سود:
- برای درک تغییرپذیری تولید خورشید و باد بسته به هواشناسی و اهمیت پیشبینی آن برای تعادل شبکه.
- امکان ایجاد گردش کار پیشبینی هوش مصنوعی با ترکیب پیشبینی دیجیتالی آب و هوا، ماهواره و دادههای میدانی
- امکان تایید پیش بینی های تولید با حداکثر حد فیزیکی، ضریب ظرفیت و داده های واقعی
یک نیروگاه زغال سنگ یا گاز طبیعی در زمانی که اپراتور آن را بخواهد با توان خاصی کار می کند. تولید را می توان کنترل کرد. خورشید و باد اینگونه نیستند: وقتی خورشید ابری می شود، تولید پنل کاهش می یابد و وقتی باد متوقف می شود، توربین متوقف می شود. این نوع تولید انرژی تجدیدپذیر متغیر نامیده می شود. تولید به هواشناسی بستگی دارد نه اراده انسان. این تنوع هم یک فرصت عالی و هم چالش بزرگی برای پایداری شبکه ایجاد می کند. پیشبینی تولید تجدیدپذیر وظیفه پیشبینی تولید آینده نیروگاههای خورشیدی و بادی است و یکی از سریعترین حوزههای در حال رشد تحلیل سیستم انرژی مدرن است. در این واحد با فیزیک این پیش بینی، نحوه ایجاد و تایید آن با هوش مصنوعی آشنا می شویم.
چرا اینقدر مهم است؟
با افزایش سهم انرژی خورشیدی و باد در یک شبکه، این سوال که این منابع چقدر و چه زمانی تولید خواهند کرد، کل سیستم را تعیین می کند. بدون پیشبینی تولید خوب، شبکه مجبور است ظرفیت اضافی اضافی (اغلب گران و غنی از کربن) را برای جبران کاهش ناگهانی تولید انرژیهای تجدیدپذیر در اختیار داشته باشد. پیشبینی دقیق این هزینه و انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهد. همچنین مالک نیروگاه را قادر می سازد تا در بازار پیشنهاد بهتری ارائه دهد. به عبارت دیگر، خطای پیشبینی مستقیماً به پول و کربن تبدیل میشود.
فیزیک تولیدات خورشیدی و باد
خورشید توان تولید شده توسط یک پانل فتوولتائیک (PV؛ تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته) عمدتاً به تشعشعات تابیده شده روی آن بستگی دارد (تابش، انرژی خورشیدی در واحد سطح، W/m²). علاوه بر این، دمای پانل (با گرم شدن پانل راندمان کاهش می یابد)، گرد و غبار/آلودگی و سایه روی آن تأثیر می گذارد. قوی ترین ویژگی تولید خورشیدی الگوی قابل پیش بینی روزانه آن است: صفر در شب، اوج در صبح، اوج در حوالی ظهر و صفر در عصر. ابری صدایی است که روی این شکل قرار گرفته و منبع اصلی دشواری پیشبینی است.
باد. توان تولید شده توسط یک توربین تقریباً متناسب با مکعب سرعت باد است - بنابراین وقتی سرعت دو برابر می شود، قدرت تقریباً هشت برابر می شود. بنابراین یک خطای پیشبینی کوچک در سرعت باد به خطای بزرگ در تولید تبدیل میشود. همچنین توربین دارای منحنی قدرت است: زیر یک سرعت معین (سرعت قطع) تولید صفر است، بالاتر از سرعت معین (سرعت نامی) تولید تثبیت می شود، در سرعت بسیار بالا (سرعت قطع) توربین برای ایمنی متوقف می شود. این رابطه غیرخطی، پیش بینی باد را دشوارتر از خورشیدی می کند.
نکته: از آنجایی که خطا در سرعت باد مطرح می شود، هنگام ارزیابی پیش بینی تولید خود ابتدا به کیفیت پیش بینی سرعت باد نگاه کنید. تقریباً غیرممکن است که یک پیشبینی تولید خوب با پیشبینی سرعت بد ایجاد کنیم.
گام به گام: پیش بینی تولید با هوش مصنوعی
مرحله 1 - جمع آوری داده های ورودی ورودی اصلی پیشبینی عددی آب و هوا (NWP؛ پیشبینی آب و هوا که با حل فیزیک اتمسفر تولید میشود): برآورد تابش، دما، سرعت و جهت باد است. سابقه تولید واقعی نیروگاه و در صورت امکان مشاهدات ماهواره ای/زمینی به این اضافه می شود.
مرحله 2 - ویژگی ها را تنظیم کنید. متغیرهای پیشبینی آب و هوا، متغیرهای هندسی برای خورشید (زاویه خورشید در آسمان)، اطلاعات منحنی قدرت توربین برای باد، و ویژگیهای تولید تاخیری. باز هم، کنترل نشت: فقط از داده هایی استفاده می شود که در زمان پیش بینی در دسترس خواهند بود.
مرحله 3 - مدل را آموزش دهید. این مدل پیش بینی آب و هوا را به تولید واقعی مرتبط می کند. در اینجا هوش مصنوعی هم رفتار واقعی پانل/توربین (انحراف از مقدار کاتالوگ) را می آموزد و هم اثرات محلی (مانند اثر زمین در جهت خاص باد) را می گیرد.
