Ieguvumi:
- Izprast saules un vēja ražošanas mainīgumu atkarībā no meteoroloģijas un tās prognozēšanas nozīmi tīkla līdzsvarā.
- Iespēja izveidot AI prognožu darbplūsmu, apvienojot digitālās laika prognozes, satelīta un lauka datus
- Spēja pārbaudīt ražošanas prognozes ar fizisko augšējo robežu, jaudas koeficientu un faktiskajiem datiem
Ogļu vai dabasgāzes elektrostacija darbojas ar noteiktu jaudu, kad operators to pieprasa; ražošanu var kontrolēt. Saule un vējš nav šādi: kad saule kļūst duļķaina, paneļu ražošana samazinās, un, kad vējš apstājas, turbīna apstājas. Šo ražošanas veidu sauc par mainīgo atjaunojamo enerģiju; Ražošana ir atkarīga no meteoroloģijas, nevis cilvēka gribas. Šī mainīgums rada gan lielisku iespēju, gan lielu izaicinājumu tīkla stabilitātei. Atjaunojamās ražošanas prognozēšana ir saules un vēja elektrostaciju ražošanas nākotnes prognozēšanas uzdevums un ir viena no visstraujāk augošajām mūsdienu energosistēmas analīzes jomām. Šajā nodaļā mēs apgūsim šīs prognozes fiziku, kā to nosaka un pārbauda ar mākslīgo intelektu.
Kāpēc tas ir tik svarīgi?
Tā kā saules un vēja daļa tīklā palielinās, jautājums par to, "cik daudz un kad" šie resursi ražos, kļūst par visu sistēmu noteicošo. Ja nav labas paaudzes prognozes, tīkls ir spiests paturēt papildu rezerves jaudu (bieži vien dārgu un ar oglekli bagātu), lai kompensētu pēkšņu atjaunojamās enerģijas ražošanas samazināšanos. Precīza prognozēšana samazina gan šīs izmaksas, gan emisijas; Tas arī ļauj spēkstacijas īpašniekam piedāvāt labākas cenas tirgū. Citiem vārdiem sakot, prognozes kļūda tieši izpaužas naudā un ogleklī.
Saules un vēja ģenerācijas fizika
Sv. Fotoelementu (PV; gaismas tieša pārvēršana elektrībā) paneļa saražotā jauda galvenokārt ir atkarīga no uz to krītošā starojuma (izstarojums; saules enerģija uz laukuma vienību, W/m²). Papildus tam paneļa temperatūra (efektivitāte samazinās, panelim uzkarstot), putekļi/piesārņojums un ēnojums to ietekmē. Saules enerģijas ražošanas spēcīgākā iezīme ir tās paredzamā diennakts shēma: nulle naktī, augsts no rīta, maksimums ap pusdienlaiku un nulle vakarā. Mākoņainība ir troksnis, kas tiek uzklāts uz šo skaitli, un tas ir galvenais prognozēšanas grūtību avots.
Vējš. Turbīnas saražotā jauda ir aptuveni proporcionāla vēja ātruma kubam — tātad, kad ātrums dubultojas, jauda palielinās aptuveni astoņas reizes. Tāpēc neliela vēja ātruma prognozes kļūda pārvēršas par lielu kļūdu ražošanā. Arī turbīnai ir jaudas līkne: zem noteikta ātruma (ieslēgšanas ātruma) ražošana ir nulle, virs noteikta apgriezienu skaita (nominālais ātrums) ražošana stabilizējas, pie ļoti liela ātruma (nogriešanas ātruma) turbīna apstājas drošības labad. Šī nelineārā sakarība padara vēja prognozēšanu grūtāku nekā saules.
Padoms. Tā kā vēja ātrumā ir kļūda, vispirms apskatiet vēja ātruma prognozes kvalitāti, novērtējot ražošanas prognozi. Ir gandrīz neiespējami izveidot labu ražošanas prognozi ar sliktu ātruma prognozi.
Soli pa solim: ražošanas prognozēšana ar mākslīgo intelektu
1. darbība. Ievades datu apkopošana. Pamata ievade ir skaitliskā laikapstākļu prognozēšana (NWP; laikapstākļu prognoze, kas iegūta, risinot atmosfēras fiziku): starojuma, temperatūras, vēja ātruma un virziena aprēķini. Tam tiek pievienota faktiskā spēkstacijas ražošanas vēsture un, ja iespējams, satelīta/zemes novērojumi.
2. darbība — iestatiet atribūtus. Laikapstākļu prognožu mainīgie, saules ģeometriskie mainīgie (saules leņķis debesīs), vēja turbīnas jaudas līknes informācija un aizkavētās paaudzes atribūti. Atkal, noplūdes kontrole: tiek izmantoti tikai tie dati, kas būs pieejami prognozēšanas brīdī.
3. solis — apmāciet modeli. Modelis saista laika prognozi ar faktisko ražošanu. Šeit mākslīgais intelekts gan apgūst paneļa/turbīnas faktisko uzvedību (novirzes no kataloga vērtības), gan uztver lokālos efektus (piemēram, reljefa efektu konkrētajā vēja virzienā).
