吳賀利
摘要:在根據(jù)馬爾可夫鏈理論的隨機(jī)序列決策指導(dǎo)下,對(duì)比歷史上太陽(yáng)的輻照數(shù)據(jù),并且建立塌秧輻照量的預(yù)測(cè)模型,通過(guò)對(duì)當(dāng)前實(shí)際太陽(yáng)光輻照量的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)校核,并且對(duì)模型相應(yīng)地做出修正,最后利用labview圖形化軟件編寫預(yù)測(cè)模型,對(duì)太陽(yáng)光輻照量給出動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)與預(yù)判,為太陽(yáng)能利用提供決策依據(jù)。
關(guān)鍵詞:馬爾可夫鏈;太陽(yáng)輻照量;Labview
太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度是太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵自然環(huán)境,但是由于氣候條件變化多端,能源的利用存在相當(dāng)大的不確定性,所以太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的發(fā)電量的波動(dòng)對(duì)與電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響,故兒對(duì)太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度的預(yù)測(cè)在光伏利用過(guò)程中顯得尤為重要。
目前對(duì)于天氣的預(yù)測(cè)模型很多,利用觀測(cè)的抬動(dòng)信息和輻照量的物理計(jì)算模型,對(duì)短期輻照量給出了精度高的預(yù)測(cè):一是對(duì)于以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉和整理,模擬太陽(yáng)輻照的變化動(dòng)態(tài)規(guī)律,同時(shí)擬合預(yù)測(cè)模型,從而推算出來(lái)太陽(yáng)光的未來(lái)輻照量;二是天津大學(xué)王守相等提出的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐時(shí)太陽(yáng)能輻照預(yù)測(cè)的方法,雖然這種方法改善了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法,大大提高了訓(xùn)練速度,但是也由于其系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜龐大,讓他的操作成本升高,易用性降低。
本文利用馬爾可夫鏈與馬爾可夫決策過(guò)程理論在離散數(shù)學(xué)中的廣泛應(yīng)用,提出了一種馬爾可夫數(shù)學(xué)模型,根據(jù)以往的歷史資料,并且通過(guò)labview軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理,分散統(tǒng)計(jì)。通過(guò)概率轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行計(jì)算,并且迭代計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣,多次迭代后,從而得到其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),而且能夠?qū)γ刻飚a(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)再擬合,從而能夠?qū)崟r(shí)更新太陽(yáng)能輻照量的數(shù)據(jù),為光伏發(fā)電站的運(yùn)行提供有力的理論依據(jù)。
一、馬爾可夫過(guò)程
馬爾可夫預(yù)測(cè)法,是可以預(yù)測(cè)事件發(fā)生概率的一種方法。這是基于馬爾可夫鏈,根據(jù)事件的目前狀況預(yù)測(cè)其將來(lái)各個(gè)時(shí)刻(或時(shí)期)變動(dòng)狀況的一種預(yù)測(cè)方法。
1. 首先設(shè){X(t);t∈T}是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,如果在t0時(shí)刻所處的狀態(tài)為已知時(shí),t0以后的狀態(tài)與它在時(shí)刻t0之前所處的狀態(tài)無(wú)關(guān),則稱具有馬爾可夫性。
2. 設(shè){X(t);t∈T}的狀態(tài)空間為S,如果對(duì)于任意的n≥2,任意的t1 根據(jù)式(1),可以稱{X(t);t∈T}為馬爾可夫過(guò)程。 二、預(yù)測(cè)模型構(gòu)建 首先通過(guò)對(duì)馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)法的研究,其屬于系統(tǒng)工程中概率預(yù)測(cè)法,主要是研究事物或現(xiàn)象的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移。而且在不同狀態(tài),初始狀態(tài),以及轉(zhuǎn)移狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)移,而且不同狀態(tài)的初始概率以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率與事物或未來(lái)的變化息息相關(guān),這樣預(yù)測(cè)確定了事物或現(xiàn)象未來(lái)的變化趨勢(shì),從而達(dá)到對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)的目的。 