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一种基于相似日选取和SSA-KELM的光伏发电功率日前预测方法

申请号 CN202410233800.1 申请日 2024-03-01 公开(公告)号 CN118035950A 公开(公告)日 2024-05-14
申请人 云南大学; 发明人 李鹏; 李宏鹄; 仝瑞宁; 李俊颉; 何道奥; 刘潇潇; 毛德辉;
摘要 本 发明 涉及新 能源 发电技术领域,且公开了一种基于相似日选取和SSA‑KELM的 光伏发电 功率日前预测方法。该基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法首先对原始光伏数据集进行数据预处理,获得归一化后的新数据集;其次根据所选择的影响光伏发电功率的气象特征使用熵权法来构造MDTW 算法 ,克服传统相似日选取方法无法同时衡量气象特征曲线数值距离相似性和形态变化相似性的弊端;然后引入了高斯核函数来替代ELM的隐含层随机映射以弥补ELM预测 精度 不足和运行鲁棒性较差的 缺陷 ;最后本 申请 使用SSA对惩罚系数、核函数宽度等模型参数进行快速寻优,得到最优的 预测模型 来进行光伏发电功率预测。
权利要求

1.一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、统计历史光伏发电数据集并分析,保存为光伏发电数据集uy,并对光伏发电数据集uy进行数据预处理,得到新的数据集ug;
S2、对输入变量进行处理,并设定相似日训练样本集;
S3、建立预测模型,并定义核函数,将核函数替换预测模型的输出函数中的隐含层输出矩阵H;
S4、对预测模型的影响参数进行寻优求解;
S5、将相似日训练样本集送到预测模型中训练,得到光伏发电功率预测模型的最终回归函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S1中处理的表达式如下:
其中,ug表示处理后的数据集,umin表示uy中最小值,umax表示uy中最大值。
3.根据权利要求1所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S2包括以下步骤:
S2.1、对输入变量进行加权处理;
S2.2、设定固定相似日选取天数,将与待预测日多元动态时间规整距离最近的固定天数的历史日选取为相似日,作为相似日训练样本集。
4.根据权利要求3所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S2.1中对输入变量采用熵权法来为多元气象特征曲线之间的动态时间规整距离进行加权,具体表达式如下:
Dmdtw=w1D1+w2D2+…+wjDj
其中,w*表示第*个气象特征的权重,D*表示第*个气象特征的动态时间规整距离,Dmdtw表示多元动态时间规整距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S3中的预测模型的输出函数f(x)表达式如下:
T
其中,h(x)表示隐含层的映射向量,β表示输出权重,H表示隐含层输出矩阵,H表示矩阵h的转置,C表示惩罚系数,I表示单位矩阵,Y表示期望输出。
6.根据权利要求5所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S3中的核函数表达式如下:
其中,ΩELM表示ELM核矩阵, 表示ELM试验输入向量xi和xj的核函数,K(x,xN)表示输入向量x和xN的核函数,K(xi,xj)表示试验输入向量xi和xj的核函数,上标T表示对矩阵的转置运算。
7.根据权利要求1所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S4中的寻优求解通过麻雀智能搜索算法以及最小化公式为目标进行求解,所述最小化公式表达式如下:
其中, 表示光伏发电功率预测值,yi表示光伏发电功率实际值,N表示测试集样本数量。
8.根据权利要求1所述的一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,其特征在于:所述步骤S5的最终回归函数表达式如下:
2
其中,F(x)表示最终回归函数,δ表示核函数宽度,xn表示第n个训练样本,||*||表示最小误差平方和,e表示自然对数,C表示惩罚系数,I表示单位矩阵,Y表示期望输出,ΩELM表示ELM核矩阵,上标T表示对矩阵的转置运算。

说明书全文

一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源发电技术领域,具体为一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法。

背景技术

[0002] 光伏发电功率预测在能源规划、电市场运营、智能微电网控制等领域具有重要意义。准确的光伏功率预测可以帮助电力系统运营商优化能源调度、合理安排电力供应和需求、降低电力系统运行成本。然而光伏发电具有明显的间歇性和随机波动性,这使得大规模光伏并网会对电网的安全稳定运行带来巨大威胁。

