變時間尺度的風(fēng)光互補發(fā)電短期功率預(yù)測技術(shù)

摘" 要：該文探究適用于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的變時間尺度短期功率預(yù)測技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機組的功率預(yù)測模型以風(fēng)速作為輸入?yún)?shù)，光伏發(fā)電機組的功率預(yù)測模型以溫度和光照強度作為輸入?yún)?shù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)校正模塊、地形變化模塊、輻射量計算模塊、功率預(yù)測模塊的處理后，準(zhǔn)確預(yù)測輸出功率。在此基礎(chǔ)上使用Simulink仿真軟件構(gòu)建風(fēng)光互補發(fā)電模型，采集一天的風(fēng)速和太陽能輻射數(shù)據(jù)作為輸出量，仿真結(jié)果表明該模型的實際輸出功率和期望輸出功率基本一致，變時間尺度的短期功率預(yù)測技術(shù)達到預(yù)期效果，有助于實現(xiàn)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的可靠并網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補發(fā)電；短期功率預(yù)測；變時間尺度；輸出功率；預(yù)測方法

中圖分類號：TM61" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0185-04

Abstract： This paper explores the variable time scale short-term power prediction technology which is suitable for wind-wind complementary power generation system. The wind speed is used as the input parameter in the wind turbine power prediction model， and the temperature and light intensity are used as the input parameters in the photovoltaic power prediction model. After the processing of data correction module， terrain change module， radiation calculation module and power prediction module， the output power is predicted accurately. On this basis， the wind-solar complementary power generation model is constructed by using Simulink simulation software， and the one-day wind speed and solar radiation data are collected as the output. the simulation results show that the actual output power of the model is basically the same as the expected output power， and the short-term power prediction technology with variable time scale achieves the expected effect， which is helpful to realize the reliable grid connection of the wind-solar complementary power generation system.

Keywords： wind-solar complementary power generation; short-term power prediction; variable time scale; output power; prediction method

功率預(yù)測是提高風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要方法，現(xiàn)階段常用的功率預(yù)測技術(shù)有2種，分別是基于物理模型的預(yù)測和基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測，前者易受天氣預(yù)報數(shù)據(jù)分辨率的影響，預(yù)測精度不高；后者需要使用海量的歷史數(shù)據(jù)，不適用于新建或在建的風(fēng)光互補發(fā)電站。基于變時間尺度的功率預(yù)測技術(shù)，將上述2種預(yù)測方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，滿足風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)能量控制對功率預(yù)測信息較高分辨率和不同預(yù)測周期的要求，保證了該系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中不會對接入電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生沖擊影響。

1" 變時間尺度的風(fēng)力發(fā)電短期功率預(yù)測方法

1.1" 風(fēng)力發(fā)電機組功率預(yù)測模型的構(gòu)建

本文基于風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)特點及發(fā)電特性，構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電機組功率預(yù)測模型，該模型的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

由圖1可知，該功率預(yù)測模型以數(shù)值天氣預(yù)報風(fēng)速數(shù)據(jù)作為輸入量，使用多個模塊對輸入數(shù)據(jù)進行處理。例如，通過校正模塊進行數(shù)據(jù)校正進而降低風(fēng)速預(yù)報誤差、使用地形變化模塊修正地形對風(fēng)速的影響等。完成處理后，得到風(fēng)力發(fā)電機組輪轂高度處的風(fēng)速信息。利用風(fēng)力發(fā)電機組的實際功率曲線，在風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率之間建立映射關(guān)系。將物理模型的輸出數(shù)據(jù)作為功率預(yù)測模塊的輸入，預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率。在該模型中，變時間尺度預(yù)測模塊的作用是依據(jù)該風(fēng)力發(fā)電機組的歷史數(shù)據(jù)，確定其控制周期，并預(yù)測下一個時間點上的風(fēng)速數(shù)據(jù)[1]。

1.2" 基于風(fēng)速功率曲線的輸出功率預(yù)測

使用地形變化模塊、粗糙度變化模塊對數(shù)值天氣預(yù)報點風(fēng)速進行修正處理后，所得結(jié)果近似于風(fēng)力發(fā)電機組位置的風(fēng)速。但是在短期功率預(yù)測中，由于預(yù)測周期較小（通常不足1 h），導(dǎo)致數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)的分辨率偏低，無法滿足功率預(yù)測的精確度要求。基于此，本文提出了一種基于歷史數(shù)據(jù)和物理模型的變時間尺度的功率預(yù)測方法。首先，運用“數(shù)據(jù)插值法”對預(yù)測周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進行插值，使數(shù)據(jù)分辨率提高到能夠滿足短期功率預(yù)測的要求。其次，功率預(yù)測模塊參考數(shù)據(jù)插值的時間間隔從歷史數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，由于每次插值的間隔時間不同，從而實現(xiàn)了變時間尺度的差值運算，即可得到變時間尺度的風(fēng)力發(fā)電機物理模型，利用該模型對當(dāng)天風(fēng)速變化趨勢進行預(yù)測。

