zisky:
- Pochopiť premenlivosť slnečnej a veternej produkcie v závislosti od meteorológie a dôležitosť jej predpovede pre rovnováhu siete.
- Schopnosť vytvoriť pracovný tok predpovedí AI, ktorý kombinuje digitálnu predpoveď počasia, satelitné a terénne údaje
- Schopnosť overiť prognózy výroby s fyzickým horným limitom, kapacitným faktorom a skutočnými údajmi
Elektráreň na uhlie alebo zemný plyn pracuje pri určitom výkone, keď ho prevádzkovateľ požaduje; výroba môže byť kontrolovaná. Slnko a vietor nie sú také: keď sa slnko zamračí, produkcia panelov klesá a keď vietor ustane, turbína sa zastaví. Tento typ výroby sa nazýva variabilná obnoviteľná energia; Výroba závisí od meteorológie, nie ľudskej vôle. Táto variabilita vytvára veľkú príležitosť a zároveň veľkú výzvu pre stabilitu siete. Prognóza výroby obnoviteľných zdrojov je úlohou predpovedať budúcu výrobu solárnych a veterných elektrární a je jednou z najrýchlejšie rastúcich oblastí analýzy moderného energetického systému. V tejto lekcii sa naučíme fyziku tejto predpovede, ako sa stanovuje a overuje pomocou umelej inteligencie.
Prečo je to také dôležité?
Ako sa podiel slnka a vetra v sieti zvyšuje, otázka „koľko a kedy“ tieto zdroje vyprodukujú, sa stáva určujúcou pre celý systém. Bez dobrej prognózy výroby je sieť nútená ponechať si dodatočnú voľnú kapacitu (často drahú a bohatú na uhlík), aby kompenzovala náhly pokles výroby obnoviteľnej energie. Presné predpovede znižujú tieto náklady aj emisie; Majiteľovi elektrárne tiež umožňuje lepšie ponúkať na trhu. Inými slovami, chyba prognózy sa premieta priamo do peňazí a uhlíka.
Fyzika slnečnej a veternej generácie
Slnko. Výkon produkovaný fotovoltaickým (PV; premena svetla priamo na elektrickú energiu) panelom závisí najmä od žiarenia, ktoré naň dopadá (žiarenie; slnečná energia na jednotku plochy, W/m²). Okrem toho to ovplyvňuje teplota panela (účinnosť sa znižuje, keď sa panel zahrieva), prach/kontaminácia a tienenie. Najsilnejšou črtou slnečnej produkcie je jej predvídateľný denný vzorec: nula v noci, vysoká ráno, vrchol okolo poludnia a nula večer. Oblačnosť je hluk prekrývajúci sa s týmto údajom a je hlavným zdrojom ťažkostí s predpovedaním.
Vietor. Výkon produkovaný turbínou je približne úmerný tretej mocnine rýchlosti vetra – takže keď sa rýchlosť zdvojnásobí, výkon sa zvýši zhruba osemnásobne. Preto sa malá chyba predpovede rýchlosti vetra zmení na veľkú chybu vo výrobe. Turbína má tiež výkonovú krivku: pod určitými otáčkami (zapínacie otáčky) je produkcia nulová, nad určitými otáčkami (menovitými otáčkami) sa produkcia stabilizuje, pri veľmi vysokých otáčkach (medzná rýchlosť) sa turbína pre bezpečnosť zastaví. Tento nelineárny vzťah sťažuje predpovedanie vetra ako solárne.
Tip: Keďže do hry vstupuje chyba v rýchlosti vetra, pri vyhodnocovaní prognózy produkcie sa najprv pozrite na kvalitu predpovede rýchlosti vetra. Je takmer nemožné vytvoriť dobrú prognózu výroby so zlou predpoveďou rýchlosti.
Krok za krokom: Prognóza výroby s umelou inteligenciou
Krok 1 – Zhromaždite vstupné údaje. Základným vstupom je Numerical Weather Prediction (NWP; predpoveď počasia vytvorená riešením fyziky atmosféry): odhady ožiarenosti, teploty, rýchlosti a smeru vetra. K tomu sa pridáva skutočná história výroby elektrárne a podľa možnosti satelitné/pozemné pozorovania.
Krok 2 – Nastavte atribúty. Premenné predpovede počasia, geometrické premenné pre slnko (uhol slnka na oblohe), informácie o výkonovej krivke turbíny pre vietor a atribúty oneskorenej výroby. Opäť kontrola úniku: používajú sa iba údaje, ktoré budú dostupné v čase predpovede.
Krok 3 — Trénujte model. Model spája predpoveď počasia so skutočnou produkciou. Umelá inteligencia sa tu učí skutočné správanie panela/turbíny (odchýlky od katalógovej hodnoty) a zachytáva miestne efekty (napríklad efekt terénu v konkrétnom smere vetra).