4. solis — modeļa nenoteiktība. Atjaunojamo enerģijas avotu prognozēšana pēc būtības ir neskaidra; Daudz noderīgāks ir varbūtības novērtējums (piemēram, "80 procentu varbūtības rezultāts ir šajā diapazonā"), nevis viens skaitlis.
5. darbība — pārbaudiet. Prognoze tiek pārbaudīta attiecībā pret fiziskajām augšējām robežām un faktisko ražošanu.
Validācija: fiziskie enkuri
Atjaunojamās ražošanas prognozēšanu var pārbaudīt, izmantojot spēcīgus fiziskos enkurus:
- Absolūtie griesti saules baterijām: ražošana nekad nevar būt pozitīva naktī un nevar pārsniegt uzstādīto jaudu (un to, ko pieļauj pašreizējais starojums). Šī vienīgā pārbaude uzreiz novērš muļķīgus minējumus.
- Jaudas koeficients: tā ir saražotās enerģijas attiecība pret enerģiju, ko tā saražotu, ja spēkstacija nepārtraukti darbotos ar pilnu jaudu. Sauszemes vējā tas parasti ir aptuveni 25–45 procenti, saulē tas ir aptuveni 12–25 procenti atkarībā no klimata. Ja ilgtermiņa vidējais rādītājs ir ārpus šī diapazona, ir kļūda.
- Faktiskie dati: spēcīgākais enkurs ir prognozes salīdzinājums ar faktisko ražošanu; tiek koriģēta sistemātiska novirze (piemēram, pastāvīga pārvērtēšana).
Uzmanību: ir fiziski neiespējami, ka saules enerģijas ražošanas prognoze naktī neatšķiras no nulles vai vēja prognoze joprojām uzrāda pilnu produkciju virs robežvērtības. Šādi pārkāpumi liecina, ka modelim kaut kur trūkst fundamentālās fizikas un tie tiek noraidīti, neskatoties uz statistiku.
Trīs mini futrāļi: pēc skaitļiem
1. gadījums — nakts ražošana. Vienas komandas saules prognozes modelis paredzēja 3 MW ģenerācijas 10:00. Tas bija fiziski neiespējami; Problēma bija tāda, ka modelī ievadītie izstarojuma dati atbilda vērtībām nepareizā laika joslā. Nakts nulles enkurs nekavējoties pamanīja kļūdu, un, tiklīdz laika josla tika labota, prognoze bija pareiza.
2. gadījums — kuba efekts vējā. Vienā vēja parkā laika prognozes uzrādīja vēja ātrumu 10 m/s, nevis 8 m/s — šķietama 25 procentu kļūda. Bet, tā kā jauda ir kubiski atkarīga no ātruma, ražošanas aplēses bija aptuveni divas reizes lielākas par faktisko apjomu, kā rezultātā tirgū tika radīts milzīgs nelīdzsvarotības sods. Nodarbība: neliela ātruma kļūda vēja prognozē ir liela ražošanas kļūda; Nenoteiktības joslai ir jābūt plašai.
3. gadījums — kapacitātes koeficienta enkurs. Vienas jaunas elektrostacijas gada ražošanas prognoze paredzēja jaudas koeficientu 55 procentu apmērā. Tas bija krietni virs šī diapazona kontinentālajam vējam; izmeklēšanā atklājās, ka ražošanas vienības (MWh) kļūdaini tika uzskaitītas divas reizes. Jaudas faktora enkurs atbrīvoja investīciju lēmumu no nepareiza pamata, neiedziļinoties detaļās.
Vāja uzvedne / spēcīga uzvedne
Vāja uzvedne:
Prognozējiet šī vēja parka rītdienas ražošanu.[dati]
Spēcīga uzvedne:
Jūsu loma: Atjaunojamās ražošanas prognozētājs. Uzdevums: stundas prognoze vēja parka ražošanas dienai uz priekšu.- Kā ievadi izmantot tikai prognozes brīdī pieejamo laikapstākļu prognozi; mēra un ņem vērā vēja ātruma kubisko efektu. - Pielietot turbīnas jaudas līkni (ieslēgšanas, nominālais, atslēgšanās ātrums); nesniedziet fiziskus rezultātus ārpus šīm robežām. - Norādiet nenoteiktības joslu, nevis vienu skaitli. - Pārbaudiet rezultātu pats ar diviem enkuriem: (a) vai ir kāda vērtība, kas pārsniedz uzstādīto jaudu, (b) vai netiešais jaudas koeficients ir diapazonā no 25 līdz 45%? Dati: [dati par augiem un laikapstākļiem]
Jaudīgā uzvedne jau no paša sākuma uzliek kuba efektu, jaudas līkni, nenoteiktību un divus fiziskos enkurus — izslēdzot klasiskās reģeneratīvās prognozēšanas kļūdas.