風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)速功率曲線表示了輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系，直觀地反映了風(fēng)力發(fā)電機組輸出性能的優(yōu)劣。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（1 kg/m3）下，風(fēng)力發(fā)電機組的輸出性能最佳，但是在實際中由于風(fēng)場環(huán)境不一致，使得實際輸出功率和標(biāo)準(zhǔn)輸出功率存在一定差異。以風(fēng)場空氣密度1.02 kg/m3為例，2種條件下的功率曲線如圖2所示。

由圖2可知，風(fēng)力發(fā)電機組的實際功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線變化趨勢大體相同，但是并不完全重合。基于此，在實際應(yīng)用中要結(jié)合風(fēng)場地理環(huán)境建立實際功率曲線，才能準(zhǔn)確預(yù)測功率。風(fēng)力發(fā)電機組總輸出功率的短期預(yù)測方法為：首先，分別預(yù)測各臺風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)速，利用風(fēng)速與輸出功率的關(guān)系預(yù)測單臺風(fēng)力發(fā)電機組的功率；其次，將所有機組的預(yù)測功率累加求和，即可得到總輸出功率；最后，預(yù)測該風(fēng)電場下一周期輸出功率[2]。

2" 變時間尺度的光伏發(fā)電短期功率預(yù)測方法

2.1" 光伏組件功率預(yù)測模型的構(gòu)建

基于光伏電池結(jié)構(gòu)和工作特性，構(gòu)建了光伏組件功率預(yù)測模型，如圖3所示。

由圖3可知，該預(yù)測模型以數(shù)值天氣溫度和光照強度預(yù)報數(shù)據(jù)作為輸入量，分別經(jīng)過數(shù)據(jù)校正、變時間尺度數(shù)據(jù)插值運算以及輻射量計算處理后，從輸入數(shù)據(jù)中提取處光伏電池在實際環(huán)境中的具體參數(shù)。將提取參數(shù)作為功率預(yù)測模塊的輸入，預(yù)測每一組光伏電池在下一周期的輸出功率。最后通過累加求和的方式，預(yù)測整個光伏組件在下一周期的輸出功率。

2.2" 光伏系統(tǒng)功率預(yù)測

光伏系統(tǒng)中包含了若干的光伏組件，要想完成光伏系統(tǒng)的短期功率預(yù)測，必須要分別預(yù)測每個光伏組件的功率，然后再累加求和。短期功率預(yù)測流程如圖4所示。

對于一些規(guī)模較大的光伏電站，包含的光伏組件多達數(shù)萬甚至數(shù)十萬，這種情況下逐一預(yù)測每個光伏組件的輸出功率再進行求和，需要大量的時間，顯然不符合短期功率預(yù)測的要求[3]。基于此，本文提出了一種優(yōu)化方案：假設(shè)光伏發(fā)電站內(nèi)有M和N 兩種類型的光伏系統(tǒng)，每個系統(tǒng)中有x個光伏組件。其中，M型光伏組件中有p塊光伏電池，N型光伏組件中有q塊光伏電池。KMi為第i塊M型光伏組件的預(yù)測輸出功率，KNi為第i塊N型光伏組件的預(yù)測輸出功率，則該光伏發(fā)電站總預(yù)測輸出功率可通過下式求得

根據(jù)上式求出K值后，即可利用數(shù)值天氣預(yù)報信息成功預(yù)測光伏系統(tǒng)的輸出功率。該方案假定同一系統(tǒng)中所有光伏電池的參數(shù)一致，不需要單獨求解每個光伏組件的預(yù)測輸出功率，既減小了計算工作量，又能滿足短期預(yù)測需要。