مرحله 4 - عدم قطعیت مدل. پیشبینی انرژیهای تجدیدپذیر ذاتاً نامشخص است. یک تخمین احتمالی (مثلاً "تولید 80 درصد احتمال در آن محدوده است") به جای یک عدد واحد بسیار مفیدتر است.
مرحله 5 - تأیید کنید. این پیشبینی در برابر محدودیتهای فیزیکی و تولید واقعی آزمایش میشود.
اعتبار سنجی: لنگرهای فیزیکی
پیشبینی تولید تجدیدپذیر را میتوان با لنگرهای فیزیکی قوی آزمایش کرد:
- سقف مطلق برای خورشیدی: تولید هرگز نمی تواند در شب مثبت باشد و نمی تواند از توان نصب شده (و آنچه تابش فعلی اجازه می دهد) فراتر رود. این چک واحد فوراً حدس های احمقانه را حذف می کند.
- ضریب ظرفیت: نسبت انرژی تولید شده به انرژی تولید شده در صورت کارکرد مداوم نیروگاه با توان کامل است. در باد خشکی معمولاً حدود 25-45 درصد است، در خورشید حدود 12-25 درصد بسته به آب و هوا. اگر میانگین بلندمدت خارج از این محدوده باشد، خطا وجود دارد.
- داده های واقعی: قوی ترین لنگر مقایسه پیش بینی با تولید واقعی است. سوگیری سیستماتیک (مثلاً برآورد بیش از حد مداوم) اصلاح می شود.
احتیاط: غیرممکن است که پیشبینی تولید خورشیدی در شب غیر صفر باشد یا اینکه پیشبینی باد همچنان تولید کامل را بالاتر از نرخ قطع نشان دهد. چنین تخلفاتی نشانه آن است که مدل در جایی فیزیک بنیادی را از دست داده است و بدون نگاه به آمار رد می شود.
سه مورد کوچک: با اعداد
مورد 1 - تولید در شب. مدل پیشبینی خورشیدی یک تیم، 3 مگاوات تولید را برای ساعت 10 شب پیشبینی کرد. از نظر فیزیکی غیرممکن بود. مشکل این بود که داده های تابش داده شده به مدل مقادیر را در منطقه زمانی اشتباه مطابقت می دهند. لنگر شب صفر بلافاصله خطا را دریافت کرد و پس از اصلاح منطقه زمانی، پیشبینی درست بود.
مورد 2 - اثر مکعب در باد. در یک مزرعه بادی، پیشبینی آبوهوا سرعت باد را به جای 8 متر بر ثانیه 10 متر بر ثانیه نشان داد - یک خطای آشکار 25 درصد. اما از آنجایی که توان به صورت مکعبی به سرعت بستگی دارد، تخمین تولید تقریباً دو برابر مقدار واقعی بود که منجر به جریمه بزرگ عدم تعادل در بازار شد. درس: خطای کوچک سرعت در پیش بینی باد خطای بزرگ تولید است. نوار عدم قطعیت باید گسترده نگه داشته شود.
مورد 3 - لنگر ضریب ظرفیت. پیش بینی تولید سالانه یک نیروگاه جدید حاکی از ضریب ظرفیت 55 درصدی بود. برای بادهای قاره ای بسیار بالاتر از این محدوده بود. بررسی نشان داد که واحدهای تولیدی (MWh) به اشتباه دو بار شمارش شده است. لنگر عامل ظرفیت، تصمیم سرمایهگذاری را بدون پرداختن به جزئیات، از پایه اشتباه رها کرد.
اعلان ضعیف / اعلان قوی
اعلان ضعیف:
تولید فردای این نیروگاه بادی را پیش بینی کنید.[داده]
اعلان قدرتمند:
نقش شما: پیش بینی کننده تولید تجدیدپذیر. وظیفه: پیشبینی تولید ساعتی یک روز آینده برای یک مزرعه بادی.- فقط از پیشبینی آبوهوای موجود در زمان پیشبینی به عنوان ورودی استفاده کنید. اندازه گیری و در نظر گرفتن اثر مکعبی سرعت باد. - منحنی قدرت توربین را اعمال کنید (سرعت های قطع، اسمی، قطع). نتایج فیزیکی خارج از این محدودیت ها ارائه ندهید. - یک باند عدم قطعیت بدهید، نه یک عدد. - نتیجه را خودتان با دو لنگر آزمایش کنید: (الف) آیا مقداری بیش از توان نصب شده وجود دارد، (ب) آیا ضریب ظرفیت ضمنی در محدوده 25-45٪ است؟ داده ها: [داده های گیاهی و آب و هوا]
اعلان قدرتمند اثر مکعب، منحنی توان، عدم قطعیت و دو لنگر فیزیکی را از ابتدا تحمیل میکند - خطاهای کلاسیک پیشبینی احیاکننده را حذف میکند.
