太陽(yáng)能預(yù)測(cè)有哪些方法

光伏發(fā)電分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種形式，隨著光伏并網(wǎng)技術(shù)的成熟與發(fā)展，并網(wǎng)光伏發(fā)電已成為主流趨勢(shì)。由于大規(guī)模集中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的急速增加，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固有的間歇性和不可控等缺點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的沖擊成為制約并網(wǎng)光伏發(fā)電的重要元素。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量受當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射量、溫度、太陽(yáng)能電池板性能等方面因素的影響。其中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的大小直接影響發(fā)電量的多少，輻射強(qiáng)度越大，發(fā)電量越大，功率越大。

太陽(yáng)輻射受季節(jié)和地理等因素的影響，具有明顯的不連續(xù)性和不確定性特點(diǎn)，有著顯著的年度變化、季節(jié)變化和日變化周期，且大氣的物理化學(xué)狀況如云量、濕度、大氣透明度、氣溶膠濃度也影響著太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱。

美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)方法的較早的進(jìn)行了研究與實(shí)驗(yàn)。我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)起步較晚，少數(shù)幾個(gè)知名大學(xué)相繼開展了以建模、仿真為主的技術(shù)研究。本文對(duì)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了分析與總結(jié)，歸納了各種預(yù)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)及不足，為國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展提供重要依據(jù)。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)原理

當(dāng)前，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)的研究主要集中在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的預(yù)測(cè)上。太陽(yáng)輻射的逐日或逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成了隨機(jī)性很強(qiáng)的時(shí)間序列，但太陽(yáng)輻射序列的內(nèi)部仍有某種確定性的規(guī)律，只有充分了解掌握太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)、變化規(guī)律，才能建立符合實(shí)際情況的預(yù)測(cè)模型及方法。

太陽(yáng)輻射分為直接太陽(yáng)輻射和散射太陽(yáng)輻射。直接太陽(yáng)輻射為太陽(yáng)光通過(guò)大氣到達(dá)地面的輻射；散射太陽(yáng)輻射為被大氣中的微塵、分子、水汽等吸收、反射和散射后，到達(dá)地面的輻射。散射太陽(yáng)輻射和直接太陽(yáng)輻射之和稱為總輻射。太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的影響因素包括：太陽(yáng)高度角、大氣質(zhì)量、大氣透明度、海拔、緯度、坡度坡向、云層。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)是根據(jù)太陽(yáng)輻射原理，通過(guò)歷史氣象資料、光伏發(fā)電量資料、衛(wèi)星云圖資料等，運(yùn)用回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、數(shù)值模擬等方法獲得預(yù)測(cè)信息，包括太陽(yáng)高度角、大氣質(zhì)量、大氣透明度、海拔、緯度、坡度坡向、云層等要素，根據(jù)這些要素建立太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)模型。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)方法分析

太陽(yáng)能變化趨勢(shì)主要受到當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件和氣象條件的影響。地理?xiàng)l件的影響有明顯規(guī)律，可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算出全年太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，并結(jié)合光伏電池陣列自身的參數(shù)計(jì)算出太陽(yáng)能變化的一個(gè)總體變化趨勢(shì)。但該趨勢(shì)并不能反映出幾小時(shí)內(nèi)，甚至不能反映出幾天內(nèi)的太陽(yáng)能變化的大致情況。

氣象條件對(duì)于太陽(yáng)輻射的影響是最直接的。要實(shí)現(xiàn)幾小時(shí)內(nèi)的太陽(yáng)能趨勢(shì)預(yù)報(bào)，就必須找到根據(jù)氣象條件推算出太陽(yáng)能趨勢(shì)的計(jì)算方法。近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)要求的不斷增加，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)的研究較早、發(fā)展較快。目前，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)的研究還處于起步階段，需進(jìn)一步深入研究與實(shí)驗(yàn)。

太陽(yáng)能輻射的預(yù)測(cè)方法主要有三大類：

第一類：基于歷史氣象數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電量數(shù)據(jù)的研究，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析建模；

第二類：基于衛(wèi)星云圖資料數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)星、雷達(dá)圖象處理，計(jì)算出實(shí)時(shí)太陽(yáng)能輻射的預(yù)報(bào)方法；

第三類：基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)方法。

2.1 第一類預(yù)測(cè)方法

第一類預(yù)測(cè)方法，其模型的建立不考慮太陽(yáng)輻射變化的物理過(guò)程，通過(guò)對(duì)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和處理，以歷史發(fā)電量預(yù)報(bào)未來(lái)發(fā)電量。一般采用回歸模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)與氣象要素相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)行發(fā)電量預(yù)測(cè)。該方法模型構(gòu)造及運(yùn)算方法較為簡(jiǎn)單，但只適應(yīng)于發(fā)電量變化不大的平穩(wěn)時(shí)間序列，對(duì)于發(fā)電量變化較大的時(shí)間序列，誤差較大。

2.1.1 回歸模型預(yù)測(cè)

