融合精细化气象因素与物理约束的深度学习模型在短期风电功率预测中的应用

现有基于深度学习方法的风电功率预测是一种以气象数据为输入的间接预测,其预测精度依赖于气象预报的准确率,然而现有气象预报资料普遍存在分辨率低,预报模式不稳定的问题。同时,深度学习模型完全依赖数据驱动,缺乏物理规律的指导,预测精度难以进一步提升。因此,提出一种精细化气象因素与物理深度学习相结合的方法。首先,通过降尺度与多模式集成技术,对数值天气预报数据进行处理,改善气象预报产品的低分辨率和准确率问题;其次,基于风电场尾流效应和功率曲线两种物理模型,一方面将物理模型嵌入神经网络损失函数作为正则化项,引入物理约束指导学习过程,以构建物理深度学习网络;另一方面,利用物理模型产生预训练样本,解决观测数据不足的情况,构建预训练模型,为后续有监督学习任务提供支持。最后,通过对某市近海风电场的实际数据进行仿真分析,验证了所提出方法的有效性和优越性。

黄骅港航道风后骤淤快速预测方法及应用研究

黄骅港航道维护常年受大风淤积困扰,由于风后淤积情况不明,难以快速有效地开展应急维护疏浚工作。基于黄骅港航道骤淤与大风过程之间的强相关性,提出预测黄骅港航道大风淤积分布及淤积量的快速预测方法,采用大量实测数据结合数值模拟构建拟合数据集,从而建立大风淤积快速预报模型及预报系统。以两次实测大风过程及其淤积数据为例,对提出的预测方法进行了验证。结果表明预测结果精度较高,可为黄骅港航道风后应急疏浚提供参考。

鄂尔多斯市大风沙尘天气过程与可预报性分析

大风沙尘天气是鄂尔多斯常见的一种气象灾害,给人们生活和农业生产等带来诸多不利影响。本文利用常规气象站观测资料、MICAPS资料以及数值模式资料,对2023年4月28日发生在鄂尔多斯市的1次大风沙尘天气过程进行分析。结果表明,此次大风沙尘天气是由500 hPa高空槽以及地面冷锋共同作用引起,高低空配置较好;大风过程与气压梯度、变压梯度有较好的对应关系,沙尘天气与冷锋过境时间、大气层结关系密切,绝对不稳定层结为沙尘天气提供了有利的层结条件。ECMWF和GRAPES-GFS模式对于此次大风天气过程的预报效果较好,且ECMWF模式优于GRAPES-GFS模式。

基于多模式的我国冬季风速预报误差特性分析

风电在我国能源结构转型中具有重要地位,但其波动性也带来严峻挑战。数值模式预报的风速数据是风电出力预测和高效消纳的重要基础,因此需要评估不同模式的预报效果。本文通过对比分析4种主流数值模式的风速预报效果,全面评估它们在我国冬季不同区域和不同条件下的预报精度,以期为我国冬季大风期风速预报提供参考。基于不同分辨率、不同初始场、不同同化方案的4种数值预报模式,结合我国131个站点观测资料,本文对预报风速的误差分布特征与预报能力进行了研究与分析;同时聚焦典型站点,分析了不同风速段、不同区域的预报误差特征及预报能力。研究结果表明:集合预报模式的预报结果在复杂地形条件下更科学;高分率单一模式对简单下垫面的风速波动性预报较好;白天预报效果好于夜间;平原风速预报效果最好。

短期风速预测模型研究进展综述

受地理环境和季节差异的影响,风速具有较强的波动性、间歇性和高度可变性,对风速的预测要结合其时间特性和空间特性进行综合分析。文章系统阐述了三类风速预测模型的基本原理和典型方法,归纳了现阶段短期风速预测存在的技术难点和局限性,从信号特征分解、多维参数的融合、组合模型赋权的角度对未来风速预测的重点和研究方向进行了展望。

计及气象因素和风速空间相关性的风电功率预测模型

建立了一种计及数值天气预报中气象因素和风速空间相关性的组合加权风电功率预测模型。首先,考虑到数值天气预报数据中的风速精确度不高,建立了基于高斯过程的数值天气预报风速修正模型,计入其他气象因素,如风向、温度、湿度、气压等,进行风电预测。同时,基于目标风电场与相邻风电场区域的风速空间相关性分析,求得其最大相关系数点的延迟时间,建立风速空间相关性预测模型。然后,基于数值天气预报偏差修正的风电功率预测模型和空间相关性预测模型,建立组合加权预测模型,并利用拉格朗日乘子法求得组合模型中各个单一模型的加权值。算例结果表明,所提模型及方法能够有效提高风电功率预测的精度。

风电场风速数值预报的动态修订方法的探讨

针对风电场风功率预测所需的定点、逐时风速预报，对利用中央气象台发布的MM5格点输出的数值预报风速插值到福建沿海某个风电场测风塔高度的预报结果进行误差分析，发现由于海陆交界的特殊下垫面等原因，存在一定的系统误差；根据误差的后延相关性和测风塔实时发回的气象资料，探讨了利用前期误差观测值和测风塔湍流指标对MM5数值预报风速进行动态修订的方法，建立了订正值方程，结果表明，订正后的预报风速平均绝对误差降低31％～54％，有效提高了预报精度。

