Κέρδη:
- Να κατανοήσουν τη μεταβλητότητα της ηλιακής και αιολικής παραγωγής ανάλογα με τη μετεωρολογία και τη σημασία της πρόβλεψής της για την ισορροπία του δικτύου.
- Δυνατότητα δημιουργίας ροής εργασιών πρόβλεψης AI συνδυάζοντας ψηφιακή πρόγνωση καιρού, δορυφορικά και δεδομένα πεδίου
- Δυνατότητα επαλήθευσης προβλέψεων παραγωγής με φυσικό ανώτατο όριο, συντελεστή χωρητικότητας και πραγματικά δεδομένα
Ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με άνθρακα ή φυσικό αέριο λειτουργεί με συγκεκριμένη ισχύ όταν το απαιτεί ο χειριστής. η παραγωγή μπορεί να ελεγχθεί. Ο ηλιακός και ο άνεμος δεν είναι έτσι: όταν ο ήλιος γίνεται συννεφιασμένος, η παραγωγή πάνελ μειώνεται και όταν σταματάει ο άνεμος, σταματά η τουρμπίνα. Αυτός ο τύπος παραγωγής ονομάζεται μεταβλητή ανανεώσιμη ενέργεια. Η παραγωγή εξαρτάται από τη μετεωρολογία, όχι από την ανθρώπινη βούληση. Αυτή η μεταβλητότητα δημιουργεί ταυτόχρονα μια μεγάλη ευκαιρία και μια μεγάλη πρόκληση για τη σταθερότητα του δικτύου. Η πρόβλεψη παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι το έργο της πρόβλεψης της μελλοντικής παραγωγής ηλιακών και αιολικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και είναι ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς ανάλυσης του σύγχρονου ενεργειακού συστήματος. Σε αυτή την ενότητα, θα μάθουμε τη φυσική αυτής της πρόβλεψης, πώς καθιερώνεται και επαληθεύεται με την τεχνητή νοημοσύνη.
Γιατί είναι τόσο σημαντικό;
Καθώς το μερίδιο της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας αυξάνεται σε ένα δίκτυο, το ερώτημα «πόσο και πότε» θα παράγουν αυτοί οι πόροι καθορίζει ολόκληρο το σύστημα. Χωρίς μια καλή πρόβλεψη παραγωγής, το δίκτυο αναγκάζεται να διατηρεί πρόσθετη πλεονάζουσα χωρητικότητα (συχνά ακριβή και πλούσια σε άνθρακα) για να αντισταθμίσει την ξαφνική πτώση της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ακριβής πρόβλεψη μειώνει τόσο αυτό το κόστος όσο και τις εκπομπές. Επιτρέπει επίσης στον ιδιοκτήτη του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής να προσφέρει καλύτερες προσφορές στην αγορά. Με άλλα λόγια, το σφάλμα πρόβλεψης μεταφράζεται απευθείας σε χρήματα και άνθρακα.
Φυσική Ηλιακής και Αιολικής Γενιάς
Κυρ. Η ισχύς που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό (φωτοβολταϊκό, μετατροπή φωτός απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια) εξαρτάται κυρίως από την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του (ακτινοβολία, ηλιακή ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας, W/m²). Επιπλέον, η θερμοκρασία του πίνακα (η απόδοση μειώνεται καθώς θερμαίνεται ο πίνακας), η σκόνη/μόλυνση και η σκίαση το επηρεάζουν. Το ισχυρότερο χαρακτηριστικό της ηλιακής παραγωγής είναι το προβλέψιμο ημερήσιο μοτίβο της: μηδέν τη νύχτα, ψηλά το πρωί, αιχμή γύρω στο μεσημέρι και μηδέν το βράδυ. Η συννεφιά είναι ο θόρυβος που υπερτίθεται σε αυτό το σχήμα και είναι η κύρια πηγή δυσκολίας πρόβλεψης.
