ISSN 1004-4965

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集合选优方法在短期风功率预测中的应用研究

张路娜 冯强 刘立群 陈水明 郭闪

张路娜, 冯强, 刘立群, 陈水明, 郭闪. 集合选优方法在短期风功率预测中的应用研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 285-296. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.027
引用本文: 张路娜, 冯强, 刘立群, 陈水明, 郭闪. 集合选优方法在短期风功率预测中的应用研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 285-296. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.027
ZHANG Luna, FENG Qiang, LIU Liqun, CHEN Shuiming, GUO Shan. Application of Ensemble Selection Method in Short-term Wind Power Forecasting[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(2): 285-296. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.027
Citation: ZHANG Luna, FENG Qiang, LIU Liqun, CHEN Shuiming, GUO Shan. Application of Ensemble Selection Method in Short-term Wind Power Forecasting[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(2): 285-296. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.027

集合选优方法在短期风功率预测中的应用研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.027
详细信息
    通讯作者:

    张路娜,女,河北省人,工程师,主要从事风电功率预测和风资源评估研究。E-mail:1037674549@qq.com

  • 中图分类号: P456.7

Application of Ensemble Selection Method in Short-term Wind Power Forecasting

  • 摘要: 为提高短期风速及功率预测的准确率,减小风电不确定性对电网系统的影响,尝试利用预测窗口期的风速观测进行数值天气预报的集合成员选优,挑选和实际风速更接近的相似预报成员,并构成选优集合进行机器学习模型的训练和测试。相较仅使用集合平均的常规方法,该方法考虑了不同集合成员之间的预报差异,避免了引入误差较大的集合成员,从而有利于改善预报风速偏差。利用不同海拔高度、不同地形特征的河南、甘肃两个风电场中不同集合的表现及敏感性试验结果,确定风电场最佳选优集合数量。相较于集合平均的结果,集合选优方案在不同天气过程中能较好地预报风速的起降,与实际风速更接近,且海平面气压场整体更接近ERA5。对不同风电场进行连续十一个月的风速及功率预测对比试验,结果表明,集合选优方法预报的风速日变化形态和月均风速较原集合平均方法均有改善。分析两个风场不同时长范围、不同速率变化的上坡风和下坡风观测数据可知,在0~2 h及2~4 h内,风速变化为2~4 m/s的个例最多。对比集合平均结果,集合选优方案对于该类型上、下坡风的预测精度均有较为明显的提升。利用机器学习算法对选优集合预报进行训练,能进一步降低风速的绝对偏差和均方根误差,从而有效改善功率预测精度。

     

  • 图  1  观测风速(黑线)、集合选优最优成员(红线)、最差成员(绿线)、选优平均(蓝线)预报风速时序图

    阴影区域表示集合预报区间。

    图  2  风电场位置及地形图

    单位:m;红框内为风场位置。a. 河南风电场; b. 甘肃风电场。

    图  3  单风机功率修复前(a)后(b)风速-功率散点分布图及风场风速(黑线)和异常点修复前(蓝线)后(红线)功率时序图(c)

    图  4  预报风速优于集合平均的集合个数逐日变化(蓝线)、平均数(红线)及集合频数分布

    a、b. 河南风电场; c、d.甘肃风电场。

    图  5  2021年6月19日20时、7月27日20时及10月2日20时三次预报过程河南风电场实际风速(黑线)、集合平均风速(蓝线)和集合选优风速(红线)的时序变化(阴影表示集合预报区间)(a、d、g),及ERA5与集合平均(b、e、h)、集合选优(c、f、i)海平面气压平均差异场(单位:Pa,黑框表示风场区域)

