼的目標(biāo)函數(shù)值,則把頭狼的位置更新為最優(yōu)位置[20],通過循環(huán)不斷更新狼群的適應(yīng)度和位置,直到達(dá)到最大迭代次數(shù)并遍布全部維度[21-22],最終得到最優(yōu)權(quán)值和閾值對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步優(yōu)化,設(shè)置狼群的數(shù)量為7群,隱藏層維度為6 維,目標(biāo)誤差為1×10-9,最大迭代次數(shù)為50次。在GA-BP 和GWO-BP 優(yōu)化模型中,為防止預(yù)測(cè)結(jié)果過擬合,所以將模型中的訓(xùn)練方法選為Trainbr。Trainbr 訓(xùn)練方法可改變函數(shù)性能、減小過擬合的風(fēng)險(xiǎn)、提高模型的泛化能力。GA-BP 及GWO-BP 優(yōu)化模型下誤差修正前后對(duì)比如圖6所示。
圖6 GA-BP及GWO-BP優(yōu)化模型下誤差修正前后對(duì)比Fig.6 Comparison before and after error correction under GA-BP,GWO-BP optimization model
由圖6 可知,結(jié)合典型日的仿真結(jié)果分析,相較普通優(yōu)化模型進(jìn)行的功率預(yù)測(cè),改進(jìn)迭代誤差修正后的優(yōu)化模型更可有效提高功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。圖6(a)中,普通GA-BP 功率預(yù)測(cè)模型在16:00~18:00之間會(huì)產(chǎn)生較大誤差,而基于改進(jìn)迭代誤差修正下的GA-BP 功率預(yù)測(cè)值較普通GA-BP 功率預(yù)測(cè)值更加接近真實(shí)值。圖6(b)中,相較于普通GWO-BP優(yōu)化模型,基于改進(jìn)迭代誤差修正下的GWO-BP 功率預(yù)測(cè)值波動(dòng)更小。
在一層優(yōu)化基礎(chǔ)上,把跟蹤偏差角考慮進(jìn)優(yōu)化模型中,可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率預(yù)測(cè)的二層優(yōu)化。使用2.2節(jié)所述的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法和輻照度差異法對(duì)典型日的跟蹤偏差角進(jìn)行計(jì)算,選取各時(shí)刻最小的跟蹤偏差角完成對(duì)功率預(yù)測(cè)的二層優(yōu)化。2022 年4 個(gè)典型日下的太陽高度角ε和方位角δ如圖7 所示。
圖7 典型日下的太陽高度角ε和方位角δFig.7 Solar altitude angle and azimuth angle on typical day
3.2.1 跟蹤偏差角仿真分析
根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目所在地的實(shí)際高度角和方位角以及光伏組件上傳感器獲取的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的俯仰角和方位角,采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法計(jì)算出2022年1 月16 日-4 月30 日的跟蹤偏差角,數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法下數(shù)據(jù)集的跟蹤偏差角如圖8 所示。
圖8 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法下數(shù)據(jù)集的跟蹤偏差角Fig.8 Tracking deviation angle of data set with mathematical statistics
由圖8 可知,從建立的瀑布圖分布特征來看,所選的樣本日中,整體跟蹤偏差角的波動(dòng)較為平穩(wěn),個(gè)別異常樣本的波動(dòng)較大,可能與環(huán)境因素的變化或自然因素異常有關(guān),總體看樣本日的跟蹤偏差角均未超過0.4°。
本文以3 月21 日典型日進(jìn)行分析,典型日下Q和F矢量表如表1 所示。
數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法下的典型日跟蹤偏差角如圖9 所示。
圖9 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法下的典型日跟蹤偏差角Fig.9 Typical daily tracking deviation angle with mathematical analysis
由圖9 可知,中午時(shí)刻輻照度比較大時(shí),雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的γ相較于1 天中其他時(shí)刻都較大,除13:00 的跟蹤偏差角超過0.3°以外,典型日的偏差角均在0.15°以下,說明在典型日雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有較好的跟蹤作用。