Ανεμος. Η ισχύς που παράγεται από μια τουρμπίνα είναι περίπου ανάλογη με τον κύβο της ταχύτητας του ανέμου — έτσι όταν η ταχύτητα διπλασιάζεται, η ισχύς αυξάνεται περίπου οκταπλασιάζεται. Επομένως, ένα μικρό σφάλμα πρόβλεψης στην ταχύτητα του ανέμου μετατρέπεται σε μεγάλο σφάλμα στην παραγωγή. Επίσης ο στρόβιλος έχει μια καμπύλη ισχύος: κάτω από μια ορισμένη ταχύτητα (ταχύτητα αποκοπής) η παραγωγή είναι μηδέν, πάνω από μια ορισμένη ταχύτητα (ονομαστική ταχύτητα) η παραγωγή σταθεροποιείται, σε πολύ υψηλή ταχύτητα (ταχύτητα αποκοπής) η τουρμπίνα σταματά για ασφάλεια. Αυτή η μη γραμμική σχέση κάνει την πρόβλεψη ανέμου πιο δύσκολη από την ηλιακή.
Συμβουλή: Εφόσον υπάρχει σφάλμα στην ταχύτητα του ανέμου, εξετάστε πρώτα την ποιότητα της πρόβλεψης ταχύτητας ανέμου κατά την αξιολόγηση της πρόβλεψης παραγωγής σας. Είναι σχεδόν αδύνατο να καθοριστεί μια καλή πρόβλεψη παραγωγής με μια κακή πρόβλεψη ταχύτητας.
Βήμα προς βήμα: Πρόβλεψη παραγωγής με τεχνητή νοημοσύνη
Βήμα 1 — Συλλέξτε δεδομένα εισόδου. Η βασική εισαγωγή είναι η αριθμητική πρόβλεψη καιρού (NWP; πρόβλεψη καιρού που παράγεται με επίλυση ατμοσφαιρικής φυσικής): εκτιμήσεις ακτινοβολίας, θερμοκρασίας, ταχύτητας και κατεύθυνσης ανέμου. Σε αυτό προστίθεται το πραγματικό ιστορικό παραγωγής του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής και, ει δυνατόν, οι δορυφορικές/εδαφικές παρατηρήσεις.
Βήμα 2 — Ρύθμιση χαρακτηριστικών. Μεταβλητές πρόγνωσης καιρού, γεωμετρικές μεταβλητές για τον ήλιο (η γωνία του ήλιου στον ουρανό), πληροφορίες καμπύλης ισχύος στροβίλου για τον άνεμο και χαρακτηριστικά καθυστερημένης παραγωγής. Και πάλι, έλεγχος διαρροής: χρησιμοποιούνται μόνο δεδομένα που θα είναι διαθέσιμα τη στιγμή της πρόβλεψης.
Βήμα 3 — Εκπαιδεύστε το μοντέλο. Το μοντέλο συνδέει την πρόγνωση του καιρού με την πραγματική παραγωγή. Εδώ η τεχνητή νοημοσύνη μαθαίνει την πραγματική συμπεριφορά του πίνακα/τουρμπίνας (αποκλίσεις από την τιμή του καταλόγου) και καταγράφει τοπικά φαινόμενα (όπως το φαινόμενο του εδάφους στη συγκεκριμένη κατεύθυνση του ανέμου).
Βήμα 4 — Αβεβαιότητα μοντέλου. Οι προβλέψεις για ανανεώσιμες πηγές είναι εγγενώς αβέβαιες. Μια πιθανολογική εκτίμηση (π.χ. "80 τοις εκατό η παραγωγή πιθανοτήτων είναι εντός αυτής της ζώνης") αντί για έναν μεμονωμένο αριθμό είναι πολύ πιο χρήσιμη.
Βήμα 5 — Επαλήθευση. Η πρόβλεψη ελέγχεται έναντι των φυσικών ανώτερων ορίων και της πραγματικής παραγωγής.
Επικύρωση: Φυσικές Άγκυρες
Η πρόβλεψη παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές μπορεί να δοκιμαστεί με ισχυρές φυσικές αγκυρώσεις:
- Απόλυτο ανώτατο όριο για ηλιακή ενέργεια: Η παραγωγή δεν μπορεί ποτέ να είναι θετική τη νύχτα και δεν μπορεί να υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ (και αυτό που επιτρέπει η τρέχουσα ακτινοβολία). Αυτός ο μόνος έλεγχος εξαλείφει αμέσως τις ανόητες εικασίες.