چهار قالب قابل کپی
1) کنترل سقف فیزیکی خورشیدی:
این تخمین تولید خورشیدی را با این لنگرها آزمایش کنید: آیا تولید در ساعات شب صفر است؟ آیا اوج ظهر در وسط روز است؟ آیا مقداری بیش از ظرفیت نصب شده است؟ موارد نقض را با مهر زمانی فهرست کنید.
2) کاربرد منحنی قدرت باد:
از پارامترهای منحنی توان توربین زیر استفاده کنید: قطع [A] m/s، اسمی [B] m/s، قطع [C] m/s. پیش بینی سرعت باد داده شده را به تولید تبدیل کنید. همچنین در مورد تأثیر عدم قطعیت سرعت بر عدم قطعیت تولید به دلیل رابطه سرعت-قدرت مکعبی نظر دهید.
3) لنگر معقول بودن عامل ظرفیت:
ضریب ظرفیت ضمنی را از این تخمین تولید محاسبه کنید و آن را با محدوده معمولی برای نوع نیروگاه (باد 25-45٪، خورشیدی 12-25٪) مقایسه کنید. اگر خارج از محدوده است، منابع خطای احتمالی (واحد، منطقه زمانی، شمارش مضاعف) را فهرست کنید.
4) تحلیل انحراف پیشبینی واقعی:
تولید واقعی را با پیش بینی های گذشته مقایسه کنید. آیا سوگیری سیستماتیک (بیش از حد/ دست کم گرفتن دائمی) وجود دارد؟ بررسی کنید که آیا انحراف با شرایط آب و هوایی متفاوت است (ابری / صاف، باد کم / شدید) و پیشنهاد اصلاح کنید.
نمودار مقایسه خورشید و باد
ویژگی
خورشیدی (PV)
باد
ورودی اصلی
تابش، دمای پانل
سرعت و جهت باد
رقم روزانه
قابل پیش بینی (شب صفر، اوج ظهر)
نامنظم، روز-شب نامشخص
چالش اصلی
ابری
رابطه مکعب سرعت و توان
ضریب ظرفیت معمولی
~ 12-25٪
~25-45٪ (زمینی)
لنگر قوی
شب صفر، سقف برق نصب شده
محدودیت منحنی توان، ضریب ظرفیت
اشتباهات رایج
- دست کم گرفتن خطای سرعت باد از آنجایی که رابطه سرعت و توان مکعبی است، خطای سرعت کوچک یک خطای تولید بزرگ است.
- عدم بررسی سقف فیزیکی هر مقداری که بیش از تولید خورشیدی در شب یا ظرفیت نصب شده باشد، باید بدون توجه به آمار رد شود.
- کاهش عدم قطعیت به یک عدد واحد. پیشبینی منابع تجدیدپذیر ذاتاً احتمالی است. بدون ارائه نوار نمی توان تصمیم گرفت.
- نشت. تبدیل آب و هوای واقعی به یک ویژگی؛ با این حال، تنها چیزی که خواهید داشت پیش بینی آب و هوا است.
- دور زدن لنگر فاکتور ظرفیت. عدم آزمایش معقول بودن میانگین بلندمدت خطاهای واحد و شمارش مضاعف را پنهان می کند.
به طور خلاصه
تولید خورشید و باد به هواشناسی بستگی دارد و متغیر است. برآورد برای تعادل شبکه و بازار بسیار مهم است. الگوی قابل پیش بینی روزانه خورشید به دلیل ابری دشوار می شود و تولید باد به دلیل رابطه سریع مکعبی دشوار می شود. هوش مصنوعی در اتصال پیش بینی آب و هوا به تولید واقعی قدرتمند است. اما پیشبینی باید با سقف فیزیکی، منحنی توان و لنگرهای ضریب ظرفیت آزمایش شود، عدم قطعیت باید با نوار گزارش شود و از نشتی اجتناب شود.
وظیفه کاربردی
داده های تولید تاریخی یک مزرعه خورشیدی یا بادی را دریافت کنید. از هوش مصنوعی بخواهید پیشبینی را با استفاده از الگوهای «کنترل سقف فیزیکی خورشیدی» (برای خورشیدی) یا «لنگر معقول ضریب ظرفیت» (برای هر دو) بررسی کند. سپس ضریب ظرفیت ضمنی را خودتان محاسبه کنید و آن را با محدوده معمولی مقایسه کنید. اگر متوجه عدم امکان فیزیکی یا انحراف منطقی شدید، نحوه تشخیص آن را یادداشت کنید.
چک لیست
- [ ] من تأیید کردم که ورودی اصلی پیش بینی آب و هوا است و حاوی نشتی نیست
- [ ] من شب صفر را اعمال کردم و لنگرهای سقفی برق را برای خورشیدی نصب کردم
- [ ] من محدودیت های منحنی توان برای باد و اثر سرعت مکعب را در نظر گرفتم
- [ ] من ضریب ظرفیت ضمنی را با محدوده معمولی مقایسه کردم
- [ ] من برآورد را با باند عدم قطعیت ارائه کردم
- [ ] من انحراف سیستماتیک پیش بینی شده-تحقق یافته را بررسی کردم
- [ ] من ارزش هایی را که شامل غیرممکن بودن فیزیکی است را رد کردم