    图  6  实际风速(黑实线)、集合平均风速(蓝实线)、集合选优风速(红实线)的日变化曲线及日变化平均风速(虚线)

    a.河南风电场; b.甘肃风电场。

    图  7  实际风速(黑实线)、集合平均风速(蓝实线)、集合选优风速(红实线)的月平均风速变化及月实际风速日变化与年风速日变化的相关系数(虚线)

    a.河南风电场; b.甘肃风电场。

    图  8  不同时间及风速变化范围的上坡风和下坡风过程频次及集合选优方法预报改进率

    a、b.河南风电场; c、d.甘肃风电场。

    图  9  河南及甘肃风电场使用不同方案风速预报的逐月均方根误差和绝对偏差(单位:m · s-1

    a.河南风电场均方根误差; b.甘肃风电场均方根误差; c. 河南风电场绝对偏差; d. 甘肃风电场绝对偏差。

    表  1  风电场逐月风速数据完整率

    月份 河南风电场 甘肃风电场
    4月 100.00% 81.20%
    5月 99.70% 99.90%
    6月 100.00% 100.00%
    7月 82.50% 100.00%
    8月 100.00% 100.00%
    9月 100.00% 98.30%
    10月 98.30% 93.80%
    11月 100.00% 99.90%
    12月 74.30% 87.90%
    1月 67.90% 91.80%
    2月 100.00% 77.40%
    平均 93.00% 93.70%
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    表  2  风速预测评估指标

    指标 公式 说明
    MAE $\text { MAE }=\frac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^n\left|e_i\right|$ 平均绝对误差,其中n表示预报时刻点,N表示预报时刻总数,ei表示观测和预报的偏差
    STD $\mathrm{STD}=\sqrt{\frac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^n\left(e_i-\overline{e_N}\right)^2}$ 标准差,其中$\overline{e_N}$表示观测和预报在所有时刻的平均偏差,其余变量含义同上
    RMSE $\text { RMSE }=\sqrt{\frac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^n\left(e_i\right)^2}$ 均方根误差,式中各变量含义同上
    COEF $\mathrm{COEF}=\frac{\sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\overline{x_N}\right)\left(y_i-\overline{y_N}\right)}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\overline{x_N}\right)} \sqrt{\sum\limits_{i=1}^n\left(y_i-\overline{y_N}\right)}}$ 简单相关系数,其中xiyi分别表示预报时刻i的预报值和观测值,$\overline{x_N}$和$\overline{y_N}$分别表示所有预报时刻点的预报均值与观测均值
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    表  3  河南及甘肃风电场不同集合选优数方案的评估结果

    方案 RMSE MAE STD COEF
    ens_avg_henan 204.60% 161.30% 1.987 0.621
    ens_sel5_henan 194.50% 152.60% 1.894 0.662
    ens_sel15_henan 193.90% 152.50% 1.886 0.663
    ens_sel25_henan 195.40% 153.60% 1.901 0.658
    ens_sel30_henan 195.80% 153.90% 1.904 0.657
    ens_avg_gansu 209.40% 161.70% 2.057 0.813
    ens_sel5_gansu 206.90% 158.00% 2.042 0.821
    ens_sel15_gansu 203.20% 156.10% 1.998 0.827
    ens_sel25_gansu 201.70% 155.30% 1.979 0.831
    ens_sel30_gansu 202.10% 155.70% 1.982 0.83
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    表  4  河南及甘肃风电场使用不同方案的风速及功率预测评估结果

    方案 风速预测评估指标 功率预测评估指标
    RMSE MAE COEF RMSE MAE COEF ACC
    ens_avg_henan 204.00% 159.00% 0.592 27.99 19.89 0.528 72%
    ens_sel_henan 194.00% 154.00% 0.635 26.19 19.29 0.575 74%
    ens_avg_svr_henan 190.00% 152.00% 0.562 23.64 16.05 0.487 76%
    ens_sel_svr_henan 183.00% 149.00% 0.603 22.01 15.6 0.531 78%
    ens_avg_gansu 207.00% 159.00% 0.818 80.54 53.77 0.796 80%
    ens_sel_gansu 199.00% 153.00% 0.832 78.05 51.87 0.813 81%
    ens_avg_svr_gansu 200.00% 149.00% 0.821 73.18 47.03 0.798 82%
    ens_sel_svr_gansu 189.00% 142.00% 0.836 70.08 44.95 0.817 83%
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-06
  • 修回日期:  2024-03-09
  • 网络出版日期:  2024-06-07
  • 刊出日期:  2024-04-20

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