回歸模型預(yù)測(cè)根據(jù)歷史資料，，找出天氣變化與太陽(yáng)輻射的關(guān)系及其變化規(guī)律，建立可以進(jìn)行數(shù)學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法其特點(diǎn)是將預(yù)測(cè)目標(biāo)的因素作為變量，將預(yù)測(cè)目標(biāo)作為常量。利用給定的多組變量和常量資料，研究各種變量之間的關(guān)系。利用得到的回歸方程式來(lái)表示變量與常量之間的相對(duì)關(guān)系，從而達(dá)到預(yù)測(cè)太陽(yáng)輻射的目的。在大量的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐中得出，變量誤差較大，尤為正午時(shí)誤差明顯。

回歸模型預(yù)測(cè)對(duì)于非線時(shí)間序列的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果并不理想。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法較回歸模型預(yù)測(cè)誤差較小。

2.1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射、板溫的函數(shù)模型，歷史數(shù)據(jù)結(jié)合效果較好。目前研究最多的是應(yīng)用誤差反向傳播算法（BP算法）進(jìn)行短期預(yù)期。該算法的主要思路為將歷史數(shù)據(jù)和影響太陽(yáng)輻射最大的幾類因素作為輸入量輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)輸入層、隱含層和輸出層中各種數(shù)據(jù)運(yùn)算從而生成輸出量；再以設(shè)定誤差為目標(biāo)函數(shù)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行反復(fù)修正與完善，直至達(dá)到設(shè)定誤差值。

在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)無(wú)法滿足要求時(shí)，可利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)方法，但該方法同樣基于歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)電量預(yù)報(bào)嚴(yán)重依賴于太陽(yáng)總輻射預(yù)報(bào)準(zhǔn)確： 未能找出影響光伏發(fā)電量的關(guān)鍵逐時(shí)氣象要素，對(duì)突發(fā)及隨機(jī)的天氣變化預(yù)測(cè)較難控制。 2.2 第二類預(yù)測(cè)方法

第二類預(yù)測(cè)方法主要利用衛(wèi)星遙感技術(shù)完成太陽(yáng)輻射的預(yù)測(cè)。衛(wèi)星遙感是指以人造衛(wèi)星為傳感器平臺(tái)的觀測(cè)活動(dòng)，是通過(guò)勘測(cè)地球大氣系統(tǒng)發(fā)射或反射的電磁輻射而實(shí)現(xiàn)的。它包括對(duì)地觀測(cè)以及面向太空環(huán)境的觀測(cè)活動(dòng)，其中對(duì)地觀測(cè)是目前衛(wèi)星遙感的主要內(nèi)容高空間分辨率圖像數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，為太陽(yáng)輻射預(yù)測(cè)提供了可高依據(jù)。

1960年，第一顆泰羅斯衛(wèi)星將第一幅可見光云圖傳送至地球，使人們看到了用衛(wèi)星遙感的巨大潛力。從此，以氣象衛(wèi)星技術(shù)的逐步完善為開始，又逐漸出現(xiàn)了遙感地球大氣、地球表面陸地、海洋特征以及監(jiān)測(cè)地球環(huán)境的各種衛(wèi)星。

美國(guó)的衛(wèi)星遙感技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位，代表了衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展水平。歐洲、加拿大、日本等國(guó)都在大力發(fā)展研究遙感技術(shù)。我國(guó)的第一顆地球同步氣象衛(wèi)星“風(fēng)云2號(hào)”，于1997年6月10升空，標(biāo)志著我國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。

經(jīng)過(guò)大量的研究與實(shí)踐表明，衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的小時(shí)地面輻射數(shù)據(jù)與地面觀測(cè)的輻射數(shù)據(jù)偏差較大，最大誤差可達(dá)到均方根誤差20%-25%。因此如何更好的較小誤差，準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)將成為遙感技術(shù)的發(fā)展方向。

2.3 第三類預(yù)測(cè)方法

第三類預(yù)測(cè)方法主要利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，即用數(shù)學(xué)物理模式對(duì)大氣狀況進(jìn)行分析，用高速計(jì)算機(jī)求解進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法。該方法根據(jù)描述大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的流動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理建立方程組，確定某個(gè)時(shí)刻大氣的初始狀態(tài)后，就可通過(guò)數(shù)學(xué)方法求解，計(jì)算出來(lái)某個(gè)時(shí)間大氣的狀態(tài)，就是通常所說(shuō)的天氣形勢(shì)及有關(guān)的氣象要素如溫度、風(fēng)、降水、輻照度等。數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，目前，可預(yù)測(cè)40 h甚至更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。

數(shù)值模擬方法中的氣象和環(huán)境因素最為復(fù)雜，難以精確確定，所以預(yù)報(bào)的誤差不僅存在，對(duì)于短時(shí)又特別復(fù)雜的變化，準(zhǔn)確度更是大大降低。因此精準(zhǔn)度的提高一直是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。