試析風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展

丁湘躍

摘要：本文主要對(duì)過(guò)去幾年風(fēng)能發(fā)電的預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了追蹤和概述，針對(duì)風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)當(dāng)中存在的不足和一些需要改進(jìn)的地方進(jìn)行了討論，希望對(duì)以后的相關(guān)研究提供一定的幫助，提高風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能發(fā)電 預(yù)測(cè)技術(shù) 人工智能技術(shù) 統(tǒng)計(jì)學(xué)

在解決能源危機(jī)的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用是一種最主要的途徑，而利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電則是清潔和高效的能源利用方式。對(duì)于風(fēng)能發(fā)電來(lái)講，隨著科技的不斷發(fā)展，到2020年的時(shí)候風(fēng)能發(fā)電基本上能夠滿足全球電力的12%需求?？稍偕茉窗l(fā)電新的一種模式就是采用微電網(wǎng)，但是因?yàn)榭稍偕Y源具有能控性、間隙性以及不穩(wěn)定性，這樣微電網(wǎng)在和傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候就會(huì)存在很多的困難，而要很好的解決這些困難，那么關(guān)鍵的一步就需要對(duì)可再生資源的發(fā)電量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

而最近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)國(guó)家的學(xué)者就提出了很多基于人工智能技術(shù)和基于復(fù)雜統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)電預(yù)測(cè)模型，在建立這些預(yù)測(cè)模型的時(shí)候需要花費(fèi)很多的時(shí)間，但是預(yù)測(cè)的效果要比傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)技術(shù)要強(qiáng)很多。

1 風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析

在對(duì)風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能發(fā)電的時(shí)間序列數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一種混沌的現(xiàn)象，所以可以對(duì)風(fēng)能的發(fā)電量進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)。在風(fēng)能發(fā)電的預(yù)測(cè)中，主要為風(fēng)速的預(yù)測(cè)、功率曲線的求解、數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計(jì)等，其中風(fēng)速預(yù)測(cè)是主要的工作內(nèi)容。

可是，在實(shí)際風(fēng)速預(yù)測(cè)中存在一定的難度，主要表現(xiàn)為地理地形差異、空氣密度、大氣壓差異性、區(qū)域溫度差異等。根據(jù)風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)的時(shí)間，一般把風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)分為短期預(yù)測(cè)、中期預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。短期預(yù)測(cè)時(shí)間為三到六小時(shí)的預(yù)測(cè)，這種方式將能及時(shí)的監(jiān)控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效果有利于制定電能儲(chǔ)備計(jì)劃；中期預(yù)測(cè)時(shí)間為六到七十二小時(shí)，主要是利于制定電能調(diào)度策略；長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí)間為三到十天，將有利于制定能源的使用計(jì)劃，其中短期預(yù)測(cè)是最重要的預(yù)測(cè)形式。

在風(fēng)能預(yù)測(cè)中，主要分為兩步，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，其次是數(shù)據(jù)處理。收集的數(shù)據(jù)主要是大氣數(shù)據(jù)和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的歷史數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理就是對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)發(fā)電量。風(fēng)能發(fā)電模型一般分為間接預(yù)測(cè)與直接預(yù)測(cè)。

1.1 對(duì)風(fēng)能發(fā)電能進(jìn)行間接預(yù)測(cè)的方法

利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，其實(shí)就是把風(fēng)速產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電方式。對(duì)風(fēng)能發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)，就是對(duì)風(fēng)的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用發(fā)電機(jī)的功率曲線數(shù)據(jù)圖把風(fēng)速的預(yù)測(cè)值轉(zhuǎn)換為電量的預(yù)測(cè)值。在實(shí)際工作中，有四種方法可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，為物理預(yù)測(cè)法；基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的預(yù)測(cè)法；基于人工智能技術(shù)的預(yù)測(cè)法；綜合預(yù)測(cè)法。

物理預(yù)測(cè)法，是一種傳統(tǒng)的風(fēng)速預(yù)測(cè)方法，與我國(guó)的氣象預(yù)測(cè)差不多，針對(duì)數(shù)值天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種物理方法。物理預(yù)測(cè)法主要是經(jīng)過(guò)對(duì)天氣的某一時(shí)間的觀察資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用數(shù)值方法把大氣的熱力與動(dòng)力進(jìn)行求解，得出風(fēng)速的預(yù)測(cè)值。綜合風(fēng)速預(yù)測(cè)值與發(fā)電機(jī)組的功率曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，就會(huì)推出發(fā)電量的預(yù)測(cè)值。針對(duì)三到十天的長(zhǎng)期風(fēng)速預(yù)測(cè)，物理預(yù)測(cè)法比較有效果，而對(duì)于三到六小時(shí)的短期風(fēng)速預(yù)測(cè)，這種方法存在一定的缺陷。因?yàn)椴捎梦锢眍A(yù)測(cè)法進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測(cè)的時(shí)候，容易對(duì)近地面的風(fēng)速、風(fēng)向預(yù)測(cè)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，造成發(fā)電量預(yù)測(cè)出現(xiàn)差異。特別是在對(duì)子網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測(cè)的時(shí)候，容易忽視地形帶形成的風(fēng)帶。針對(duì)這種缺陷，提出了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的預(yù)測(cè)方法，提高了物理預(yù)測(cè)法對(duì)發(fā)電量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的預(yù)測(cè)方法是利用系統(tǒng)觀測(cè)的風(fēng)速歷史信息（風(fēng)速時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)），采用參數(shù)估計(jì)和曲線擬合的方法建立風(fēng)速預(yù)測(cè)模型，同時(shí)根據(jù)風(fēng)速預(yù)測(cè)值和風(fēng)速實(shí)際值的差異，及時(shí)調(diào)整風(fēng)速預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。與其他預(yù)測(cè)方法相比，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的預(yù)測(cè)方法更容易建立預(yù)測(cè)模型，短期風(fēng)速預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也高。

