基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)研究

孫川永，陶樹(shù)旺，彭友兵，魏磊

（1.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048；2.國(guó)家氣候中心，北京 100081；3.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西西安710049）

風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)最為成熟、最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的清潔可再生能源利用方式，近10年來(lái)發(fā)展極為迅速，在一些國(guó)家已經(jīng)成為比較重要的能源供給方式。隨著風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，其弊端也逐漸凸顯。風(fēng)力發(fā)電是將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，其特性會(huì)直接受到風(fēng)特性的影響。風(fēng)的隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電的功率也是波動(dòng)和間歇性的。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的容量較小時(shí)，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響并不明顯。隨著風(fēng)電場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響就會(huì)越來(lái)越明顯，大風(fēng)速擾動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)的電壓和頻率產(chǎn)生很大的變化，嚴(yán)重時(shí)將可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成很大的沖擊，很大程度上制約了風(fēng)電的發(fā)展，相關(guān)研究也對(duì)此作出了較為詳細(xì)的分析[1-4]。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)對(duì)于風(fēng)電的穩(wěn)定發(fā)展是至關(guān)重要的。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測(cè)，并實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可以有效減輕風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的不利影響，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效益。

近年，我國(guó)非常重視風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中比例的增加，風(fēng)電與其他常規(guī)電力資源在電網(wǎng)間的調(diào)度問(wèn)題逐漸引起了國(guó)家的重視，為此，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率報(bào)問(wèn)題進(jìn)行了初步研究。

1 數(shù)據(jù)和方法

采用美國(guó)科羅拉多大學(xué)的三維區(qū)域模式（Regional Atmospheric Modeling System RAMS,version 6.0）預(yù)報(bào)風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域風(fēng)速。其基本方程是標(biāo)準(zhǔn)的雷諾平均的原始方程，采用區(qū)域嵌套方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)所選擇區(qū)域的高分辨率模擬，模擬采用四重嵌套方案，水平格距分別為48 km,16 km,4 km,1 km，最內(nèi)層格點(diǎn)數(shù)為58×58。

采用美國(guó)NCEP的預(yù)報(bào)場(chǎng)資料作為模式的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，第一層嵌套區(qū)域在垂直方向上采用40層格距，其余的三層嵌套區(qū)域采用42層垂直格距，以期更詳細(xì)的反應(yīng)地形對(duì)風(fēng)速的影響。地形高度資料采用美國(guó)的（TheShuttle Radar Topography Mission,SRTM）數(shù)據(jù)，水平分辨率為90 m，地表植被資料采用的是美國(guó)USGS提供的1 km水平分辨率資料。

所采用測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)70 m，高測(cè)風(fēng)塔記錄數(shù)據(jù)風(fēng)速測(cè)量高度分別為70 m、50 m、30 m、10 m。風(fēng)向測(cè)量高度為70 m、10 m，測(cè)風(fēng)儀器為美國(guó)NRG測(cè)風(fēng)儀，每十分鐘記錄一次平均風(fēng)速、風(fēng)向。所用風(fēng)電功率資料來(lái)自于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)已投入運(yùn)行的風(fēng)電SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)每10分鐘記錄一次風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率資料。

2 風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果

表1為2006—2008年各月1～84 h70 m高度月平均風(fēng)速月平均預(yù)報(bào)均方根誤差。其中2006年1月與12月缺少觀測(cè)資料。由表1可以看出1～84 h均方根誤差基本上在2~3 m之間，這與歐洲風(fēng)能預(yù)報(bào)計(jì)劃的風(fēng)速預(yù)報(bào)水平基本相當(dāng)[5]。

