一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了電力系統(tǒng)新能源發(fā)電太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)領(lǐng)域的一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，用以解決目前太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)領(lǐng)域研究中存在的問(wèn)題。該方法為：首先根據(jù)模型計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的云遮系數(shù)；其次，計(jì)算各個(gè)云層覆蓋率下的云遮系數(shù)的隨機(jī)分布及各個(gè)預(yù)測(cè)云量數(shù)據(jù)下云層覆蓋率的隨機(jī)分布；再次，基于雙重模擬技術(shù)計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量對(duì)應(yīng)的云遮系數(shù)期望值及滿(mǎn)足不同置信水平的云遮系數(shù)區(qū)間；最后，計(jì)算預(yù)測(cè)日各時(shí)刻有云天氣下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度期望值及滿(mǎn)足不同置信水平的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度區(qū)間。針對(duì)云層變化導(dǎo)致的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不確定的問(wèn)題，本發(fā)明為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)進(jìn)而為光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)提出了一種新的思路，且效果比較理想。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)新能源發(fā)電太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，以石油、天然氣和煤炭為主的化石能源正逐步消耗，能源危機(jī)成為世界各國(guó)共同面臨的課題。新能源應(yīng)用正成為全球的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能資源是最豐富的可再生資源之一，它分布廣泛，可再生，不污染環(huán)境，被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。最近10年全球太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的平均年增長(zhǎng)率為30%，近5年年均增長(zhǎng)率為40%，成為世界上發(fā)展最快的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇呥h(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過(guò)渡。預(yù)測(cè)到21世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將達(dá)到占世界總發(fā)電量的10%?20%，成為人類(lèi)的基礎(chǔ)能源之一。
[0003]相比傳統(tǒng)發(fā)電方式，光伏發(fā)電具有波動(dòng)性和間斷性等特點(diǎn)。當(dāng)光伏發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例很小時(shí)，這些特點(diǎn)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)明顯的不良影響。但是隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展，光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，其在電網(wǎng)中所占的比例也逐年增加，當(dāng)超過(guò)一定規(guī)模時(shí)，接入電網(wǎng)的光伏電站就會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及電能質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的影響。對(duì)光伏發(fā)電站的功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以使電力調(diào)度部門(mén)根據(jù)預(yù)測(cè)得到的光伏發(fā)電功率提前、及時(shí)地調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，解決光伏發(fā)電與負(fù)荷預(yù)測(cè)、電網(wǎng)調(diào)度等配合時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，進(jìn)一步保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量；同時(shí)可以減少系統(tǒng)的備用容量、降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步促進(jìn)并網(wǎng)光伏發(fā)電向更大規(guī)模發(fā)展等。因此對(duì)光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)是提高電網(wǎng)中光伏發(fā)電裝機(jī)比例、同時(shí)減輕其對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響的一種有效途徑。
[0004]目前，針對(duì)光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的方法大體上可以分為兩類(lèi):直接預(yù)測(cè)和間接預(yù)測(cè)。直接預(yù)測(cè)是指通過(guò)對(duì)輸出功率、天氣等的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直接建立發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型，不需要對(duì)氣象、溫度等外部環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。而間接預(yù)測(cè)是指對(duì)天氣情況或日照強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立天氣變化與日照強(qiáng)度模型，通過(guò)這些參數(shù)與光伏發(fā)電量的關(guān)系，計(jì)算得出最后的預(yù)測(cè)值。