基于人工智能技術(shù)的預(yù)測(cè)法。人工智能的本質(zhì)其實(shí)就對(duì)人的思維方式進(jìn)行模擬，而采用人工智能技術(shù)建立起來(lái)的風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)模型具有一定的學(xué)習(xí)能力，而且當(dāng)歷史數(shù)據(jù)增加的時(shí)候，預(yù)測(cè)的精度也會(huì)相應(yīng)的提高。

和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型相比較，構(gòu)建人工智能預(yù)測(cè)模型要容易一些，所需的時(shí)間也更少，對(duì)于風(fēng)速輸入和輸出之間的確定數(shù)學(xué)表達(dá)式人工智能預(yù)測(cè)模型也不需要，而是通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練從而得到預(yù)測(cè)值。

綜合預(yù)測(cè)法。綜合預(yù)測(cè)法主要就是指通過(guò)對(duì)不同預(yù)測(cè)方案的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，從而就能夠得到一個(gè)最有準(zhǔn)確性的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。它基本的思想就是如果不同的預(yù)測(cè)方法在進(jìn)行預(yù)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)值錯(cuò)誤是沒(méi)有偏差的話，而且相互之間存在比較低的關(guān)聯(lián)度，那么單個(gè)預(yù)測(cè)方案的錯(cuò)誤就會(huì)傾向于相互之間的彌補(bǔ)，這樣一個(gè)組合的預(yù)測(cè)出錯(cuò)率和任何一個(gè)基本的預(yù)測(cè)相比都要低一些。

1.2 對(duì)風(fēng)能發(fā)電能進(jìn)行直接預(yù)測(cè)的方法

直接預(yù)測(cè)的思想主要就是將風(fēng)能發(fā)電量的歷史信息作為預(yù)測(cè)模型的輸入，那么發(fā)電量的預(yù)測(cè)值就是預(yù)測(cè)模型的輸出。

在采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)能發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)的一個(gè)案例研究當(dāng)中，MABEL等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起了一個(gè)具有三個(gè)輸入變量的發(fā)電量的預(yù)測(cè)模型，這個(gè)輸入變量是相對(duì)空氣的濕度、發(fā)電的時(shí)間以及風(fēng)速。在一種新的短期風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)當(dāng)中，NEGNEVITSKY等在對(duì)風(fēng)能發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候就采用了自適應(yīng)性模糊推理系統(tǒng)，使用的不同預(yù)測(cè)參數(shù)主要就是風(fēng)向、風(fēng)速以及風(fēng)矢量等，同時(shí)對(duì)于這些參數(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也明確的指出來(lái)了。在對(duì)風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候如果采用的是復(fù)數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的話，KITAJIMA等采用的復(fù)數(shù)坐標(biāo)就是方向和風(fēng)速，然后把這個(gè)復(fù)數(shù)坐標(biāo)當(dāng)成是復(fù)數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，而在對(duì)復(fù)數(shù)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候，主要就是通過(guò)方向傳播算法來(lái)完成的，這樣建立起來(lái)風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)模型就能夠有效地減小方差的誤差。另外因?yàn)閺?fù)數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較適合處理那些非線性數(shù)據(jù)以及比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)，和一般的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的預(yù)測(cè)模型相比較，復(fù)數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的精度更高一些。

2 對(duì)風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展分析

在對(duì)風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行預(yù)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，如果采用間接預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤的話，最主要的一個(gè)原因就是把風(fēng)速的預(yù)測(cè)值直接通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商所提供的功率曲線轉(zhuǎn)換成了發(fā)電量的預(yù)測(cè)值，但是事實(shí)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商所提供的功率曲線都是在理想的條件下得到的數(shù)值，那么就不能夠在各種各樣的情況下對(duì)風(fēng)速和發(fā)電量的情況進(jìn)行比較準(zhǔn)確的描述。為了能夠使得預(yù)測(cè)的精度能夠進(jìn)一步的提高，應(yīng)該要根據(jù)實(shí)際的情況，采用一些相關(guān)的技術(shù)比如統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)得到風(fēng)速和發(fā)電量之間比較準(zhǔn)確的關(guān)系。所有對(duì)風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度都需要依賴于原始輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，那么在對(duì)這些氣象信息進(jìn)行收集的時(shí)候，就可以通過(guò)部署遠(yuǎn)程氣象傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集，這樣原始輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性就能夠得到很好的保證，最終使風(fēng)能發(fā)電的預(yù)測(cè)能夠更加的準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的簡(jiǎn)單介紹，可以幫助那些新的研究人員跟蹤和了解風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r，希望能夠?qū)︼L(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)的研究工作更進(jìn)一步，從而使得提出的風(fēng)能發(fā)電預(yù)測(cè)方案能夠更加的準(zhǔn)確。

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