内蒙古电网区域风电功率预测系统

内蒙古电网区域风电功率预测系统采用分布式结构,由数值气象预报系统和风电功率预测系统组成:风电功率预测以数值预报模式和风电功率统计预报模型为基础;数值气象预报采用MM5中尺度数值气象预报模式对风电场所在区域未来48h不同高度的风速、风向、温度、湿度、气压和降水进行滚动预测,计算网格水平分辨率为9km。基于相似模型理论,采用人工神经网络方法,建立了区域风电功率预测模型,实现了对单个风电场、特定区域内风电场群和全网风电功率的短期和超短期预测。

风能预报方法研究进展

中国蕴含着丰富的风能资源,但目前我国在风能预报方面的研究还很薄弱,几乎没有可用于风电场风能的客观、定量化的预报方法。风能预报,实际上最重要的是对风场的合理准确预报,进而得到风电量预报。通过简要介绍国际上风能预报的一些方法,如统计预报、动力预报(包括降尺度预报和集成预报)以及风电量预报,同时介绍对预报的检验和面向最终用户的预报平台的建设,希望能对我国风能预报行业的发展起到一定的借鉴和促进作用。

数值风洞与物理风洞对烟塔合一排烟的比较研究

热电厂"烟塔合一"排烟技术因其初期投资和运行维护费用少,排烟效果好、SO2落地浓度低等优势,特别是在机场附近的净空限高和对景观环境有特殊要求的地区具有广阔的发展空间。目前国内外广泛使用的大气污染物预测模型——德国模式在烟塔合一排烟方式的预测上尚存在许多问题,如大风下洗条件下,冷却塔附近空腔区的大小和范围、空腔区污染物最大地面浓度等难以给出准确的预测结果。为准确预测烟塔合一排烟方式的大气污染物扩散情况,一种新的大气污染物扩散预测模式——数值风洞模型以及物理风洞实验被用于模拟烟塔合一的环境影响,分析数值风洞模式和物理风洞实验在大气环境预测领域应用的适用性和优缺点。2个预测方法的结果表明:在烟塔合一排烟方式下,大气污染物最大落地浓度随风速增加而增加同时在冷却塔下风向存在负压区,污染物在该区域高浓度聚集。对2种方法进行比较,物理风洞实验由于受到物质和气象等条件的限制,无法得到精确的预测结果以及无法直观地描述空腔区的产生和变化规律。而数值风洞模拟具有更大的自由度和灵活性,预测出在夏季6 m/s风速下,冷却塔下风向最大落地浓度出现峰值,属于最不利的气象条件。同时该方法可利用图形化手段实现对空腔区产生、变化、破碎至再生成的全过程描述,从而建立了一种大气污染预测的重要手段。

海面风场的数值预报业务模式

海面风场的业务数值预报，经过六年的运行和不断改进，目前已建立了包括资料处理、客观分析、大气模式和边界展模式在内的数值预报业务化系统，它能提供１５°～４５°Ｎ、１ｈ５°～１４１°Ｅ海域内１°×１°经纬网格点上的７２小时的预报风场，该风场除为日常业务预报提供参考外，还为海浪和海冰业务模式提供强迫场。本文主要介绍大气模式和边界层模式的概况以及系统的运行结果。

一种新型双模块半潜式海工平台的运动和连接器载荷响应研究

本文以一种新型双模块半潜式海工平台为研究对象,建立了相应的水动力计算模型和三维有限元分析模型,基于COMPASS THAFTS软件对该平台的运动和连接器载荷响应进行了数值模拟,并与水池模型试验结果进行了对比分析。结果表明:COMPASS THAFTS软件的数值模拟结果与试验结果吻合良好,共同反映了该平台具有良好的耐波性能;同时可以发现,平台连接器垂向载荷最大,轴向次之,横向最小,其中生存海况下垂向载荷最大值接近200 t,轴向和横向两个方向的载荷一般在几十吨的量级。文中给出的运动和连接器载荷响应规律和量值可以为该新型平台及其连接系统的优化设计和建造提供重要的参考依据。

基于观测和模型的风致漂移系数研究

在进行海上搜救目标漂移轨迹预测时,风致漂移系数的取值将影响预测的准确性.使用2011年5月南海部级联合搜救演习期间位于莺歌海海域模拟人和救生筏的现场漂移轨迹资料,结合风场和流场的数值模拟研究,对模拟人和救生筏的风致漂移系数进行了推导及检验.结果表明,模拟人和救生筏的风致漂移系数分别取0.017和0.065较为合适,该结论可为落水人员和救生筏的漂移预测提供参考.另外,首次借助了风场和流场数值模拟结果来推导风致漂移系数,可以有效弥补观测资料的不足.