[0005]光伏電池接受光照強(qiáng)度是對(duì)光伏出力影響最大的因素，也是在進(jìn)行光伏出力預(yù)測(cè)研究時(shí)需要著重考慮的因素。太陽(yáng)光線在到達(dá)地面之前要穿過(guò)地球大氣，因此大氣的透明度決定了天文輻射到達(dá)地面的多少。由于大氣的存在和影響，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能可分成直接輻射和散射輻射兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分的總和叫太陽(yáng)輻射能，在進(jìn)行太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)時(shí)要分別對(duì)直接輻射強(qiáng)度和散射輻射強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0006]大氣的存在是使太陽(yáng)輻射衰減的主要原因,大氣中的云層對(duì)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射影響尤為明顯。因此根據(jù)云量，將太陽(yáng)強(qiáng)度輻射模型分為無(wú)云天氣輻射計(jì)算模型和有云天氣下輻射計(jì)算模型。無(wú)云天氣下，直接和散射輻射的光照強(qiáng)度計(jì)算已有比較成熟的模型，如直接福射的 REST (Reference Evaluation of Solar Transmittance)模型和散射福射的REST修正模型，只需已知日期、時(shí)間、地理位置、氣溶膠等條件即可求出。有云天氣下，云層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響可以用云遮系數(shù)來(lái)表示，云遮系數(shù)描述了云層對(duì)太陽(yáng)輻射衰減作用的大小，用云遮系數(shù)對(duì)同時(shí)刻的理論無(wú)云天氣光照強(qiáng)度進(jìn)行修正，即可得到有云天氣下的光照強(qiáng)度。因此，在預(yù)測(cè)光照強(qiáng)度時(shí)，主要是云遮系數(shù)的預(yù)測(cè)。對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)輻射的直接輻射和散射輻射，云遮系數(shù)也分為直接輻射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，直接云遮系數(shù)的取值區(qū)間為[0，1]，散射云遮系數(shù)的為[X，I] (X取值范圍為-10~-5，為便于說(shuō)明問(wèn)題，在說(shuō)明書(shū)的
【發(fā)明內(nèi)容】
及【具體實(shí)施方式】部分，均取-8)。由云遮系數(shù)的概念可知，其主要與云量和云層相關(guān)。當(dāng)前的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)可以提供云量預(yù)報(bào)信息，如果能夠找到預(yù)測(cè)云量和云遮系數(shù)之間的映射關(guān)系，即可根據(jù)預(yù)測(cè)云量計(jì)算出相應(yīng)地云遮系數(shù)。但是一般只能預(yù)測(cè)出未來(lái)云量的成數(shù)，在天氣預(yù)報(bào)中，因?yàn)榫葐?wèn)題，一般用云量表示天空云層覆蓋的成數(shù)，取值為0，1，2，…，10 ;而在云層觀測(cè)時(shí)，一般采用云層覆蓋率代表天空中云層覆蓋面積占天空總面積的百分比，取值為0，1，2，…，100。而且，確定云量下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也不是一個(gè)定值，云層的分布、種類(lèi)和厚度等因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響，這些因素也具有很大的不確定性。因此，太陽(yáng)輻射是一個(gè)具有多重不確定性的因素。準(zhǔn)確的處理這些多重不確定性，對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)進(jìn)而對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力預(yù)測(cè)至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)歷史云量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和云層覆蓋率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在某個(gè)預(yù)測(cè)云量下，云層覆蓋率滿(mǎn)足一定的隨機(jī)分布，定義Oi(Z)為云量為i時(shí)云層覆蓋率為z出現(xiàn)的概率，COi(Z)的取值范圍為[0，I]，而在某個(gè)云層覆蓋率下，云遮系數(shù)也滿(mǎn)足一定的隨機(jī)分布，因此若將預(yù)測(cè)云量作為輸入的話，云遮系數(shù)是一個(gè)關(guān)于預(yù)測(cè)云量的雙重隨機(jī)變量，目前在數(shù)學(xué)上已經(jīng)建立起了完整的雙重隨機(jī)理論，為處理雙重隨機(jī)變量提供了理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，提出一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，用以解決目前電力系統(tǒng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)領(lǐng)域研究中存在的問(wèn)題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征是所述方法包括下列步驟:
[0009]步驟1:依據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型，計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)；
[0010]步驟2:依據(jù)歷史云層覆蓋率數(shù)據(jù)，利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數(shù)的隨機(jī)分布；
[0011]步驟3:依據(jù)歷史云量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量數(shù)據(jù)下云層覆蓋率的隨機(jī)分布；
[0012]步驟4:依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)得到預(yù)測(cè)日的預(yù)測(cè)云量，基于雙重模擬技術(shù)計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量對(duì)應(yīng)的云遮系數(shù)期望值，以及滿(mǎn)足不同置信水平的云遮系數(shù)區(qū)間；
[0013]步驟5:依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，計(jì)算預(yù)測(cè)日無(wú)云天氣下的各時(shí)刻太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；
[0014]步驟6:依據(jù)步驟4和步驟5的結(jié)果，計(jì)算預(yù)測(cè)日各時(shí)刻有云天氣下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度期望值以及滿(mǎn)足不同置信水平的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度區(qū)間。
[0015]所述歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)的計(jì)算方法，具體包括:
[0016] 步驟11:依據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型計(jì)算歷史時(shí)刻無(wú)云天氣下的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Idtl和散射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1。0 ;