圖1為2006年2月1日測(cè)風(fēng)塔處70 m高度風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果。由圖1可以看出預(yù)報(bào)結(jié)果較好地反映了風(fēng)速變化趨勢(shì)，尤其是前36 h的預(yù)報(bào)結(jié)果不僅對(duì)風(fēng)速變化趨勢(shì)描述的比較準(zhǔn)確，風(fēng)速大小的預(yù)報(bào)結(jié)果也較為準(zhǔn)確。而2月4日凌晨至早上八點(diǎn)，預(yù)報(bào)結(jié)果明顯小于觀測(cè)值。造成這樣的結(jié)果主要是因?yàn)镹CEP預(yù)報(bào)場(chǎng)的風(fēng)速在這段時(shí)間比較低，所以預(yù)報(bào)結(jié)果類似于預(yù)報(bào)場(chǎng)的結(jié)果，而并沒(méi)有真實(shí)地反映觀測(cè)值。

表1 2006—2008年各月1～84 h風(fēng)速月平均預(yù)報(bào)均方根誤差（m/s）Tab.1 RMSE of month averaged observation wind speed and prediction wind speed for 1～84 hoursfrom 2006 to 2008

圖1 2006年2月1日測(cè)風(fēng)塔處70 m高度風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.1 The forecasting wind speed at 70 m on Feb.2th in 2006

3 風(fēng)電功率預(yù)報(bào)模型的建立及其預(yù)報(bào)效果

3.1 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Network,ANN）是在現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種模擬人腦信息處理機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于其具有自學(xué)習(xí)、自組織的非線性映射能力，適合于一些信息復(fù)雜、知識(shí)背景不清楚和推理規(guī)則不明確問(wèn)題的建模。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，開(kāi)始被應(yīng)用于如數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用、天氣預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)質(zhì)量保證等各個(gè)方面,同時(shí)在氣候模式、短期氣候預(yù)測(cè)、中短期天氣預(yù)報(bào)、強(qiáng)對(duì)流天氣和衛(wèi)星資料處理等許多領(lǐng)域,也得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]。

BP算法是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法之一，其各種變化形式占了實(shí)際應(yīng)用的80%~90%，很多研究者[11-15]對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入研究，從不同的角度對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)并取得了顯著效果。

BP網(wǎng)絡(luò)除輸入輸出節(jié)點(diǎn)外，還有一層或多層隱含節(jié)點(diǎn)，同層節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有任何連接。輸入信號(hào)從輸入層節(jié)點(diǎn)依次傳過(guò)各隱含節(jié)點(diǎn)，然后傳到輸出層節(jié)點(diǎn)，每層節(jié)點(diǎn)的輸出只影響下一層節(jié)點(diǎn)的輸出。BP網(wǎng)絡(luò)整體算法成熟，其信息處理能力來(lái)自于對(duì)簡(jiǎn)單非線性函數(shù)的多次復(fù)合。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，x為訓(xùn)練樣本，yk（t）為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出，yk（t）為網(wǎng)絡(luò)的期望輸出，wij為輸入層節(jié)點(diǎn)i到隱含層節(jié)點(diǎn)j的權(quán)值，vik為隱含層節(jié)點(diǎn)j到輸出層節(jié)點(diǎn)k的權(quán)值，θj為隱含層節(jié)點(diǎn)j處的閾值，γt為輸出節(jié)點(diǎn)t處的閾值，f（x）為激活函數(shù)。要實(shí)現(xiàn)全局誤差函數(shù)E在曲面上按梯度下降，采用梯度規(guī)則，求E對(duì)輸出層和隱含層的連接權(quán)和閾值的負(fù)梯度

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig2 The construction of neural network

BP算法的數(shù)學(xué)模型是求解如下函數(shù)的最優(yōu)解問(wèn)題。

按梯度下降原則，確定網(wǎng)絡(luò)的引節(jié)點(diǎn)數(shù)和學(xué)習(xí)速率，對(duì)于隱含層的層數(shù)，許多學(xué)者做了理論的研究。根據(jù)Lippmann[16]的研究可知，三層網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意一個(gè)連續(xù)的函數(shù)。后來(lái)Robert Hecht Nielsen[17]研究進(jìn)一步指出：只有一個(gè)隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只要節(jié)點(diǎn)足夠多，就可以以任意精度逼近一個(gè)非線性的函數(shù)。因此，在該方法中隱層的數(shù)目設(shè)定為一層。又根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隱節(jié)點(diǎn)數(shù)一般選在輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)的1～2倍之間時(shí)，能達(dá)到較好的效果。因此，在一個(gè)隱層、隱節(jié)點(diǎn)數(shù)為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)的1~2倍之間這兩個(gè)前提條件下進(jìn)行計(jì)算。