- Συντελεστής χωρητικότητας: Είναι ο λόγος της παραγόμενης ενέργειας προς την ενέργεια που θα παρήγαγε εάν ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής λειτουργούσε συνεχώς με πλήρη ισχύ. Στον χερσαίο άνεμο είναι συνήθως περίπου 25-45 τοις εκατό, στον ηλιακό είναι περίπου 12-25 τοις εκατό ανάλογα με το κλίμα. Εάν ο μακροπρόθεσμος μέσος όρος είναι εκτός αυτού του εύρους, υπάρχει σφάλμα.
- Πραγματικά δεδομένα: Η ισχυρότερη άγκυρα είναι η σύγκριση της πρόβλεψης με την πραγματική παραγωγή. η συστηματική προκατάληψη (π.χ. επίμονη υπερεκτίμηση) διορθώνεται.
Προσοχή: Είναι φυσική αδυναμία η πρόβλεψη ηλιακής παραγωγής να είναι μη μηδενική τη νύχτα ή η πρόβλεψη ανέμου να εξακολουθεί να παρουσιάζει πλήρη παραγωγή πάνω από το ποσοστό αποκοπής. Τέτοιες παραβιάσεις είναι σημάδι ότι το μοντέλο λείπει κάπου η θεμελιώδης φυσική και απορρίπτονται χωρίς να κοιτάξουμε στατιστικά.
Three Mini Cases: By the Numbers
Περίπτωση 1 — Νυχτερινή παραγωγή. Το μοντέλο ηλιακής πρόβλεψης μιας ομάδας προέβλεψε παραγωγή 3 MW για τις 10 μ.μ. Ήταν φυσικά αδύνατο. Το πρόβλημα ήταν ότι τα δεδομένα ακτινοβολίας που τροφοδοτήθηκαν στο μοντέλο αντιστοιχούσαν τιμές σε λάθος ζώνη ώρας. Η άγκυρα νύχτας μηδέν έπιασε το σφάλμα αμέσως και μόλις διορθώθηκε η ζώνη ώρας, η πρόβλεψη ήταν σωστή.
Περίπτωση 2 — Φαινόμενο κύβου στον άνεμο. Σε ένα αιολικό πάρκο, η πρόγνωση του καιρού έδωσε ταχύτητα ανέμου 10 m/s αντί για 8 m/s — ένα προφανές σφάλμα 25 τοις εκατό. Επειδή όμως η ισχύς εξαρτάται από την ταχύτητα κυβικά, η εκτίμηση της παραγωγής ήταν περίπου διπλάσια από την πραγματική ποσότητα, με αποτέλεσμα μια τεράστια ποινή ανισορροπίας στην αγορά. Μάθημα: μικρό σφάλμα ταχύτητας στην πρόβλεψη ανέμου είναι μεγάλο σφάλμα παραγωγής. Η ζώνη αβεβαιότητας θα πρέπει να διατηρείται ευρεία.
Περίπτωση 3 — Άγκυρα συντελεστή χωρητικότητας. Η ετήσια πρόβλεψη παραγωγής για έναν νέο σταθμό ηλεκτροπαραγωγής υποδηλώνει συντελεστή δυναμικότητας 55 τοις εκατό. Ήταν πολύ πάνω από αυτό το εύρος για τον ηπειρωτικό άνεμο. Η έρευνα έδειξε ότι οι μονάδες παραγωγής (MWh) μετρήθηκαν κατά λάθος δύο φορές. Η άγκυρα του παράγοντα χωρητικότητας απελευθέρωσε την επενδυτική απόφαση από λάθος βάση χωρίς να υπεισέλθει σε λεπτομέρειες.
