CN112288129A - 一种基于迁移学习和地基云图的超短期光伏功率预测模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,包括:云图特征提取模块:由卷积神经网络ResNet组成,其输入为当前时刻的地基云图,输出为该云层分布所对应的数字向量,并将该数字向量作为云图特征向量;特征映射模块:由循环神经网络LSTM组成,其输入为云图特征向量与对应时刻环境因子拼接得到的特征向量,输出为未来某一时刻的光伏功率预测值。本发明将光伏功率预测与天空云图的移动和分布联系起来,可最大限度提取当前时刻的环境信息,解决光伏功率预测信息缺失问题,能够显著提高短期光伏功率预测精度。
Description
技术领域
本发明属于可再生新能源技术领域,具体涉及光伏功率预测技术。
背景技术
我国是人口大国,也是能源消费大国,在全球光伏产业中占有举足轻重的位置。我国有丰富的太阳能资源,全国各地太阳能资源按照辐射强度分为四大类地区,每年的太阳辐射总量达4200-6700MJ/m2。这些为我国发展光伏产业提供了优越的天然条件。浙江省属于三类地区,年平均日照为1000-2000小时。此外我国光伏发电产业链齐全,技术全面,为大力发展光伏产业提供了基础。
但是随着光伏发电在电网中的装机容量比例越来越重,给传统电网带来了严峻挑战,有效的光伏发电输出功率预测对电网的安全、稳定与经济运行十分重要。传统的光伏发电功率预测大多数是采用确定性估计方法,即只能够给决策者提供在下一时刻输出功率值,没有对其可靠性进行评估,然而光伏发电的不确定性与多变性,以及预测方法与气象等检测手段的局限性,使得光伏发电输出功率零误差预测十分困难。
发明内容
针对现有预测方法与气象等检测手段的局限性,本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,提高短期光伏功率预测精度。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,包括:
云图特征提取模块:由卷积神经网络ResNet组成,其输入为当前时刻的地基云图,输出为该云层分布所对应的数字向量,并将该数字向量作为云图特征向量;
特征映射模块:由循环神经网络LSTM组成,其输入为云图特征向量与对应时刻环境因子拼接得到的特征向量,输出为未来某一时刻的光伏功率预测值。
优选的,输入的地基云图的大小为199x199,且包含了当前天空内20km以内的云层分布。
优选的,输入的地基云图的图片序列长度为10,且10张图片从左向右按照拍摄时间早晚排列。
优选的,对应时刻环境因子包括温度、湿度、压强、风速、地面辐射度。
优选的,该预测模型的预测时间为10分钟。
本发明采用的技术方案,将光伏功率预测与天空云图的移动和分布联系起来,可最大限度提取当前时刻的环境信息,解决光伏功率预测信息缺失问题,能够显著提高短期光伏功率预测精度。
由于图片的特征提取方法并非传统BRBG方法,使用了卷积神经网络ResNet,即使用了迁移学习的智能学习算法,增加了鲁棒性和准确性,显著提高地基云图的特征提取能力。
特征映射模块由循环神经网络LSTM组成,可通过深度学习模型权重调整训练层数,提高了可适用性。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述:
图1为云层对光伏功率影响区域划分图;
图2为基于迁移学习的特征提取模块示意图;
图3a为特征向量映射模块示意图一;
图3b为特征向量映射模块示意图二;
图4为深度学习的模型训练和滚动优化示意图;
图5a为本发明与传统方法的光伏功率预测波形对比图(晴天);
图5b为本发明与传统方法的光伏功率预测波形对比图(多云);
图5c为本发明与传统方法的光伏功率预测波形对比图(阴天)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,包括:
云图特征提取模块:由卷积神经网络ResNet组成,其输入为当前时刻的地基云图,输出为该云层分布所对应的数字向量,作为云图特征向量;
该云层分布对应的数字向量为此云层在ResNet结构下的数据映射,是云层特征对应的抽象数据表示形式,输出形式为2048x1的数据格式,每一维的数据分布在0-1之间。
特征映射模块:由循环神经网络LSTM组成,其输入为云图特征向量与对应时刻环境因子拼接得到的特征向量,输出为未来某一时刻的光伏功率预测值。
优选的,输入的地基云图的大小为199x199,且包含了当前天空内20km以内的云层分布。输入的地基云图的图片序列长度为10,且10张图片从左向右按照拍摄时间早晚排列。对应时刻环境因子包括温度、湿度、压强、风速、地面辐射度。该预测模型的预测时间为10分钟。
图1为云层堆光伏功率影响区域划分结构,对于全天空云图的分析可以将其根据与太阳距离的不同划分不同距离,不同区域的云层信息对于最后的光伏功率的预测影响也不同。图1中的1-4区为核心区,对于当前光伏功率的影响也最为重要。5-8区为潜在信息区,该区存在着超短期预测和中期预测的潜在信息,如云块分类和具体分布,将对未来更长时间的光伏功率预测提供更为丰富的信息内容。