在本研究中,BP網(wǎng)絡(luò)采用三層網(wǎng)絡(luò)，隱層的數(shù)目設(shè)定為一層。采用雙曲型函數(shù)作為其激發(fā)函數(shù)，描述為：

3.2 風(fēng)電功率預(yù)報(bào)模型

由于資料限制，主要研究單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)時(shí)效為48 h，時(shí)間間隔為15 min。利用2007年9月—2008年2月份的風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力資料與風(fēng)速風(fēng)向預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)各個(gè)時(shí)刻分別進(jìn)行建模，逐個(gè)時(shí)刻進(jìn)行預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)因子為95 m、70 m、45 m高度處預(yù)報(bào)風(fēng)速，預(yù)報(bào)量為風(fēng)電場(chǎng)出力。

由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障、維修等原因會(huì)導(dǎo)致某些風(fēng)力發(fā)電機(jī)資料缺測(cè)，導(dǎo)致每個(gè)時(shí)刻參與風(fēng)電場(chǎng)出力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)不一致。即使參與的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)一樣，而每個(gè)時(shí)刻參與的風(fēng)力發(fā)電機(jī)編號(hào)不一樣，也會(huì)導(dǎo)致在相同的風(fēng)況條件下風(fēng)電場(chǎng)出力的差異。由于不能對(duì)每個(gè)時(shí)刻的天氣進(jìn)行精確地測(cè)量，也就很難對(duì)這種情形下的問(wèn)題進(jìn)行考慮，所以暫不考慮因參與的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的差異而導(dǎo)致的出力差異。但在建模時(shí)對(duì)參與出力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)小于25臺(tái)的時(shí)刻予以刪除。選擇25作為標(biāo)準(zhǔn)是在既考慮風(fēng)電場(chǎng)出力代表性又考慮樣本數(shù)目足夠多的條件下而定的，選擇更大的標(biāo)準(zhǔn)，樣本數(shù)較少，選擇更小的標(biāo)準(zhǔn)，參與出力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)變化太大不利于建模統(tǒng)計(jì)。圖3為2007年9月—2008年2月參與風(fēng)電場(chǎng)出力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)分布圖，可以看出大部分時(shí)間風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況良好，參與風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)在大部分時(shí)間為25~30臺(tái)。

圖3 2007年9月-2008年2月參與風(fēng)電場(chǎng)出力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)分布圖Fig.3 The distribution of wind turbine worked during 2007.9—2008.2

圖4 為 2008年3、4月份風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)均方根誤差示意圖，圖4（a）為3月份預(yù)報(bào)誤差示意圖，圖4（b）為4月份預(yù)報(bào)誤差示意圖。3月份風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)報(bào)24 h均方根誤差占裝機(jī)容量的百分比為為17.32%，48 h均方根誤差占裝機(jī)容量的百分比為18.99%。2008年4月份24 h均方根誤差占裝機(jī)容量的百分比為為23.18%，48 h均方根誤差占裝機(jī)容量的百分比為24.6%，與國(guó)際上的平均風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差基本持平[12]。

圖4 2008年3、4月份風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)均方根誤差Fig.4 RMSE of wind power prediction for Mar and Apr in 2008

4 結(jié)論

利用數(shù)值模式與統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)相結(jié)合的方式進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)48 h風(fēng)電功率預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)2008年3、4月份的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知：3月份24 h總的平均均方根誤差站裝機(jī)容量的百分比為17.32%，4月份72 h總的平均均方根誤差占風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的百分比為23.18%?；緷M足風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)的要求，對(duì)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。

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