風(fēng)速及風(fēng)功率預(yù)測方法綜述

張?zhí)┖溃箐h，袁平

（1.四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都610065；2.西南民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610041；3.重慶第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶400067）

0 引言

近年來，隨著環(huán)境破壞和污染日益嚴(yán)重、溫室效應(yīng)愈發(fā)明顯，以及化石燃料的不可持續(xù)性，清潔能源的使用迫在眉睫，其中風(fēng)能作為一種新型綠色能源，具有廣闊前景和很大的潛力。然而，由于風(fēng)天然自帶的間隙性、隨機(jī)性等自然屬性，風(fēng)速風(fēng)能預(yù)測具有隨機(jī)性強(qiáng)、預(yù)測精度低的特點(diǎn)，給發(fā)電廠整合風(fēng)能以及電力市場做出合理決策造成很大的困難。目前，在風(fēng)速預(yù)測領(lǐng)域已經(jīng)有多種成熟的方法，包括持久化方法、物理方法、統(tǒng)計方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及混合方法。風(fēng)能預(yù)測該領(lǐng)域的研究主要著手于兩個方向：一個方向是直接使用風(fēng)功率或數(shù)值天氣數(shù)據(jù)預(yù)測未來的風(fēng)功率，稱為直接法；另一個方向分為兩步，首先構(gòu)建風(fēng)功率曲線預(yù)測模型，其次預(yù)測風(fēng)速，將預(yù)測值帶入第一步求得的模型中，求得最終功率預(yù)測值，又稱為間接法。因?yàn)轱L(fēng)向變化隨機(jī)性較強(qiáng)和風(fēng)的天然間歇性，所以風(fēng)電功率數(shù)據(jù)具有極強(qiáng)的波動性，導(dǎo)致直接法無法充分挖掘風(fēng)電數(shù)據(jù)背后的規(guī)律。而在間接法中，由于風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方呈現(xiàn)線性關(guān)系，通過構(gòu)建的風(fēng)功率曲線，使得風(fēng)速與風(fēng)功率在曲線模型上直接一一對應(yīng)，進(jìn)一步降低了由于風(fēng)速波動而導(dǎo)致的功率預(yù)測誤差，提高預(yù)測精度。并且，通過風(fēng)電功率數(shù)據(jù)構(gòu)建的風(fēng)功率曲線可以實(shí)時更新，進(jìn)而表現(xiàn)出風(fēng)電場周圍環(huán)境的真實(shí)情況，包括地面粗糙度、地形、機(jī)械損耗等所造成的風(fēng)機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率變化，避免了使用風(fēng)能發(fā)電機(jī)廠商提供的不準(zhǔn)確的理想靜態(tài)功率曲線模型。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)速與風(fēng)功率

在風(fēng)能預(yù)測領(lǐng)域，風(fēng)速與風(fēng)功率存在著密不可分的關(guān)系。根據(jù)物理公式，風(fēng)速與風(fēng)功率之間存在的物理關(guān)系如式（1）所示：

其中，P 為預(yù)測功率值，p 是空氣密度（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度為1.293kg/m3），A 為風(fēng)電機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)時的所形成的圓形面積，v 為風(fēng)速。從上可知，風(fēng)速的一點(diǎn)誤差可能會導(dǎo)致風(fēng)功率預(yù)測出現(xiàn)極大偏差，因?yàn)轱L(fēng)功率和風(fēng)速的三次方成線性正比關(guān)系，所以準(zhǔn)確的風(fēng)速預(yù)測值對于相同尺度下的功率預(yù)測準(zhǔn)確性至關(guān)重要，當(dāng)風(fēng)速過低不足以支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動（風(fēng)速小于切入風(fēng)速）時，會使得風(fēng)機(jī)切出電網(wǎng)，此時較高精度的風(fēng)速預(yù)測可以為電力市場做出更有決策、為風(fēng)電機(jī)廠商做出設(shè)備運(yùn)營維護(hù)提供更有力的保障。除此之外，準(zhǔn)確的風(fēng)速預(yù)測還有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如過高的風(fēng)速會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉承受較大的負(fù)荷，對其本身造成損耗，甚至造成整個塔架的崩塌、燒毀，通過預(yù)測風(fēng)速，可以提前發(fā)出控制命令，鎖住風(fēng)葉或脫開發(fā)動機(jī)的連接，減少風(fēng)機(jī)機(jī)械損耗、延長風(fēng)機(jī)使用壽命、減少人力維護(hù)成本、避免棄風(fēng)現(xiàn)象，進(jìn)而提高風(fēng)能整體轉(zhuǎn)化效率。另外，風(fēng)速預(yù)測也是風(fēng)電場選址的重要依據(jù)之一。

1.2 方法分類

（1）時間尺度

根據(jù)預(yù)測未來值的時間范圍，可以將風(fēng)速功率預(yù)測分為極短期預(yù)測、短期預(yù)測、中期預(yù)測以及長期預(yù)測[1]，如圖1 所示。