運(yùn)用式(5)計(jì)算得到輻照度差異法下的典型日跟蹤偏差角如圖10 所示。
圖10 輻照度差異法下的典型日跟蹤偏差角Fig.10 Typical daily tracking deviation angle with irradiance difference method
由圖10 可知,典型日的γ均在5°以內(nèi),相較于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法,該方法計(jì)算得到的γ普遍較大。
3.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)
本文選擇平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error,MAE)和均方誤差(Mean Squared Error,MSE)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),MAE,MSE 的值用EMA,EMS表示,其表達(dá)式為:
式中:yi為預(yù)測(cè)值;N為預(yù)測(cè)樣本個(gè)數(shù)。
3.2.3 二層功率預(yù)測(cè)優(yōu)化仿真
選擇數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法得到的γ對(duì)典型日進(jìn)行二層功率預(yù)測(cè)優(yōu)化。本文分別從4 個(gè)場(chǎng)景對(duì)典型日的功率預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。場(chǎng)景1,不考慮改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè);場(chǎng)景2,考慮改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè)值;場(chǎng)景3,考慮跟蹤偏差角γ但不考慮改進(jìn)迭代誤差修正功率預(yù)測(cè);場(chǎng)景4,考慮γ且考慮改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè)。場(chǎng)景1 和2 在3.1.2 節(jié)已經(jīng)進(jìn)行詳細(xì)說明,本節(jié)對(duì)場(chǎng)景3 和4 進(jìn)行分析,得到GA-BP,GWO-BP 預(yù)測(cè)模型下典型日預(yù)測(cè)曲線如圖11 所示。
圖11 GA-BP,GWO-BP預(yù)測(cè)模型下典型日預(yù)測(cè)曲線Fig.11 Typical daily forecast curve of GA-BP prediction model
由圖11 可知,同時(shí)考慮γ和改進(jìn)迭代誤差修正后的功率預(yù)測(cè),效果比單一的優(yōu)化效果好,修正后的預(yù)測(cè)值更加接近真實(shí)值。結(jié)合3.1.2 節(jié)仿真結(jié)果分析,當(dāng)只考慮γ和改進(jìn)迭代誤差修正后的功率預(yù)測(cè)值比普通優(yōu)化模型功率預(yù)測(cè)值有所提升。
考慮γ和改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè)優(yōu)化指數(shù)如表2 所示。
表2 功率預(yù)測(cè)優(yōu)化指數(shù)Table 2 Power prediction optimization indexes
由表2 可知,當(dāng)只考慮γ時(shí),GA-BP 預(yù)測(cè)模型下的EMA降低了9.884%。當(dāng)同時(shí)考慮γ和改進(jìn)迭代誤差修正時(shí),EMA較GA-BP 普通功率預(yù)測(cè)降低了41.253%。表明同時(shí)考慮γ和改進(jìn)迭代誤差修正時(shí),對(duì)功率預(yù)測(cè)值有明顯提升作用。
本文分析了跟蹤偏差角和改進(jìn)迭代誤差修正對(duì)功率預(yù)測(cè)的影響,所得結(jié)論如下:
1)提出基于改進(jìn)迭代誤差修正的功率預(yù)測(cè)一層優(yōu)化和考慮γ的二層優(yōu)化模型,雙層優(yōu)化可明顯提升功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,減少功率預(yù)測(cè)的波動(dòng)性。
2)GWO-BP 預(yù)測(cè)模型下,同時(shí)考慮改進(jìn)迭代誤差修正和γ情況下,EMA降低了52.776%。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),GWO-BP 預(yù)測(cè)模型較GA-BP 預(yù)測(cè)模型優(yōu)化效果更好,采用GWO-BP 預(yù)測(cè)模型可以更好地提升功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。