Krok 4 – Neistota modelu. Prognóza obnoviteľných zdrojov je vo svojej podstate neistá; Oveľa užitočnejší je skôr pravdepodobnostný odhad (napr. „80 percentná produkcia pravdepodobnosti je v rámci tohto pásma“) než jedno číslo.
Krok 5 – Overte. Predpoveď sa testuje na fyzikálne horné limity a skutočnú produkciu.
Overenie: Fyzické kotvy
Predpovedanie výroby obnoviteľných zdrojov možno testovať pomocou silných fyzických ukotvení:
- Absolútny strop pre solárnu energiu: Produkcia nemôže byť v noci nikdy kladná a nemôže prekročiť inštalovaný výkon (a to, čo dovoľuje súčasná radiácia). Táto jediná kontrola okamžite eliminuje hlúpe dohady.
- Kapacitný faktor: Je to pomer vyrobenej energie k energii, ktorú by vyrobila, keby elektráreň pracovala nepretržite na plný výkon. Pri pevninskom vetre je to zvyčajne asi 25-45 percent, pri slnečnom asi 12-25 percent v závislosti od klímy. Ak je dlhodobý priemer mimo tohto rozsahu, došlo k chybe.
- Aktuálne údaje: Najsilnejšou kotvou je porovnanie prognózy so skutočnou produkciou; systematická zaujatosť (napr. pretrvávajúce nadhodnocovanie) je opravená.
Upozornenie: Je fyzikálne nemožné, aby predpoveď slnečnej produkcie bola v noci nenulová alebo aby predpoveď vetra stále ukazovala plnú produkciu nad hraničnou hodnotou. Takéto porušenia sú znakom toho, že v modeli niekde chýba základná fyzika a sú zamietnuté bez toho, aby sa pozreli na štatistiky.
Tri mini prípady: Podľa čísel
Prípad 1 – Nočná produkcia. Model solárnej predpovede jedného tímu predpovedal 3 MW výroby na 22:00. Bolo to fyzicky nemožné; Problém bol v tom, že údaje o ožiarení privádzané do modelu sa zhodovali s hodnotami v nesprávnom časovom pásme. Nočná nulová kotva chybu okamžite zachytila a po oprave časového pásma bola predpoveď správna.
Prípad 2 – Kockový efekt vo vetre. Na jednej veternej farme predpoveď počasia udávala rýchlosť vetra 10 m/s namiesto 8 m/s – zjavná chyba 25 percent. Ale keďže výkon závisí od rýchlosti kubicky, odhad výroby bol približne dvojnásobok skutočného množstva, čo malo za následok obrovskú nerovnováhu na trhu. Poučenie: malá chyba rýchlosti v predpovedi vetra je veľká chyba výroby; Pásmo neistoty by sa malo udržiavať široké.
Prípad 3 – Kotva kapacitného faktora. Ročná prognóza výroby pre jednu novú elektráreň implikovala kapacitný faktor 55 percent. Pre kontinentálny vietor to bolo vysoko nad týmto rozsahom; vyšetrovanie ukázalo, že jednotky výroby (MWh) boli omylom započítané dvakrát. Kotva kapacitného faktora oslobodila investičné rozhodnutie od nesprávneho základu bez toho, aby zachádzala do detailov.
Slabá výzva / silná výzva
Slabá výzva:
Predpovedajte zajtrajšiu produkciu tejto veternej farmy.[údaje]
Výkonná výzva:
Vaša úloha: Prognostik výroby obnoviteľných zdrojov. Úloha: hodinová predpoveď výroby na deň vopred pre veternú farmu.- Ako vstup použite iba predpoveď počasia dostupnú v čase predpovede; merať a brať do úvahy kubický účinok rýchlosti vetra. - Použite krivku výkonu turbíny (zapínacie, menovité, medzné otáčky); neposkytujte fyzické výsledky mimo týchto limitov. - Uveďte pásmo neurčitosti, nie jedno číslo. - Otestujte výsledok sami pomocou dvoch kotiev: (a) existuje nejaká hodnota presahujúca inštalovaný výkon, (b) je predpokladaný kapacitný faktor v rozsahu 25-45%? Údaje: [údaje o rastlinách a počasí]
Výkonná výzva od začiatku vnucuje efekt kocky, krivku výkonu, neistotu a dve fyzické kotvy – odstraňuje klasické chyby regeneratívneho predpovedania.