3" 風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)中的短期功率預(yù)測仿真

3.1" 風(fēng)光互補控制仿真平臺的搭建

本文使用Simulink仿真軟件構(gòu)建了風(fēng)光互補發(fā)電模型及配套的儲能電池模型，該模型包含了能量分配和功率預(yù)測2個主要模塊。將實時風(fēng)速、實時光照強度（太陽能輻射）2類數(shù)據(jù)輸入到預(yù)測模型中，在模型內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)校正、粗糙度優(yōu)化、輻射量計算等一系列處理后，預(yù)測風(fēng)光互補發(fā)電機組下一周期的輸出功率；將預(yù)測結(jié)果作為分配模型的輸入量，利用能量分配模型確定能量分配策略，按照該策略調(diào)整各發(fā)電組件的功率，確保實時狀態(tài)與設(shè)定狀態(tài)一致，保證風(fēng)光互補發(fā)電模型的輸出功率穩(wěn)定，達到預(yù)期的控制目標(biāo)[4]。

3.2" 風(fēng)光互補控制仿真條件的設(shè)定

基于上述仿真平臺，將風(fēng)光互補發(fā)電仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定如下：風(fēng)力發(fā)電方面，設(shè)置6臺單機容量為2.0 MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組；光伏發(fā)電方面，設(shè)置4臺單機容量為1.2 MW的光伏發(fā)電機組；儲能方面，設(shè)置1臺容量為3.0 MW的儲能電池，總?cè)萘?9.8 MW。為提高仿真結(jié)果的可信度，實地觀測了一天的風(fēng)速與太陽能輻射數(shù)據(jù)，每小時記錄一次，共得到24組數(shù)據(jù)（表1），將其作為仿真系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。

3.3" 變時間尺度功率預(yù)測的風(fēng)光互補控制仿真

鑒于真實環(huán)境下風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)對短期功率預(yù)測周期的要求存在差異，因此，在控制仿真中將功率預(yù)測周期按照30、15、5、15和30 min的順序循環(huán)交替，得到變時間尺度功率預(yù)測的效果。在預(yù)測周期不斷變化的條件下，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線如圖5所示。

由圖5可知，該系統(tǒng)的實際輸出功率與期望輸出功率較為接近，并且兩者在24 h之內(nèi)的變化趨勢基本一致。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的控制周期與通信時間、電網(wǎng)調(diào)度指令等有關(guān)，而變時間尺度的功率預(yù)測可以靈活適應(yīng)不同情況，并根據(jù)通信周期、電網(wǎng)調(diào)度指令周期的變化而變化，這就保證了即便是在不同控制周期條件下，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的實際功率能夠接近期望功率，功率預(yù)測結(jié)果的精度較高。結(jié)合上文分析可知，預(yù)測結(jié)果會對能量分配產(chǎn)生直接影響，功率預(yù)測精度與能量分配精度呈正相關(guān)，這就保證了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中各發(fā)電組件的功率設(shè)定值更加契合實際發(fā)電能力，最終保證了系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性[5]。

在部分時間段（如12 h）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)輸出功率波動較為明顯的情況，分析其原因是該時間段的功率預(yù)測周期為30 min，但是其對應(yīng)的預(yù)測精度要低于預(yù)測周期為15、5 min時對應(yīng)的預(yù)測精度，相應(yīng)的能量分配精度降低，最終呈現(xiàn)出來的直觀表現(xiàn)就是系統(tǒng)的輸出功率波動更為明顯，這與預(yù)測時間越長、預(yù)測精度越低的常識相符。

4" 結(jié)束語

隨著我國風(fēng)電和光電裝機容量的不斷增加，如何降低風(fēng)電和光電大規(guī)模接入電網(wǎng)時對電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊影響成為熱門研究課題。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了風(fēng)能和太陽能的互補，是一種前景廣闊的新型能源發(fā)電型式，本文結(jié)合風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行原理和工作特性，提出了基于變時間尺度的短期功率預(yù)測技術(shù)。從仿真結(jié)果看，該技術(shù)不受輸入數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的影響，可以保證短期功率預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，利用預(yù)測結(jié)果自動分配能量，保證了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的實時功率始終與設(shè)定功率接近，保證了系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定性，為風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)提供了有利條件。

參考文獻：

[1] 梁恩豪，孫軍偉，王延峰.基于自適應(yīng)樽海鞘算法優(yōu)化BP的風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電功率預(yù)測[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2021，49（24）：7-10.

[2] 馮倫，尤偉靜.基于蟻群算法的光伏發(fā)電功率短期預(yù)測技術(shù)[J].通信與信息技術(shù)，2023（5）：38-39.

[3] 馬原，張雪敏，甄釗，等.基于修正晴空模型的超短期光伏功率預(yù)測方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（11）：44-51.

[4] 王汀元.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].中小企業(yè)管理與科技，2021（12）：179-181.

[5] 劉龍兵.探究風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制策略與儲能容量優(yōu)化的研究[J].工業(yè)A，2021（9）：76-77.