[0017]步驟12:分別根據(jù)公式Id= Idtl* (Hd)，Ic= Ic0* (1-1c)計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)，其中Id和I。分別表不有云天氣的直射和散射光照強(qiáng)度，Idtl和1。0分別表示無(wú)云天氣的直射或散射光照強(qiáng)度，〖<!和I。分別為直射和散射云遮系數(shù)。
[0018]所述利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數(shù)的隨機(jī)分布的過(guò)程，具體包括:
[0019]直射云遮系數(shù):
[0020]步驟d21:統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)中云層覆蓋率為z的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，記為Mz ；
[0021]步驟d22:將[0，I]區(qū)間等分為20個(gè)小區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)中云層覆蓋率為z的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的直射云遮系數(shù)落入每個(gè)小區(qū)間的數(shù)目，記為mdl~md2Q ;
[0022]步驟d23:以每個(gè)小區(qū)間的中心值代表這些小區(qū)間，則每個(gè)中心值對(duì)應(yīng)的概率為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟: 步驟1:依據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型，計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)； 步驟2:依據(jù)歷史云層覆蓋率數(shù)據(jù)，利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數(shù)的隨機(jī)分布； 步驟3:依據(jù)歷史云量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量數(shù)據(jù)下云層覆蓋率的隨機(jī)分布； 步驟4:依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)得到預(yù)測(cè)日的預(yù)測(cè)云量，基于雙重模擬技術(shù)計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量對(duì)應(yīng)的云遮系數(shù)期望值，以及滿(mǎn)足不同置信水平的云遮系數(shù)區(qū)間； 步驟5:依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，計(jì)算預(yù)測(cè)日無(wú)云天氣下的各時(shí)刻太陽(yáng)輻射強(qiáng)度； 步驟6:依據(jù)步驟4和步驟5的結(jié)果，計(jì)算預(yù)測(cè)日各時(shí)刻有云天氣下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度期望值以及滿(mǎn)足不同置信水平的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度區(qū)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)的計(jì)算方法，具體包括: 步驟11:依據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型計(jì)算歷史時(shí)刻無(wú)云天氣下的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Idtl和散射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1。(); 步驟12:分別根據(jù)公式Id = Idtl* (1- ξ d)，I。= Ic0* (1-1 c)計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中各個(gè)時(shí)刻的直射云遮系數(shù)和散射云遮系數(shù)，其中Id和I。分別表示有云天氣的直射和散射光照強(qiáng)度，Ido和U分別表示無(wú)云天氣的直射或散射光照強(qiáng)度，I d和I。分別為直射和散射云遮系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數(shù)的隨機(jī)分布的過(guò)程，具體包括: 直射云遮系數(shù): 步驟d21:統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)中云層覆蓋率為z的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，記為Mz ； 步驟d22:將[O，I]區(qū)間等分為20個(gè)小區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)中云層覆蓋率為z的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的直射云遮系數(shù)落入每個(gè)小區(qū)間的數(shù)目，記為mdl~md2(l ； 步驟d23:以每個(gè)小區(qū)間的中心值代表這些小區(qū)間，則每個(gè)中心值對(duì)應(yīng)的概率為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述利用概率分布統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)云量數(shù)據(jù)下云層覆蓋率的隨機(jī)分布過(guò)程，具體包括: 步驟31:統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)中云量為i的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，記為Ni ； 步驟32:分別統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)中云量為i的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的每個(gè)云層覆蓋率(O，1, 2...100)的數(shù)目，記為Ii1~n1(ll ； 步驟33:云量為i時(shí)每個(gè)云層覆蓋率對(duì)應(yīng)的概率為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙重隨機(jī)理論的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，利用雙重隨機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)云遮系數(shù)期望值及云遮系數(shù)區(qū)間，具體包括: 步驟41:通過(guò)步驟2得到云遮系數(shù)關(guān)于云層覆蓋率的隨機(jī)分布，通過(guò)步驟3得到云層覆蓋率關(guān)于云量的隨機(jī)分布； 步驟42:依據(jù)預(yù)測(cè)的云量值，利用雙重隨機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)云遮系數(shù)期望值及其區(qū)間。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK103996082SQ201410242072
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】胡永強(qiáng), 趙書(shū)強(qiáng), 馬燕峰 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)（保定）