圖1 風(fēng)速風(fēng)功率預(yù)測根據(jù)時間尺度分類圖

極短期預(yù)測時間跨度為幾秒到30 分鐘，適用于對風(fēng)電場最近情況進(jìn)行監(jiān)管與檢測。短期的預(yù)測時間范圍為30 分鐘至6 小時之間，通常為做出負(fù)載增量或減量的決策而服務(wù)。中期預(yù)測則是提前24 小時，可幫助日電力市場進(jìn)行監(jiān)管、做出運(yùn)營決策，也能協(xié)助風(fēng)力發(fā)電廠商對未來發(fā)電機(jī)是否會因?yàn)榘l(fā)電功率過低或過高而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)離線做出更準(zhǔn)確的判斷。而對于長期預(yù)測而言，通常用于提前一天至一周之內(nèi)的時間范圍，能夠幫助電力市場做出運(yùn)營維護(hù)、預(yù)測檢修，從而降低運(yùn)行成本。

（2）方法模型

對于風(fēng)速預(yù)測而言，目前已經(jīng)有多種成熟的方法，包括持久化方法、物理方法、統(tǒng)計方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及混合方法，如表1 所示。

①持久化方法

持久化方法原理簡單，如式（2）所示：

t 為當(dāng)前時刻，Δt 為預(yù)測時間點(diǎn)距當(dāng)前時刻t 的時長，v 為風(fēng)速，其基于一個共識：當(dāng)前風(fēng)速和近期未來風(fēng)速之間存在高度相關(guān)性。即在這種方法中，當(dāng)前t 時風(fēng)速可以認(rèn)為是未來t+Δt 時刻的風(fēng)速。因此，持久化方法在有的文章中又被稱為幼稚法。在處理非常短期的預(yù)測時，持久性方法顯示出良好的準(zhǔn)確性。其僅僅適用于極短時間內(nèi)的預(yù)測，準(zhǔn)確性會隨著時間的增加而迅速下降。該方法可作為基準(zhǔn)預(yù)測法，常用于和新開發(fā)的預(yù)測模型的改進(jìn)情況進(jìn)行比較。

表1 風(fēng)速預(yù)測方法模型表

②物理方法

物理方法中的一個經(jīng)典方法類別是數(shù)值天氣預(yù)報（NWP），構(gòu)建模型需要大量的信息，除了數(shù)值天氣數(shù)據(jù)以外，還包括風(fēng)電場選址地形、周圍障礙物，甚至是數(shù)字地面模型。該方法其由氣象學(xué)家創(chuàng)建，在氣象學(xué)中得到廣泛使用，其不需要大量的歷史時序數(shù)據(jù)就能獲得較高精度的結(jié)果，主要用于一個大規(guī)模地區(qū)的天氣預(yù)測，適用于長期預(yù)測。由于NWP 使用高維且復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，通常需要在超級計算機(jī)上運(yùn)行，這限制了NWP 方法在電力系統(tǒng)在線、極短期以及短期運(yùn)行中的有效性。換言之，氣象模型往往更加準(zhǔn)確，但輸出值需要較高的時間成本、算力成本，不會經(jīng)常更新輸出。所以，對于較長時間范圍內(nèi)的預(yù)測效果較好，但對于短期預(yù)測，由于風(fēng)的間隙性、隨機(jī)性，為了保證和長期預(yù)測一樣的精度，需要頻繁更新輸出，并不適合短期預(yù)測。

③統(tǒng)計方法

統(tǒng)計方法需要使用歷史時序風(fēng)數(shù)據(jù)，當(dāng)觀察的數(shù)據(jù)量少時會影響預(yù)測精度。統(tǒng)計方法和物理方法相比，不需要對風(fēng)電場進(jìn)行任何物理信息采集來構(gòu)建預(yù)測模型，所需計算資源與時間更少，主要通過關(guān)注風(fēng)的持續(xù)特性實(shí)現(xiàn)預(yù)測。但風(fēng)所呈現(xiàn)出的非平穩(wěn)性，如間歇性與不規(guī)則性等，使得統(tǒng)計方法的準(zhǔn)確性并不高，即統(tǒng)計模型無法準(zhǔn)確地描述非線性數(shù)據(jù)。統(tǒng)計模型通常指適用于比較短期的預(yù)報。

④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計方法一樣不需要對風(fēng)電場進(jìn)行任何物理信息采集，而是通過訓(xùn)練，找出輸入數(shù)值（風(fēng)速以及數(shù)值天氣數(shù)據(jù)）和預(yù)測風(fēng)速之間的關(guān)系構(gòu)建預(yù)測模型，由于其模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)行，具有自組織、自適應(yīng)的特點(diǎn)，擅長處理風(fēng)速這類非線性的時序數(shù)據(jù)，常用于對未來一天風(fēng)速進(jìn)行短中期預(yù)測。