Αδύναμη προτροπή / Ισχυρή προτροπή
Αδύναμη προτροπή:
Προβλέψτε την αυριανή παραγωγή αυτού του αιολικού πάρκου.[δεδομένα]
Ισχυρή προτροπή:
Ο ρόλος σας: Προβλέψιμος παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Εργασία: ωριαία πρόβλεψη παραγωγής για ένα αιολικό πάρκο.- Χρησιμοποιήστε ως είσοδο μόνο την πρόγνωση καιρού που ήταν διαθέσιμη τη στιγμή της πρόβλεψης. μετρήστε και λάβετε υπόψη την κυβική επίδραση της ταχύτητας του ανέμου. - Εφαρμόστε την καμπύλη ισχύος του στροβίλου (στροφές αποκοπής, ονομαστικές, στροφές αποκοπής). μην δίνετε φυσικά αποτελέσματα εκτός αυτών των ορίων. - Δώστε μια ζώνη αβεβαιότητας, όχι έναν μόνο αριθμό. - Δοκιμάστε μόνοι σας το αποτέλεσμα με δύο άγκυρες: (α) υπάρχει κάποια τιμή που υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ, (β) ο συντελεστής χωρητικότητας κυμαίνεται μεταξύ 25-45%; Δεδομένα: [στοιχεία φυτών και καιρού]
Η ισχυρή προτροπή επιβάλλει το εφέ κύβου, την καμπύλη ισχύος, την αβεβαιότητα και δύο φυσικές αγκυρώσεις από την αρχή — εξαλείφοντας τα κλασικά σφάλματα της αναγεννητικής πρόβλεψης.
Τέσσερα αντιγράψιμα πρότυπα
1) Ηλιακός φυσικός έλεγχος οροφής:
Δοκιμάστε αυτήν την εκτίμηση της ηλιακής παραγωγής με αυτές τις άγκυρες: είναι η παραγωγή μηδενική κατά τις νυχτερινές ώρες; Είναι η μεσημεριανή αιχμή στη μέση της ημέρας; Μήπως κάποια τιμή υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ; Κατάλογος παραβιάσεων με χρονική σήμανση.
2) Εφαρμογή καμπύλης αιολικής ισχύος:
Χρησιμοποιήστε τις ακόλουθες παραμέτρους καμπύλης ισχύος στροβίλου: διακοπή [A] m/s, ονομαστική[B] m/s, αποκοπή [C] m/s. Μετατρέψτε δεδομένες προβλέψεις ταχύτητας ανέμου σε παραγωγή. Σχολιάστε επίσης την επίδραση της αβεβαιότητας ταχύτητας στην αβεβαιότητα παραγωγής λόγω της σχέσης κυβικής ταχύτητας-ισχύς.
3) Άγκυρα λογικής συντελεστή χωρητικότητας:
Υπολογίστε τον συντελεστή δυναμικότητας από αυτήν την εκτίμηση παραγωγής και συγκρίνετε τον με το τυπικό εύρος για τον τύπο της εγκατάστασης (άνεμος 25-45%, ηλιακός 12-25%). Εάν είναι εκτός εύρους, παραθέστε πιθανές πηγές σφάλματος (μονάδα, ζώνη ώρας, διπλή καταμέτρηση).
4) Ανάλυση πρόβλεψης-πραγματικής απόκλισης:
Συγκρίνετε την πραγματική παραγωγή με προηγούμενες προβλέψεις. Υπάρχει συστηματική προκατάληψη (σταθερή υπερ/υποεκτίμηση); Εξετάστε εάν η απόκλιση ποικίλλει ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες (συννεφιά/αίθριος, χαμηλός/δυνατός άνεμος) και προτείνετε διόρθωση.
Διάγραμμα σύγκρισης ηλιακών και ανέμων
χαρακτηριστικό
Ηλιακή (PV)
άνεμος
κύρια είσοδο
Ακτινοβολία, θερμοκρασία πίνακα
Ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου
ημερήσιος αριθμός
Προβλέψιμο (νύχτα μηδέν, μεσημεριανή αιχμή)
Ακανόνιστο, μέρα-νύχτα αβέβαιο
Κύρια πρόκληση
συννεφιά
Κυβική σχέση ταχύτητας-ισχύς
Τυπικός συντελεστής χωρητικότητας
~12-25%
~25-45% (επίγεια)
ισχυρή άγκυρα
Νύχτα-μηδέν, εγκατεστημένη οροφή ισχύος
Όρια καμπύλης ισχύος, συντελεστής χωρητικότητας
Συνήθη λάθη
- Υποεκτίμηση σφάλματος ταχύτητας ανέμου. Δεδομένου ότι η σχέση ταχύτητας-ισχύς είναι κυβική, ένα μικρό σφάλμα ταχύτητας είναι ένα μεγάλο σφάλμα παραγωγής.
