基于模糊雙曲正切模型的短期光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)

齊紅云，倫淑嫻

（1.渤海大學(xué)工學(xué)院，遼寧錦州121013；2.渤海大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧錦州121013）

基于模糊雙曲正切模型的短期光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)

齊紅云1，倫淑嫻2

（1.渤海大學(xué)工學(xué)院，遼寧錦州121013；2.渤海大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧錦州121013）

通過對(duì)影響光伏發(fā)電量產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析比較，在模糊雙曲正切模型的基礎(chǔ)上，建立一種光伏發(fā)電量的短期預(yù)測(cè)模型。該模型既屬于模糊模型，也屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的范疇。可以利用其強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，以光伏發(fā)電系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，對(duì)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，并利用得到的穩(wěn)定模型對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行短期預(yù)測(cè)。仿真結(jié)果表明，該預(yù)測(cè)模型與其他預(yù)測(cè)方法相比有更高的預(yù)測(cè)精度。

光伏發(fā)電量；短期預(yù)測(cè)；模糊雙曲正切模型；預(yù)測(cè)精度

由于全球能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，人們加快了對(duì)新能源探索和開發(fā)的腳步。太陽能作為新能源和可再生能源的重要組成部分，受到越來越多國家的重視［1-3］。太陽能是一種清潔能源，已被公認(rèn)為是未來最具競爭力的能源之一。光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)是太陽能利用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，但是由于光伏陣列的輸出會(huì)受到溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等外界因素的影響，會(huì)造成光伏發(fā)電量的不確定性，從而使并網(wǎng)運(yùn)行后對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成一定的沖擊，因此研究光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)具有重要的意義。

從20世紀(jì)80年代開始，隨著光伏發(fā)電量在各國電網(wǎng)中所占比例逐漸增大，越來越多的專家學(xué)者致力于研究并改進(jìn)光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)方法，希望可以提高光伏發(fā)電站的發(fā)電能力。就目前來說，關(guān)于光伏發(fā)電輸出功率預(yù)測(cè)的方法有很多種，按照研究過程可以分為直接預(yù)測(cè)和短期預(yù)測(cè)［4］；而根據(jù)時(shí)間的長短又可劃分為中長期、短期和超短期預(yù)測(cè)。另外還有數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法［5-9］，人工智能預(yù)測(cè)法法［10-16］等。

為了使光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)達(dá)到更高精度，在模糊雙曲正切模型的基礎(chǔ)上，我們提出一種光伏發(fā)電量的短期預(yù)測(cè)方法。

1　模糊雙曲正切模型

模糊雙曲正切模型（FHM）被Zhang和Quan于2000年提出，其結(jié)構(gòu)簡單，可用于依據(jù)日趨成熟的線性系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)強(qiáng)魯棒性的穩(wěn)定控制器。在其后幾年，Zhang和Quan又陸續(xù)提出廣義雙曲正切模型等FHM的一系列拓展和應(yīng)用。其中，依據(jù)該模型設(shè)計(jì)的控制器在理論上可以使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)性能，因?yàn)镕HM是一種全局模型。同時(shí)，F(xiàn)HM也屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的范疇，因此可以根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力來優(yōu)化模型的參數(shù)。

對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)來說，難以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來獲取被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就顯得尤為重要。用FHM來描述系統(tǒng)時(shí)，其狀態(tài)方程為

其中，x=（x1，x2…xn）T表示狀態(tài)變量，u=（u1，u2…up）T表示輸入變量，A∈Rn×n，B∈Rn×p為定常矩陣，且kxi為正常數(shù)。式子（1）被稱作模糊雙曲正切模型。

FHM在本質(zhì)上也屬于模糊模型，如果給出合適的隸屬函數(shù)、模糊化和解模糊的方法，和相應(yīng)的模糊規(guī)則基等，就可以推得該模型。因此，首先定義此模型的模糊規(guī)則基。

定義1：假設(shè)系統(tǒng)的輸入變量用u=（u1（t）u2（t）…up（t））T來表示，狀態(tài)變量用x=（x1（t）x2（t）…xn（t））T來表示，我們稱滿足以下條件的的模糊規(guī)則基為雙曲正切型模糊規(guī)則基［19-20］。

1）模糊規(guī)則基為如下形式：

其中，F(xiàn)xi（i=1，2，…，n），F(xiàn)uj（j=1，2，…，p）是模糊子集，分別與xi和uj對(duì)應(yīng)，包括正（P）和負(fù)（N）兩種語言值；cxi和cuj是正常數(shù)，分別與Fxi和Fuj對(duì)應(yīng)：當(dāng)Fxi或Fuj為P時(shí)，cxi或cuj前面的符號(hào)就是正號(hào)；當(dāng)Fxi或Fuj為N時(shí)，cxi或cuj前面的符號(hào)就為負(fù)號(hào)。

2）IF中的狀態(tài)x，輸入u和THEN中的輸出項(xiàng)都是可以選擇的，但是輸出項(xiàng)中的cxi或cuj與x或者u是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即若在IF部分包含F(xiàn)xi或Fuj項(xiàng)，那么在THEN部分必然包含cxi或cuj；相反地，若IF部分不包括Fxi或Fuj項(xiàng)，那么在THEN部分也必然不含cxi或cuj項(xiàng)。