图2为基于迁移学习的特征提取模块,m×n conv,k表示为m×n维度的卷积神经网络,k表示当前卷积神经网络的深度,Pool表示为池化层。上述的卷积神经网络ResNet模型具体可以参考现有技术。
图3a和图3b为特征向量映射模块的结构示意图,图3a表示LSTM模型结构,输入信息从输入节点处获得,输出信息从输出节点处流出,同时隐含层参数在虚线所示流方式传播。图3b表示LSTM元胞结构,其中包含了输入门、输出门和遗忘门。神经元的状态是LSTM模型的核心结构。
图4中深度学习模型训练与滚动优化结构:
MLSTM表示LSTM的模型,即为光伏功率特征映射模型。
MCNN表示特征向量提取模型,{XT-10,XT-9,...,XT-2,XT-1}表示对应时间的图片序列。
上述的循环神经网络LSTM模型具体可以参考现有技术。
实施案例:在不同天气情况下的光伏功率预测对比。
原理分析:光伏电池是以半导体P-N结上接受光照产生光生伏打效应为基础,直接将光能转换为电能的能量转换器。当光照射到半导体光伏器件上时,在器件内产生电子-空穴对,在半导体内部P-N结附近产生的载流子没有被复合而能够到达空间电荷区,受内建电场吸引,电子流入N区,空穴流入P区,结果在N区储存了过剩的电子,P区有过剩的空穴。他们在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使P区带正电,N区带负电,在N区和P区之间的薄层就产生电动势。按照光生伏打效应得到的U-I特性用公式表示为:
式中:二极管用来表示P-N结特性;Rs和Rsh分别表示等效串联阻抗和并联阻抗;T表示电池温度;q为电子电量;A为无量纲的任意曲线拟合常数,取值范围为[1,2],当光伏电池输出高电压时A=1,当光伏电池输出低电压时A=2;k为玻耳兹曼常数;Iph和Id分别为光生电池和流过二极管的反向饱和漏电流,其值随环境变化,需根据具体的光照强度和温度确定,其计算式分别为
Iph=Isco[1+ht(T-Tref)]S/Sref (2)
式中:Isco是标准日照、标准温度时的短路电流;温度系数ht=6.4x10-4K-1;T为光伏电池的温度;Tref是标准电池温度,通常取25℃;常数a1=1.336x104;常数b1约为235;S为光照强度,Sref为标准光照强度,通常取1000MW/m2。按照公式表示,辐照度为影响光伏功率的最重要因素,可将天气类型分为晴天、多云和阴雨,在这不同类型下的光伏功率曲线会有很大区别。
实验结果:图5a、5b、5c为各天气类型的光伏功率预测值和真实值的表现。其中晴天模型中天空云量极少,占全天空领域的十分之一以下,天空中云层多为薄云且气象状态稳定,没有多次变化过程;多云模型中天空云覆盖面占天空十分之四到十分之八,天空中云层多为块状云和碎云,并随着时间有晴朗-多云的多次变化过程;阴天模型中天空中低云层总量大于95%,云层呈现灰色或黑色,比正常状况下要厚,且该情况持续时间从几小时到数天不等,短时间伴随有雨,且随着雨的持续天气情况会有所好转
综上所述,本发明是一种基于迁移学习和地基云图的超短期光伏功率预测方法,将光伏功率预测与天空云图的移动和分布联系起来,可解决大规模数据处理带来的系统延时问题;可解决传统历史数据预测方法带来的预测精度太低问题。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (5)
1.一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,其特征在于包括:
云图特征提取模块:由卷积神经网络ResNet组成,其输入为当前时刻的地基云图,输出为该云层分布所对应的数字向量,并将该数字向量作为云图特征向量;特征映射模块:由循环神经网络LSTM组成,其输入为云图特征向量与对应时刻环境因子拼接得到的特征向量,输出为未来某一时刻的光伏功率预测值。
2.根据权利要求1所述的一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,其特征在于:输入的地基云图的大小为199x199,且包含了当前天空内20km以内的云层分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,其特征在于:输入的地基云图的图片序列长度为10,且10张图片从左向右按照拍摄时间早晚排列。
4.根据权利要求1所述的一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,其特征在于:对应时刻环境因子包括温度、湿度、压强、风速、地面辐射度。
5.根据权利要求1所述的一种基于迁移学习和地基云图的光伏功率预测模型,其特征在于:该预测模型的预测时间为10分钟。
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