发明内容

[0003] 为了解决了上述技术问题,本发明的目的在于提供一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,具备对光伏发电功率日前预测准确等优点,包括以下步骤:
[0004] S1、统计历史光伏发电数据集并分析,保存为光伏发电数据集uy,并对光伏发电数据集uy进行数据预处理,得到新的数据集ug。
[0005] S2、对输入变量进行处理,并设定相似日训练样本集。
[0006] S3、建立预测模型,并定义核函数,将核函数替换预测模型的输出函数中的隐含层输出矩阵H。
[0007] S4、对预测模型的影响参数进行寻优求解。
[0008] S5、将相似日训练样本集送到预测模型中模拟,得到光伏发电功率预测模型的最终回归函数。
[0009] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S1中处理的表达式如下:
[0010]
[0011] 其中,ug表示处理后的数据集,umin表示uy中最小值,umax表示uy中最大值。
[0012] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S2包括以下步骤:
[0013] S2.1、对输入变量进行加权处理。
[0014] S2.2、设定固定相似日选取天数,将与待预测日多元动态时间规整距离最近的固定天数的历史日选取为相似日,作为相似日训练样本集。
[0015] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S2.1中对输入变量采用熵权法来为多元气象特征曲线之间的动态时间规整距离进行加权,具体表达式如下:
[0016] Dmdtw=w1D1+w2D2+…+wjDj
[0017] 其中,w*表示第*个气象特征的权重,D*表示第*个气象特征的动态时间规整距离,Dmdtw表示多元动态时间规整距离。
[0018] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S3中的预测模型的输出函数f(x)表达式如下:
[0019]
[0020] 其中,h(x)表示隐含层的映射向量,β表示输出权重,H表示隐含层输出矩阵,HT表示矩阵h的转置,C表示惩罚系数,I表示单位矩阵,Y表示期望输出。
[0021] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S3中的核函数表达式如下:
[0022]
[0023]
[0024] 其中,ΩELM表示ELM核矩阵, 表示ELM试验输入向量xi和xj的核函数,K(x,xN)表示输入向量x和xN的核函数,K(xi,xj)表示试验输入向量xi和xj的核函数,上标T表示对矩阵的转置运算。
[0025] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S4中的寻优求解通过麻雀智能搜索算法以及最小化公式为目标进行求解,所述最小化公式表达式如下:
[0026]
[0027] 其中, 表示光伏发电功率预测值,yi表示光伏发电功率实际值,N表示训练集样本数量。
[0028] 作为本发明的优选技术方案,所述步骤S5的最终回归函数表达式如下:
[0029]
[0030] 其中,F(x)表示最终回归函数,δ表示核函数宽度,xn表示第n个训练样本,||*||2表示最小误差平方和,e表示自然对数,C表示惩罚系数,I表示单位矩阵,Y表示期望输出,ΩELM表示ELM核矩阵,上标T表示对矩阵的转置运算。
[0031] 与现有技术相比,本发明提供了一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,具备以下有益效果:
[0032] 本发明通过首先对原始光伏数据集进行数据预处理,获得归一化后的新数据集;其次根据所选择的影响光伏发电功率的气象特征使用熵权法来构造MDTW算法,克服传统相似日选取方法无法同时衡量气象特征曲线数值距离相似性和形态变化相似性的弊端;然后引入了高斯核函数来替代ELM的隐含层随机映射以弥补ELM预测精度不足和运行鲁棒性较差的缺陷;最后本申请使用SSA对惩罚系数、核函数宽度等模型参数进行快速寻优,得到最优的预测模型来进行光伏发电功率预测。
附图说明
[0033] 图1为本发明流程示意图;