定理：給出雙曲正切型模糊規(guī)則基，若Pz和Nz（z表示狀態(tài)x或輸入u）對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)分別定義為如下形式：

其中kZ是常數(shù)，并且kZ＞0。若模糊化采用單點(diǎn)模糊集合，清晰化采用加權(quán)平均法，直積運(yùn)算采用求積法，那么根據(jù)模糊規(guī)則集定義1可得出如下數(shù)學(xué)模型：

2　基于FHM的光伏發(fā)電量短期預(yù)測(cè)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率容易受到環(huán)境因素的影響，從而使發(fā)電量具有不確定性，容易對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。圖1至圖2分別代表4個(gè)不同城市一年內(nèi)每個(gè)月的平均溫度和總的輻射強(qiáng)度的變化。表1表示4個(gè)不同國家一年中每個(gè)月的平均風(fēng)速。對(duì)比圖1和圖2我們可以知道，當(dāng)溫度高時(shí)，相應(yīng)的輻射強(qiáng)度也高，而由于美國、西班牙和印度均位于北半球，而澳大利亞屬于南半球，故而，澳大利亞每個(gè)月的平均溫度和總輻射量與其他3個(gè)國家呈相反趨勢(shì)。由于每個(gè)地方影響光伏發(fā)電量的風(fēng)速、溫度、輻射強(qiáng)度等外界因素都不同，而它們都對(duì)發(fā)電量的產(chǎn)生造成了不同程度的影響，因而，我們?cè)趯?duì)不同的地方進(jìn)行光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。

表1　不同地域的四個(gè)國家一年中每個(gè)月的平均風(fēng)速

圖1　不同地域的4個(gè)國家一年中每個(gè)月的平均溫度

圖2　不同地域的4個(gè)國家一年中每個(gè)月的總輻射強(qiáng)度

由上可知，影響光伏發(fā)電量的產(chǎn)生的因素有很多。為了使光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)達(dá)到更高精度，我們以輻射強(qiáng)度，溫度和風(fēng)速作為輸入，光伏發(fā)電量作為輸出，建立一種基于模糊雙曲正切模型的光伏發(fā)電量短期預(yù)測(cè)模型。

為保證預(yù)測(cè)精度，我們對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除里面的奇異值，從而提高模型的泛化能力。同時(shí)，為了使輸入輸出數(shù)據(jù)能保持在0～1范圍內(nèi)，我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，

在對(duì)所建立的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，我們用平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）來判斷預(yù)測(cè)模型的好壞，這是目前常用的評(píng)估性指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

其中，d（i）代表期望值，y（i）代表預(yù)測(cè)值，N代表訓(xùn)練樣本的大小，i代表第i次訓(xùn)練。

3　仿真結(jié)果分析

我們選擇2005年美國阿拉斯加州的科策布（北緯66.883°，西經(jīng)162.6°）為觀測(cè)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，我們需要初始化程序。我們選擇一年中每天8: 00-17:00的地球表面輻射強(qiáng)度、溫度和風(fēng)速作為樣本輸入，光伏發(fā)電量作為樣本輸出，初始樣本長度設(shè)為300，采樣樣本長度設(shè)為200。下面我們分別構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，標(biāo)準(zhǔn)ESN預(yù)測(cè)模型，F(xiàn)HM預(yù)測(cè)模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)，我們可以的幾種預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果如下：

通過觀察表2，我們可以知道當(dāng)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)光伏發(fā)電量的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果MAPE= 0.31%，而標(biāo)準(zhǔn)ESN預(yù)測(cè)模型和FHM預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度相比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來說明顯提高，尤其是本文所提出FHM預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)精度是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的27.7倍，預(yù)測(cè)性能大大提高。

圖3　不同模型的預(yù)測(cè)效果

表2　不同模型的預(yù)測(cè)性能（MAPE）

4　結(jié)論

文中通過分析影響光伏發(fā)電量的外界因素，建立不同的預(yù)測(cè)模型來對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過具體的仿真實(shí)驗(yàn)來比較不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)性能，證明了本文所提出的FHM模型對(duì)于光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)有更高的預(yù)測(cè)精度，驗(yàn)證了所提模型的有效性。

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The short-term photovoltaic power generation forecasting based on the fuzzy hyperbolic model

QI Hong-yun1，LUN Shu-xian2
（1.College of Engineering，Bohai University，Jinzhou 121013，China；2.College of New Energy，Bohai University，Jinzhou 121013，China）

Through the analysis and comparison of the factors that affect the generation of photovoltaic power generation，the short-term prediction model of photovoltaic power generation is established based on fuzzy hyperbolic model.This model is not only a kind of fuzzy model，but also a neural network model.Using its powerful learning ability，the historical data is used as the training sample.And get the stability of the model is used for short-term forecasting of photovoltaic power generation.Simulation results show that the prediction model has higher prediction accuracy compared with other prediction methods.

photovoltaic power generation；short-term forecasting；fuzzy hyperbolic model；prediction accuracy

TN302

A

1674－6236（2016）17-0001-03

2016-01-31稿件編號(hào)：201601300

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（051501131）；教育部-新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-11-1005）；2011年遼寧省第一批次科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（201402001）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014020143）；遼寧省百千萬人才工程項(xiàng)目（2012921061）

齊紅云（1991—），女，山東泰安人，碩士研究生。研究方向：智能控制與濾波、光伏發(fā)電預(yù)測(cè)。