Štyri kopírovateľné šablóny
1) Solárne fyzické ovládanie stropu:
Otestujte tento odhad solárnej produkcie s týmito kotvami: je produkcia počas nočných hodín nulová? Je vrchol poludnia uprostred dňa? Prekračuje nejaká hodnota inštalovaný výkon? Zoznam porušení s časovou pečiatkou.
2) Aplikácia krivky výkonu vetra:
Použite nasledujúce parametre výkonovej krivky turbíny: strih [A] m/s, nominálny[B] m/s, medzný [C] m/s. Preveďte dané predpovede rýchlosti vetra do produkcie. Vyjadrite sa tiež k vplyvu neistoty rýchlosti na neistotu výroby v dôsledku vzťahu medzi kubickou rýchlosťou a výkonom.
3) Kotva primeranosti kapacitného faktora:
Vypočítajte implikovaný kapacitný faktor z tohto odhadu generácie a porovnajte ho s typickým rozsahom pre typ elektrárne (vietor 25-45%, solárna energia 12-25%). Ak je mimo rozsahu, uveďte možné zdroje chýb (jednotka, časové pásmo, dvojité počítanie).
4) Analýza prognózy a skutočnej odchýlky:
Porovnajte skutočnú produkciu s minulými prognózami. Existuje systematická zaujatosť (neustále preceňovanie/podceňovanie)? Skontrolujte, či sa odchýlka mení v závislosti od poveternostných podmienok (oblačno/jasno, slabý/silný vietor) a navrhnite nápravu.
Porovnávacia tabuľka Slnka a vetra
vlastnosť
Solárne (PV)
vietor
hlavný vstup
Žiarenie, teplota panelu
Rýchlosť a smer vetra
denná postava
Predvídateľné (nočná nula, poludňajší vrchol)
Nepravidelné, deň-noc neisté
Hlavná výzva
oblačnosť
Kubický vzťah rýchlosti a výkonu
Typický kapacitný faktor
~12-25%
~25 – 45 % (terestriálne)
silná kotva
Nočná nula, inštalovaný strop
Hranice výkonovej krivky, kapacitný faktor
Časté chyby
- Chyba podhodnotenia rýchlosti vetra. Pretože vzťah medzi rýchlosťou a výkonom je kubický, malá chyba rýchlosti je veľkou výrobnou chybou.
- Nekontroluje sa fyzický strop. Akákoľvek hodnota presahujúca nočnú produkciu slnečnej energie alebo inštalovaný výkon by mala byť zamietnutá bez toho, aby ste sa pozreli na štatistiky.
- Zníženie neistoty na jedno číslo. Prognóza obnoviteľných zdrojov je vo svojej podstate pravdepodobná; Rozhodnutie nemožno urobiť bez odovzdania pásky.
- Netesnosť. Urobiť zo skutočného počasia atribút; Jediné, čo však budete mať, je predpoveď počasia.
- Obchádzanie kotvy kapacitného faktora. Netestovanie vierohodnosti dlhodobého priemeru skryje chyby jednotky a dvojitého počítania.
V súhrne
Slnečná a veterná produkcia závisí od meteorológie a je premenlivá; Odhad je rozhodujúci pre rovnováhu siete a trh. Predvídateľný denný vzor slnka je sťažený oblačnosťou a produkcia vetra je sťažená rýchlo kubickým pomerom. AI je výkonná pri spájaní predpovedí počasia so skutočnou produkciou; ale predpoveď musí byť testovaná pomocou fyzického stropu, výkonovej krivky a ukotvenia kapacitného faktora, neistota musí byť hlásená páskou a musí sa zabrániť úniku.
Aplikačná úloha
Získajte historické údaje o výrobe solárnej alebo veternej farmy. Nechajte AI preveriť predpoveď pomocou šablón „Solárne fyzické ovládanie stropu“ (pre solárnu energiu) alebo „Ukotvenie vierohodnosti faktora kapacity“ (pre obe). Potom vypočítajte implikovaný kapacitný faktor sami a porovnajte ho s typickým rozsahom. Ak zistíte fyzickú nemožnosť alebo odchýlku rozumnosti, napíšte, ako ste ju zachytili.
kontrolný zoznam
- [ ] Overil som si, že hlavným vstupom je predpoveď počasia a neobsahuje úniky
- [ ] Použil som nočnú nulu a nainštaloval som silové stropné kotvy pre solárne panely
- [ ] Vzal som do úvahy limity výkonovej krivky pre vietor a efekt kubickej rýchlosti
- [ ] Porovnal som predpokladaný kapacitný faktor s typickým rozsahom
- [ ] Odhad som uviedol s pásmom neistoty
- [ ] Skontroloval som predpokladanú-realizovanú systematickú odchýlku
- [ ] Odmietol som hodnoty, ktoré zahŕňajú fyzickú nemožnosť