Četras kopējamas veidnes
1) Saules fiziskā griestu kontrole:
Pārbaudiet šo saules enerģijas ražošanas aprēķinu ar šiem enkuriem: vai nakts stundās produkcija ir nulle? Vai pusdienlaika maksimums ir dienas vidū? Vai kāda vērtība pārsniedz uzstādīto jaudu? Uzskaitiet pārkāpumus ar laikspiedolu.
2) Vēja enerģijas līknes pielietojums:
Izmantojiet šādus turbīnas jaudas līknes parametrus: ieslēgšana [A] m/s, nominālā[B] m/s, atslēgšanās [C] m/s. Konvertējiet dotās vēja ātruma prognozes ražošanā. Komentējiet arī par ātruma nenoteiktības ietekmi uz ražošanas nenoteiktību kubiskā ātruma un jaudas attiecības dēļ.
3) kapacitātes faktora pamatotības enkurs:
Aprēķiniet implicēto jaudas koeficientu no šīs paaudzes aplēses un salīdziniet to ar tipisku iekārtas tipa diapazonu (vējs 25-45%, saules enerģija 12-25%). Ja ārpus diapazona, uzskaitiet iespējamos kļūdu avotus (vienība, laika josla, dubultā skaitīšana).
4) Prognozes un reālās novirzes analīze:
Salīdziniet faktisko ražošanu ar iepriekšējām prognozēm. Vai pastāv sistemātiska neobjektivitāte (pastāvīga pārvērtēšana/par zemu novērtēšanu)? Pārbaudiet, vai novirze mainās atkarībā no laikapstākļiem (mākoņains/skaidrs, vājš/stiprs vējš), un ierosiniet korekciju.
Saules un vēja salīdzināšanas diagramma
funkciju
Saules enerģija (PV)
vējš
galvenā ievade
Izstarojums, paneļa temperatūra
Vēja ātrums un virziens
ikdienas figūra
Paredzams (nakts nulle, maksimums pusdienlaikā)
Neregulāra, diena-nakts nenoteikta
Galvenais izaicinājums
mākoņainība
Ātruma un jaudas kubiskā attiecība
Tipisks jaudas koeficients
~12-25%
~25-45% (virszemes)
spēcīgs enkurs
Nakts-nulle, uzstādīti jaudas griesti
Jaudas līknes robežas, jaudas koeficients
Biežas kļūdas
- Vēja ātruma kļūdas nenovērtēšana. Tā kā ātruma un jaudas attiecība ir kubiskā, neliela ātruma kļūda ir liela ražošanas kļūda.
- Nepārbauda fiziskos griestus. Jebkura vērtība, kas pārsniedz saules enerģijas ražošanu naktī vai uzstādīto jaudu, ir jānoraida, neskatot statistiku.
- Nenoteiktības samazināšana līdz vienam skaitlim. Atjaunojamo energoresursu prognozēšana pēc savas būtības ir varbūtība; Nevar pieņemt lēmumu, neiedodot lenti.
- Noplūde. Faktisko laikapstākļu padarīšana par atribūtu; Tomēr viss, kas jums būs pieejams, ir laika prognoze.
- Jaudas koeficienta enkura apiešana. Ilgtermiņa vidējā ticamības pārbaudīšana slēpj vienību un dubultās uzskaites kļūdas.
Rezumējot
Saules un vēja ražošana ir atkarīga no meteoroloģijas un ir mainīga; Aprēķins ir būtisks tīkla līdzsvaram un tirgum. Paredzamo saules dienas modeli apgrūtina mākoņainība, un vēja veidošanos apgrūtina strauji kubiskā attiecība. AI ir spēcīgs, savienojot laikapstākļu prognozēšanu ar faktisko ražošanu; bet prognoze ir jāpārbauda ar fiziskiem griestiem, jaudas līknes un jaudas koeficienta enkuriem, ar lenti jāziņo par nenoteiktību un jāizvairās no noplūdes.
Lietojumprogrammas uzdevums
Iegūstiet vēsturiskos datus par saules vai vēja parka ražošanu. Lieciet AI veikt prognozes auditu, izmantojot veidnes “Saules fizisko griestu kontrole” (saules enerģijai) vai “Kapacitātes faktora ticamības enkurs” (abiem). Pēc tam pats aprēķiniet implicēto jaudas koeficientu un salīdziniet to ar tipisko diapazonu. Ja konstatējat fizisku neiespējamību vai saprātīguma novirzi, pierakstiet, kā jūs to uztvērāt.
kontrolsaraksts
- [ ] Es pārliecinājos, ka galvenā ievade ir laika prognoze un nesatur noplūdes
- [ ] Es piemēroju nakts nulli un uzstādīju jaudas griestu enkurus saules baterijām
- [ ] Es ņēmu vērā vēja jaudas līknes robežas un kubiskā ātruma efektu
- [ ] Es salīdzināju implicēto jaudas koeficientu ar tipisko diapazonu
- [ ] Es uzrādīju tāmi ar nenoteiktības diapazonu
- [ ] Es pārbaudīju prognozēto-realizēto sistemātisko novirzi
- [ ] Es noraidīju vērtības, kas saistītas ar fizisku neiespējamību