基于相似日和改进正则化极限学习机的短期风电功率区间预测研究

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随着全球化石能源储量的不断减少,人类需要一种可再生的清洁能源以满足生产生活的需要。风能具有清洁且储量丰富的特征,近年来受到广泛关注。“十四五”规划实施以来,我国风力发电产业飞速发展。然而,风电具有波动性和随机性的特点,为风电消纳和电网的稳定运行带来挑战。精确可靠的风电功率预测系统可以为电网和发电企业提供安排调度和生产计划的依据,对提高风能利用率,改善“弃风”现象具有重要意义。基于上述背景,本文分别从重构模型的训练样本、提高短期风电功率预测精度、验证风电功率预测的不同技术路线及提高风电功率预测模型的抗干扰性四方面进行研究分析,主要包括以下内容。针对训练样本数过多导致难以对模型进行针对性训练的问题,本文以一座位于土耳其的风力发电机所记录的数据集为例,提出将能够同时处理数值属性和分类属性的K-prototypes聚类算法应用于风电功率预测模型的相似日选取和训练样本重构中,并以Pearson相关系数为指标验证了聚类算法的效果。之后,分别以未经聚类和聚类后的数据作为训练样本训练正则化极限学习机(RELM),并对同一天的风电功率进行预测。结果显示以聚类后数据作为训练样本的样本的RELM模型误差指标较优,验证了所提聚类算法在风电功率预测模型中的有效性。针对正则化极限学习机参数不确定影响预测效果的问题,本文提出将改进权重系数的非线性动态自适应粒子群算法(NDAPSO)应用于对RELM的参数寻优中,结果证明相对传统粒子群算法,NDAPSO算法具有更快的收敛速度和更好的寻优效果。对于寻优过程中可能存在的局部最优问题,本文将Adaboost集成学习算法与KNDAPSO-RELM模型结合,降低了局部最优对预测结果的不利影响,并设置了寻优过程的跳出机制,提高了集成学习模型的训练速度。与包括高斯过程回归(GPR)、随机森林等其它几种模型的误差指标进行对比,验证了本文所提模型的优越性。目前对风电功率预测的研究主要集中在通过历史功率的时间序列预测和通过数值天气预报预测的两种技术路线上。本文对基于时间序列预测的理论基础进行了阐述,验证了用于模型训练的最优时间序列长度,将其预测结果分别与基于精确NWP数据和基于引入5%误差的NWP数据的预测模型进行对比,并对所提模型在训练样本减半的情况下的预测性能进行了验证。结果证明,基于时间序列的风电功率预测模型适合于风电功率的超短期预测,可在时效性上与基于NWP数据的预测方法进行配合,同时适合于无法获取精确NWP数据的风力发电场。针对确定性预测模型无法处理NWP误差不确定性以及传统上下限估计法难以与集成学习模型融合的问题,采用两个独立的Adaboost-K-NDAPSO-RELM模型结合Nelder-Mead单纯形算法组成改进的上下限估计法模型。在对其预测指标进行了验证后,结果显示,结合改进上下限估计法的Adaboost-K-NDAPSO-RELM模型的平均预测区间覆盖率(PICP),预测区间归一化平均宽度(PINAW)和覆盖宽度标准(CWC)指标优于Bootstrap法与蒙特卡洛法区间预测模型,并在对NWP数据引入5%误差时仍保持可靠性,具有良好的抗干扰性能。
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