- Μη έλεγχος της φυσικής οροφής. Οποιαδήποτε τιμή υπερβαίνει τη νυχτερινή ηλιακή παραγωγή ή την εγκατεστημένη ισχύ θα πρέπει να απορρίπτεται χωρίς να εξετάζονται τα στατιστικά στοιχεία.
- Μείωση της αβεβαιότητας σε έναν μόνο αριθμό. Η πρόβλεψη για ανανεώσιμες πηγές είναι εγγενώς πιθανολογική. Δεν μπορεί να ληφθεί απόφαση χωρίς να δοθεί η κασέτα.
- Διαρροή. Κάνοντας τον πραγματικό καιρό χαρακτηριστικό. Ωστόσο, το μόνο που θα έχετε είναι η πρόγνωση του καιρού.
- Παράκαμψη της άγκυρας συντελεστή χωρητικότητας. Η μη δοκιμή της αληθοφάνειας του μακροπρόθεσμου μέσου όρου αποκρύπτει τη μονάδα και τα διπλά σφάλματα μέτρησης.
Συνοπτικά
Η ηλιακή και αιολική παραγωγή εξαρτάται από τη μετεωρολογία και είναι μεταβλητή. Η εκτίμηση είναι κρίσιμη για το ισοζύγιο του δικτύου και την αγορά. Το προβλέψιμο ημερήσιο μοτίβο του ήλιου καθίσταται δύσκολο από τη συννεφιά και η παραγωγή ανέμου δυσχεραίνεται από την ταχέως κυβική σχέση. Η τεχνητή νοημοσύνη είναι ισχυρή στη σύνδεση της πρόγνωσης καιρού με την πραγματική παραγωγή. αλλά η πρόβλεψη πρέπει να δοκιμαστεί με φυσική οροφή, καμπύλη ισχύος και αγκυρώσεις συντελεστή χωρητικότητας, η αβεβαιότητα πρέπει να αναφέρεται με ταινία και πρέπει να αποφεύγεται η διαρροή.
Εργασία εφαρμογής
Λάβετε ιστορικά δεδομένα παραγωγής ενός ηλιακού ή αιολικού πάρκου. Ζητήστε από την τεχνητή νοημοσύνη να ελέγξει την πρόβλεψη χρησιμοποιώντας τα πρότυπα «Έλεγχος ηλιακής φυσικής οροφής» (για ηλιακή ενέργεια) ή «Άγκυρα αληθοφάνειας συντελεστή χωρητικότητας» (και για τα δύο). Στη συνέχεια, υπολογίστε μόνοι σας τον συνεπαγόμενο συντελεστή χωρητικότητας και συγκρίνετε τον με το τυπικό εύρος. Εάν βρείτε μια φυσική αδυναμία ή απόκλιση λογικής, γράψτε πώς το πιάσατε.
λίστα ελέγχου
- [ ] Επιβεβαίωσα ότι η κύρια εισαγωγή είναι η πρόγνωση του καιρού και δεν περιέχει διαρροές
- [ ] Εφάρμοσα το night-zero και τοποθέτησα ηλεκτρικές άγκυρες οροφής για ηλιακό
- [ ] Έλαβα υπόψη τα όρια της καμπύλης ισχύος για τον άνεμο και το φαινόμενο κυβικής ταχύτητας
- [ ] Σύγκρισα τον υπονοούμενο παράγοντα χωρητικότητας με το τυπικό εύρος
- [ ] Παρουσίασα την εκτίμηση με τη ζώνη αβεβαιότητας
- [ ] Έλεγξα την προβλεπόμενη-πραγματοποιημένη συστηματική απόκλιση
- [ ] Απέρριψα αξίες που συνεπάγονται φυσική αδυναμία