[0034] 图2为本发明麻雀智能搜索算法流程示意图。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0036] 请参阅图1‑2,一种基于相似日选取和SSA‑KELM的光伏发电功率日前预测方法,包括以下步骤:
[0037] S1、首先对原始数据集进行了仔细审查和可视化分析,找出存在明显错误的异常点,和缺失值一样使用均值填充法对数据进行修复补充;其次对光伏发电数据集进行归一化处理,得到新的数据集,统计历史光伏发电数据集并分析,保存为光伏发电数据集uy,并对光伏发电数据集uy进行处理,得到新的数据集ug,处理的表达式如下:
[0038]
[0039] 其中,ug表示处理后的数据集,umin表示uy中最小值,umax表示uy中最大值。
[0040] S2、确定模型的输入变量,如太阳辐照度、组件温度环境温度以及相对湿度等气象特征;考虑到不同气象特征对光伏发电功率预测效果的影响程度不同,采用熵权法来为多元气象特征曲线之间的动态时间规整距离进行加权,根据公式:
[0041] Dmdtw=w1D1+w2D2+…+wjDj
[0042] 其中,w*表示第*个气象特征的权重,D*表示第*个气象特征的动态时间规整距离,Dmdtw表示多元动态时间规整距离,两个光伏发电日的多元气象特征曲线之间的Dmdtw值越小,表明这两个光伏发电日的“气象-功率”映射关系更为一致;从而选择出与待预测日多元动态时间规整距离最近的固定天数的历史日选取为相似日,进而作为训练样本集。
[0043] S3、建立预测模型,并定义核函数,将核函数替换预测模型的输出函数中的隐含层输出矩阵H。
[0044] 基于核极限学习机理论,选用非线性映射能力强的高斯核函数来搭建核极限学习机预测网络结构;利用核函数代替ELM中的隐含层特征随机映射过程,原始ELM随机产生输入层权值和隐含层偏置,采取同时最小化训练误差和输出权重范数的训练方法;基于KKT理论,ELM的训练等价于解决如下的对偶优化问题:
[0045]
[0046] 其中,αi表示拉格朗日算子,β表示输出权重,ξi表示训练误差,||*||2表示最小误差平方和,C表示惩罚系数,h(xi)表示隐含层的映射向量,yi表示目标输出。
[0047] 求解上述优化问题,可得:
[0048]
[0049] 式中α=[α1,…,αN]T, 和对偶优化目标函数 是一样的公式,只是使用不同的符号做出区别, 用于求解最小化输出权重范数参数β, 用于求解最小化训练误差参数αi和ξi, 表示偏导运算。
[0050] 整理上述公式得ELM的输出权重β为: 则ELM的输出函数可以表示为: 为了弥补隐含层输出矩阵H随机生成带来的
稳定性和泛化预测精度不足的缺陷,根据Mercer定理,定义核函数矩阵为:
[0051] 和
[0052] 其中,ΩELM表示ELM核矩阵, 表示ELM试验输入向量xi和xj的核函数,K(x,xN表示输入向量x和xN的核函数,K(xi,xj)表示试验输入向量xi和xj的核函数,上标T表示对矩阵的转置运算。
[0053] 将上面两个公式代入公式: 中,则KELM的输出回归函数可表示为:
[0054] S4、对预测模型的影响参数进行寻优求解,确定影响KELM预测效果的参数主要有惩罚系数C和核函数宽度δ,采用麻雀智能搜索算法(SSA)以最小化公式的适应度函数值为目标,对C和δ进行参数寻优。
[0055] 其中, 表示光伏发电功率预测值,yi表示光伏发电功率实际值,N表示测试集样本数量,基于光伏功率预测场景,给出本申请的参数设置示例;迭代次数:20、种群数量20、发现者所占比例20%、加入者所占比例80%、预警者所占比例10%、安全阈值ST:0.8、停止条件=最大迭代次数、参数C范围:0.1‑1000、参数δ范围:0.01‑200。
[0056] S5、利用S2所选取的相似历史日样本集训练由S3和S4确定的SSA‑KELM模型,得到光伏发电功率预测模型的最终回归函数,最终回归函数表达式如下:
[0057]
[0058] 其中,F(x)表示最终回归函数,δ表示核函数宽度,xn表示第n个训练样本,||*||2表示最小误差平方和,e表示自然对数x,C表示惩罚系数,I表示单位矩阵,Y表示期望输出,ΩELM表示ELM核矩阵,上标T表示对矩阵的转置运算。
[0059] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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