對于功率預(yù)測而言，可分為直接法和間接法兩種形式。

①直接法

直接以歷史風(fēng)功率以及NWP 作為輸入數(shù)據(jù)，對未來風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測，即試圖找出歷史風(fēng)功率數(shù)據(jù)的規(guī)律，并使用NWP 數(shù)據(jù)進(jìn)行加以輔助。但由于風(fēng)電數(shù)據(jù)具有高度的隨機(jī)性和波動性，特別是單個風(fēng)電場的單個風(fēng)機(jī)下，風(fēng)電時間序列波動性大、不穩(wěn)定，不足以挖掘出風(fēng)電背后的規(guī)律性。

②間接法

間接法將風(fēng)功率預(yù)測分為兩個步驟。第一步，預(yù)測未來風(fēng)速值；第二步，利用歷史風(fēng)電時間序列數(shù)據(jù)，構(gòu)建速度與功率的風(fēng)功率曲線模型，并將第一步預(yù)測風(fēng)速帶入該曲線模型，最終得到相同時間尺度下的未來風(fēng)功率值。首先，考慮到風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方呈現(xiàn)線性正比關(guān)系，較小的風(fēng)速誤差就會對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大影響，引入功率曲線使得風(fēng)速與功率在模型上呈現(xiàn)出直接的一對一關(guān)系，誤差不會再因風(fēng)速誤差而劇烈增加，大大增加了預(yù)測的準(zhǔn)確性。并且，在同一風(fēng)電場的不同風(fēng)機(jī)之間，機(jī)型各不相同，各自的功率曲線也各不相同，間接法可以方便準(zhǔn)確地將標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速預(yù)報轉(zhuǎn)換為風(fēng)功率預(yù)測結(jié)果，而非對風(fēng)電場的每臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率預(yù)報[2]。

通過構(gòu)建功率曲線，解決了風(fēng)電機(jī)廠商提供的靜態(tài)功率曲線不準(zhǔn)確的問題[3]，不準(zhǔn)確的因素有很多，比如沒有考慮當(dāng)?shù)乜諝獾耐牧鳜F(xiàn)象、沒有考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子和齒輪等部件的磨損對功率曲線本身的影響，以及假定風(fēng)機(jī)是在特定空氣密度下運(yùn)行等。

構(gòu)建功率曲線的方法可以分為兩種，一種是參數(shù)法，它使用數(shù)學(xué)表達(dá)式，當(dāng)多項式次數(shù)過高時可能引起數(shù)據(jù)過擬合。另一種是非參數(shù)法，其基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用輸出層求得的誤差來估計前一層的誤差，再利用這個誤差估計更前一層的誤差，直到傳播到輸入層，并根據(jù)誤差估計調(diào)整參數(shù)權(quán)重，存在局部極小化以及算法收斂速度慢等問題[4]。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電力市場調(diào)度

由于電能不適用于大量存儲，導(dǎo)致電力市場和其他商品市場相比具有很大的特殊性。針對這種特性，必須保證電能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、配送、使用一體化，而風(fēng)能作為能源市場中的一種新興能源，本身又因風(fēng)的間歇性、隨機(jī)性而具有較大的波動性。因此，風(fēng)速風(fēng)功率預(yù)測可以為電力市場調(diào)度提供更精準(zhǔn)的參考，有利于電力調(diào)度部門制定更合理的調(diào)度計劃。

2.2 預(yù)測運(yùn)維

準(zhǔn)確的風(fēng)速預(yù)測，不但保證了預(yù)測功率的準(zhǔn)確，而且可以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)從傳統(tǒng)巡檢式運(yùn)維到預(yù)測式運(yùn)維的轉(zhuǎn)化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速時，此時認(rèn)為風(fēng)速過高，會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)葉承受較大負(fù)荷，對風(fēng)機(jī)造成機(jī)械損耗，嚴(yán)重還會導(dǎo)致塔架的崩塌，甚至燒毀[5]。當(dāng)服務(wù)器的風(fēng)速預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測到未來近期的過高風(fēng)速時，中控系統(tǒng)可以提前發(fā)出控制命令，鎖住風(fēng)葉或脫開發(fā)動機(jī)的連接，減少風(fēng)機(jī)機(jī)械損耗、延長風(fēng)機(jī)使用壽命、減少人力維護(hù)成本、避免棄風(fēng)現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測式運(yùn)維。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了風(fēng)速與風(fēng)功率預(yù)測的時間尺度和方法分類，并就預(yù)測方法的原理、特點(diǎn)、適用場景和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了討論，目前有的方法已經(jīng)十分成熟，廣泛應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，諸如物理方法，大范圍運(yùn)用到天氣預(yù)報的全國預(yù)測中，小到一個風(fēng)電場的產(chǎn)能預(yù)測。而有的方法目前更多尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。但已經(jīng)有越來越多的實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)速風(fēng)功率預(yù)測上的有效性。未來，可以考慮物理方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的混合方法，使其在民生領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)商業(yè)領(lǐng)域提出更多新穎的應(yīng)用，發(fā)揮出更大的價值。