一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)新能源發(fā)電太陽輻射強度預測領域的一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，用以解決目前太陽輻射強度預測領域研究中存在的問題。該方法為：首先根據模型計算歷史數據中各個時刻的云遮系數；其次，計算各個云層覆蓋率下的云遮系數的隨機分布及各個預測云量數據下云層覆蓋率的隨機分布；再次，基于雙重模擬技術計算各個預測云量對應的云遮系數期望值及滿足不同置信水平的云遮系數區(qū)間；最后，計算預測日各時刻有云天氣下的太陽輻射強度期望值及滿足不同置信水平的太陽輻射強度區(qū)間。針對云層變化導致的太陽輻射強度不確定的問題，本發(fā)明為太陽輻射強度預測進而為光伏發(fā)電功率預測提出了一種新的思路，且效果比較理想。
【專利說明】一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)新能源發(fā)電太陽輻射強度預測領域，特別涉及一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法。
【背景技術】
[0002]隨著全球經濟的迅速發(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，能源危機成為世界各國共同面臨的課題。新能源應用正成為全球的熱點。太陽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，被認為是當前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術。最近10年全球太陽能發(fā)電產業(yè)的平均年增長率為30%，近5年年均增長率為40%，成為世界上發(fā)展最快的一個產業(yè)。光伏發(fā)電的應用領域將逐步由邊遠地區(qū)和農村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預測到21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將達到占世界總發(fā)電量的10%?20%，成為人類的基礎能源之一。
[0003]相比傳統(tǒng)發(fā)電方式，光伏發(fā)電具有波動性和間斷性等特點。當光伏發(fā)電在電網中所占比例很小時，這些特點不會對電網帶來明顯的不良影響。但是隨著并網光伏發(fā)電的發(fā)展，光伏發(fā)電裝機容量不斷擴大，其在電網中所占的比例也逐年增加，當超過一定規(guī)模時，接入電網的光伏電站就會對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行以及電能質量帶來嚴重的影響。對光伏發(fā)電站的功率進行預測，可以使電力調度部門根據預測得到的光伏發(fā)電功率提前、及時地調整調度計劃，解決光伏發(fā)電與負荷預測、電網調度等配合時產生的問題，進一步保證電網的電能質量；同時可以減少系統(tǒng)的備用容量、降低電力系統(tǒng)運行成本，提高電網運行的經濟性，進一步促進并網光伏發(fā)電向更大規(guī)模發(fā)展等。因此對光伏發(fā)電功率預測是提高電網中光伏發(fā)電裝機比例、同時減輕其對電網帶來的不利影響的一種有效途徑。
[0004]目前，針對光伏發(fā)電功率預測的方法大體上可以分為兩類:直接預測和間接預測。直接預測是指通過對輸出功率、天氣等的歷史數據進行統(tǒng)計分析，直接建立發(fā)電功率預測模型，不需要對氣象、溫度等外部環(huán)境進行預測。而間接預測是指對天氣情況或日照強度進行預測，建立天氣變化與日照強度模型，通過這些參數與光伏發(fā)電量的關系，計算得出最后的預測值。
[0005]光伏電池接受光照強度是對光伏出力影響最大的因素，也是在進行光伏出力預測研究時需要著重考慮的因素。太陽光線在到達地面之前要穿過地球大氣，因此大氣的透明度決定了天文輻射到達地面的多少。由于大氣的存在和影響，到達地球表面的太陽輻射能可分成直接輻射和散射輻射兩個部分，這兩個部分的總和叫太陽輻射能，在進行太陽輻射強度預測時要分別對直接輻射強度和散射輻射強度進行預測。
[0006]大氣的存在是使太陽輻射衰減的主要原因,大氣中的云層對到達地面的太陽輻射影響尤為明顯。因此根據云量，將太陽強度輻射模型分為無云天氣輻射計算模型和有云天氣下輻射計算模型。無云天氣下，直接和散射輻射的光照強度計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、時間、地理位置、氣溶膠等條件即可求出。有云天氣下，云層對太陽輻射的影響可以用云遮系數來表示，云遮系數描述了云層對太陽輻射衰減作用的大小，用云遮系數對同時刻的理論無云天氣光照強度進行修正，即可得到有云天氣下的光照強度。因此，在預測光照強度時，主要是云遮系數的預測。對應于太陽輻射的直接輻射和散射輻射，云遮系數也分為直接輻射云遮系數和散射云遮系數。通過對歷史數據的研究發(fā)現，直接云遮系數的取值區(qū)間為[0，1]，散射云遮系數的為[X，I] (X取值范圍為-10~-5，為便于說明問題，在說明書的
【發(fā)明內容】
及【具體實施方式】部分，均取-8)。由云遮系數的概念可知，其主要與云量和云層相關。當前的數值天氣預報技術可以提供云量預報信息，如果能夠找到預測云量和云遮系數之間的映射關系，即可根據預測云量計算出相應地云遮系數。但是一般只能預測出未來云量的成數，在天氣預報中，因為精度問題，一般用云量表示天空云層覆蓋的成數，取值為0，1，2，…，10 ;而在云層觀測時，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，確定云量下的太陽輻射強度也不是一個定值，云層的分布、種類和厚度等因素也會對其產生很大的影響，這些因素也具有很大的不確定性。因此，太陽輻射是一個具有多重不確定性的因素。準確的處理這些多重不確定性，對太陽輻射強度的預測進而對光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力預測至關重要。通過對歷史云量預測數據和云層覆蓋率數據進行分析，發(fā)現在某個預測云量下，云層覆蓋率滿足一定的隨機分布，定義Oi(Z)為云量為i時云層覆蓋率為z出現的概率，COi(Z)的取值范圍為[0，I]，而在某個云層覆蓋率下，云遮系數也滿足一定的隨機分布，因此若將預測云量作為輸入的話，云遮系數是一個關于預測云量的雙重隨機變量，目前在數學上已經建立起了完整的雙重隨機理論，為處理雙重隨機變量提供了理論依據。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，提出一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，用以解決目前電力系統(tǒng)太陽輻射強度預測領域研究中存在的問題。