波浪辐射应力对海流模式影响的数值分析

将波浪辐射应力,特别是地转意义下的波浪辐射应力引入海流数值模式POM(princeton ocean model),在渤海海域进行了初步的数值研究。在目前的数值分析中仅考虑了波浪辐射应力的横向分量(也是最重要的分量)。在POM模式中引入非地转和地转意义下的波浪辐射应力两种方案,并与原模式直接运行(即不考虑波浪辐射应力)的结果进行比较。比较显示,波浪辐射应力,特别是地转意义下的波浪辐射应力对海流模式结果的影响不容忽略。在海浪场存在的条件下,由风应力和地转意义下浪致作用力共同作用产生的海流强度应比理论上Ekman漂流的强度大,尤其是在浪致作用力显著的表层,表层流将明显增强,且不会完全符合Ekman漂流理论的转向规律。

云图模型与数值产品结合预报海洋气旋

分析了西北太平洋温带气旋爆发性发展前期的云图特征,概括了气旋爆发过程的5类云图模型。通过实例揭示了物理参数与云系的发展有很好的对应关系,最后给出了使用卫星云图和数值产品做气旋爆发性发展的短期预报思路和判断爆发性气旋生成的方法。

基于非参数核密度估计与数值天气预报的风速预测修正方法

提出一种风速预测偏差修正方法。建立基于非参数核密度估计的风速修正模型,利用预测点之前一段时间内风速的初始预测误差来估计预测时刻的预测误差,从而对初始风速预测结果进行修正;结合数值天气预报法建立风速相位误差修正模型,有效减小风速预测的相位误差,在一定程度上防止风速突变拐点处"误修正"的出现。某地区实际风速数据的预测仿真结果表明,所提方法可有效降低初始风速预测偏差。

基于WRF模式的广东海上风资源评估

在概述风资源评估传统方法的基础上,通过以下两个方面对基于WRF模式的海上风资源评估方法进行探讨。首先,详细分析了基于WRF模式的海上风资源评估的过程;其次使用珠江口某设计中的海上风场作为算例,进行了风资源量化估计,并对结果进行了对比。得出的主要结论为,鉴于我国缺乏长期和大面积的海上测风网,使用数值天气预报对海上风资源进行评估是必须的;风切变指数的变化剧烈,不应视作常数;数值预报数据应根据测风塔数据进行校正;对于选定了位置的风场,根据现场测风塔和根据数值天气预报给出的评估结果无显著差别。

长江口年代际冲淤演变趋势预测与应对策略

受流域来水来沙条件变化及河口大型工程建设的综合影响,长江口呈现新的冲淤格局,为预测未来演变趋势,本研究基于前期研究中建立的长江口年代际冲淤演变预测模型(Delft3D),未来情景考虑不同来沙量条件和相对海平面上升速率。预测结果表明,到2035年长江口整体以冲刷为主,口内河段主槽和浅滩边缘冲刷较明显,仅高滩局部淤积;到2050年口内河段保持净冲刷状态,拦门沙地区在现状来沙量条件下略有淤积,但在极端低来沙量条件下转变为净冲刷状态,海平面上升对拦门沙地区冲刷具有一定抵消作用,但不会使冲淤状态产生本质改变。本研究分析认为,长江口局部区域未来冲淤趋势可能对河口综合治理与保护产生不利影响,针对新格局条件下的滩槽河势稳定、重要洲滩保护、重大工程安全评估、冲刷致灾研判以及海堤防护标准再评估等方面提出了对策建议,可为新时期长江口综合治理与可持续发展提供参考。

基于CFD动力降尺度的复杂地形风电场风电功率短期预测方法研究

复杂地形导致近地层风场时空变化大,是影响风电场短期风电功率预测准确率的重要因素。为此,基于中尺度数值预报模式和微尺度计算流体力学模式,建立了风电场短期风电功率动力降尺度预测系统。该系统由中尺度数值预报模式、微尺度风场基础数据库、风电功率预测集成系统组成,能够预测复杂地形风电场中每台风电机组未来72 h逐15 min的发电量。提高了复杂地形风场发电功率预测准确率,同时还可以在上报电网的风电功率预测结果中考虑运行维护计划和限电等因素对实际并网功率的影响。2014年7月-2015年1月的业务预测试验表明,风电场短期风电功率动力降尺度预测系统的月预测相对误差均小于0.2,满足中国国家电网对风电功率预测误差和时效性的业务要求。动力降尺度技术不受具体项目地形复杂程度和历史观测数据样本量的限制,可以在新建风电场中推广应用,具备实际的可操作性。

基于LSTM-XGboost组合的超短期风电功率预测方法

受数值天气预报信息影响,风电功率变化具有较强的随机波动性,传统单一预测模型精度较低,难以满足现实预测需求。为此,提出基于LSTM-XGboost组合的超短期风电功率预测方法。首先,基于风电场的气象数据,采用皮尔逊相关系数法筛选与风电功率强相关的气象数据,建立风电功率预测模型数据集;然后,将归一化处理的数据集作为LSTM(long short-term memory)和XGboost(extreme gradient boosting)的模型输入,分别构建LSTM和XGboost的超短期风电预测模型,在此基础上,采用误差倒数法对LSTM和XGboost的预测数据进行加权构建组合预测模型;最后,以张家口某示范工程风电场实际运行数据验证组合模型的有效性。结果表明,相较于其他4种单一预测模型,组合模型具有更高的预测精度。