太陽(yáng)輻射量和光伏電站的發(fā)電量密切相關(guān),但是兩者的變化過(guò)程又是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)型是把系統(tǒng)看作一個(gè)整體,通過(guò)每天不同時(shí)刻太陽(yáng)能輻射量和環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)構(gòu)成狀態(tài),根據(jù)每個(gè)時(shí)刻發(fā)電量狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率,有效預(yù)知未來(lái)系統(tǒng)發(fā)電量的構(gòu)成狀況。此外,馬爾可夫模型有利于綜合考慮各種影響因素。因此馬爾可夫模型是一種可以對(duì)隨機(jī)性比較大的事物或現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型。 根據(jù)太陽(yáng)每天輻射量,后一天比前一天的輻射量差值,來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類,進(jìn)行數(shù)據(jù)的離散化。 三、程序編寫與應(yīng)用 首先根據(jù)式(1)在軟件labview中進(jìn)行程序的編寫,實(shí)現(xiàn)公式中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,再次通過(guò)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)段分類,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換,這也就是基礎(chǔ)預(yù)測(cè)矩陣,整個(gè)預(yù)測(cè)程序界面如圖1。圖2和圖3都是為labview程序局部圖,分別為數(shù)據(jù)段分類和預(yù)測(cè)值判定。 四、模型應(yīng)用與預(yù)測(cè) 以武漢地區(qū)(北緯3037東經(jīng)11408),2001年太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)為研究樣本,以及上面構(gòu)建的馬爾可夫預(yù)測(cè)模型,對(duì)太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值校對(duì),如表2所示。 根據(jù)表2,做出如圖4曲線,其中實(shí)線為實(shí)際值,虛線為預(yù)測(cè)值。 如圖4所示,預(yù)測(cè)值和實(shí)際值總體趨勢(shì)已經(jīng)非常接近,但是其預(yù)測(cè)點(diǎn)個(gè)別數(shù)據(jù)相差較大,最大的誤差157.5%,存在極大的離散性問(wèn)題,分析所得,主要的誤差都是來(lái)自于a類分類,說(shuō)明相對(duì)于a類數(shù)據(jù)分類則較為粗糙,范圍過(guò)大。 五、結(jié)語(yǔ) 本文通過(guò)分析太陽(yáng)能輻照量,總結(jié)輻照量的預(yù)測(cè),建立了基于馬爾科夫鏈太陽(yáng)能輻照量的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,利用labview編寫了預(yù)測(cè)程序,并利用該模型完成日輻照量的預(yù)測(cè)。在對(duì)分析預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差,充分認(rèn)識(shí)到了影響誤差的根本原因在數(shù)據(jù)段分類的范圍。所以在后續(xù)的研究工作中,著重研究數(shù)據(jù)分類,使預(yù)測(cè)模型能過(guò)對(duì)歷史太陽(yáng)能輻照進(jìn)行預(yù)測(cè)總結(jié),減小實(shí)測(cè)過(guò)程中的不確定因素,使得預(yù)測(cè)模型能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整,從而提高模型預(yù)測(cè)精度。 參考文獻(xiàn): [1]ELKE L,HURKA J,DETLEV H,et al. Irradiance forecasting forthe power prediction of grid-connected photovoltaic systems[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observationsand Remote Sensing,2009(01). [2]王守相,王亞旻,劉巖,等. 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逐時(shí)太陽(yáng)能輻照量預(yù)測(cè)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2014(08). [3]李英姿,賀 琳,牛進(jìn)蒼. 基于馬爾可夫鏈的光伏并網(wǎng)發(fā)電量預(yù)測(cè)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2014(04). [4]王穎,等.中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)[R].國(guó)家氣象中心,2001. (作者單位:武漢科技大學(xué)城市學(xué)院)