[0008]為實現上述目的，本發(fā)明提出的技術方案是，一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征是所述方法包括下列步驟:
[0009]步驟1:依據歷史氣象數據、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型，計算歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數；
[0010]步驟2:依據歷史云層覆蓋率數據，利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數的隨機分布；
[0011]步驟3:依據歷史云量預測數據，利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個預測云量數據下云層覆蓋率的隨機分布；
[0012]步驟4:依據數值天氣預報得到預測日的預測云量，基于雙重模擬技術計算各個預測云量對應的云遮系數期望值，以及滿足不同置信水平的云遮系數區(qū)間；
[0013]步驟5:依據數值天氣預報數據，計算預測日無云天氣下的各時刻太陽輻射強度；
[0014]步驟6:依據步驟4和步驟5的結果，計算預測日各時刻有云天氣下的太陽輻射強度期望值以及滿足不同置信水平的太陽輻射強度區(qū)間。
[0015]所述歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數的計算方法，具體包括:
[0016] 步驟11:依據歷史氣象數據、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型計算歷史時刻無云天氣下的直射太陽輻射強度Idtl和散射太陽輻射強度1。0 ;
[0017]步驟12:分別根據公式Id= Idtl* (Hd)，Ic= Ic0* (1-1c)計算歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數，其中Id和I。分別表不有云天氣的直射和散射光照強度，Idtl和1。0分別表示無云天氣的直射或散射光照強度，〖<!和I。分別為直射和散射云遮系數。
[0018]所述利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數的隨機分布的過程，具體包括:
[0019]直射云遮系數:
[0020]步驟d21:統(tǒng)計歷史數據中云層覆蓋率為z的數據個數，記為Mz ；
[0021]步驟d22:將[0，I]區(qū)間等分為20個小區(qū)間，分別統(tǒng)計原始數據中云層覆蓋率為z的數據對應的直射云遮系數落入每個小區(qū)間的數目，記為mdl~md2Q ;
[0022]步驟d23:以每個小區(qū)間的中心值代表這些小區(qū)間，則每個中心值對應的概率為:
【權利要求】
1.一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟: 步驟1:依據歷史氣象數據、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型，計算歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數； 步驟2:依據歷史云層覆蓋率數據，利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數的隨機分布； 步驟3:依據歷史云量預測數據，利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個預測云量數據下云層覆蓋率的隨機分布； 步驟4:依據數值天氣預報得到預測日的預測云量，基于雙重模擬技術計算各個預測云量對應的云遮系數期望值，以及滿足不同置信水平的云遮系數區(qū)間； 步驟5:依據數值天氣預報數據，計算預測日無云天氣下的各時刻太陽輻射強度； 步驟6:依據步驟4和步驟5的結果，計算預測日各時刻有云天氣下的太陽輻射強度期望值以及滿足不同置信水平的太陽輻射強度區(qū)間。
2.根據權利要求1所述的一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征在于所述歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數的計算方法，具體包括: 步驟11:依據歷史氣象數據、直接輻射的REST模型和散射輻射的REST修正模型計算歷史時刻無云天氣下的直射太陽輻射強度Idtl和散射太陽輻射強度1。(); 步驟12:分別根據公式Id = Idtl* (1- ξ d)，I。= Ic0* (1-1 c)計算歷史數據中各個時刻的直射云遮系數和散射云遮系數，其中Id和I。分別表示有云天氣的直射和散射光照強度，Ido和U分別表示無云天氣的直射或散射光照強度，I d和I。分別為直射和散射云遮系數。
3.根據權利要求1所述的一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征在于所述利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個云層覆蓋率下的直射和散射云遮系數的隨機分布的過程，具體包括: 直射云遮系數: 步驟d21:統(tǒng)計歷史數據中云層覆蓋率為z的數據個數，記為Mz ； 步驟d22:將[O，I]區(qū)間等分為20個小區(qū)間，分別統(tǒng)計原始數據中云層覆蓋率為z的數據對應的直射云遮系數落入每個小區(qū)間的數目，記為mdl~md2(l ； 步驟d23:以每個小區(qū)間的中心值代表這些小區(qū)間，則每個中心值對應的概率為:
4.根據權利要求1所述的一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征在于所述利用概率分布統(tǒng)計方法計算各個預測云量數據下云層覆蓋率的隨機分布過程，具體包括: 步驟31:統(tǒng)計歷史數據中云量為i的數據個數，記為Ni ； 步驟32:分別統(tǒng)計原始數據中云量為i的數據對應的每個云層覆蓋率(O，1, 2...100)的數目，記為Ii1~n1(ll ； 步驟33:云量為i時每個云層覆蓋率對應的概率為:
5.根據權利要求1所述的一種基于雙重隨機理論的太陽輻射強度預測方法，其特征在于所述結合數值天氣預報，利用雙重隨機模擬技術預測云遮系數期望值及云遮系數區(qū)間，具體包括: 步驟41:通過步驟2得到云遮系數關于云層覆蓋率的隨機分布，通過步驟3得到云層覆蓋率關于云量的隨機分布； 步驟42:依據預測的云量值，利用雙重隨機模擬技術預測云遮系數期望值及其區(qū)間。
【文檔編號】G06Q10/04GK103996082SQ201410242072
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日:2014年6月3日
【發(fā)明者】胡永強, 趙書強, 馬燕峰 申請人:華北電力大學（保定）