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風(fēng)能作為新能源的重要組成部分，已成為發(fā)展最迅速、最具潛力的可再生綠色能源。隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電出力的隨機性、間歇性及波動性等不確定性增加了風(fēng)電功率的建模難度，對電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力、靈活性評估及可靠性分析等提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，風(fēng)電功率建模主要分為間接法和直接法。間接法是根據(jù)風(fēng)速模型生成風(fēng)速序列，利用風(fēng)速和風(fēng)電功率的關(guān)系對風(fēng)電出力進行建模。直接法是基于歷史數(shù)據(jù)直接生成與原始功率序列具有相似特征的風(fēng)電功率序列，避免了由風(fēng)速轉(zhuǎn)化為風(fēng)電功率造成的引入誤差。直接建模方法有支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及馬爾科夫鏈-蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo, MCMC）模擬法等，其中MCMC模擬法能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)特征和概率分布特性建立數(shù)據(jù)的模擬特性，不需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，具有更強的適用性。

有文獻考慮風(fēng)電功率的不同特性，對不同月份和時段進行劃分，生成相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。有文獻考慮風(fēng)電功率的時域特性提出持續(xù)與波動蒙特卡羅（persistence and variation-Monte Carlo, PV-MC）法，有效解決了傳統(tǒng)MCMC法容易陷入某一狀態(tài)難以跳變的問題。

有文獻在狀態(tài)數(shù)的選取與功率值的隨機采樣兩方面進行改進并提出優(yōu)選狀態(tài)數(shù)的MCMC（optimizing state number Markov chain Monte Carlo, OSN-MC）法，但狀態(tài)數(shù)的選取僅考慮自相關(guān)系數(shù)，難以保證生成序列的概率特性。有文獻通過K-means聚類分析選取類間的最優(yōu)狀態(tài)數(shù)，以天為單位生成風(fēng)電功率序列，但各天起始點功率容易出現(xiàn)跳變，需要處理模擬序列的銜接問題。有文獻考慮風(fēng)電功率的分類精度和建模質(zhì)量，提出一種狀態(tài)數(shù)優(yōu)化決策模型，同時考慮風(fēng)電功率的持續(xù)性，建立三維狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，適用于短時內(nèi)無劇烈跳變的場景。

上述文獻存在三方面的不足：①采用反函數(shù)法生成狀態(tài)序列，需要大規(guī)模的樣本容量才能達到平穩(wěn)分布，計算效率不高，且在各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換迭代次數(shù)較多；②較少涉及對原始功率序列的濾波處理，而噪聲的存在容易造成風(fēng)電功率狀態(tài)劃分的誤差；③大多依賴人工經(jīng)驗劃分狀態(tài)數(shù)，難以保證生成功率序列的概率特性和自相關(guān)性，而構(gòu)造的狀態(tài)數(shù)決策模型較為復(fù)雜，增加了風(fēng)電功率序列建模的時間和空間復(fù)雜度。

針對上述問題，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員采用滑動平均濾波法對原始功率序列進行濾波處理，避免噪聲混疊對狀態(tài)劃分的影響；采用Metropolis-Hastings算法生成風(fēng)電功率的狀態(tài)序列，解決傳統(tǒng)MCMC法計算效率和精度不高的問題?？紤]風(fēng)電功率序列的相關(guān)性，利用前一時刻的功率值與波動量及噪聲疊加。最后，根據(jù)不同狀態(tài)數(shù)對生成功率序列的概率分布特性和自相關(guān)性的影響，利用兩種評價指標(biāo)構(gòu)建狀態(tài)數(shù)決策模型，獲得最優(yōu)狀態(tài)數(shù)和最優(yōu)生成功率。

他們指出，該方法通過兩種評價指標(biāo)確定風(fēng)電功率的最優(yōu)狀態(tài)數(shù)，避免傳統(tǒng)MCMC法中人工經(jīng)驗選取狀態(tài)數(shù)的不足，而且能夠保證生成功率序列與原始功率序列的一致性。

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）對歷史數(shù)據(jù)進行濾波，根據(jù)前一狀態(tài)的功率值添加波動量和噪聲，同時擴展添加噪聲的功率閾值，避免了原始功率序列在狀態(tài)劃分時出現(xiàn)的隸屬誤差，同時有效地解決了傳統(tǒng)MCMC法添加波動量和噪聲較為保守的問題。

2）采用M-H算法生成風(fēng)電功率的狀態(tài)序列，避免了傳統(tǒng)MCMC法在各狀態(tài)間的循環(huán)迭代，極大地提高了MCMC模擬的計算效率。

3）通過綜合考慮風(fēng)電生成功率的ACF和PDF來構(gòu)建狀態(tài)數(shù)決策模型，確定最優(yōu)狀態(tài)數(shù)及最優(yōu)生成功率序列，避免人工選取狀態(tài)數(shù)的不足，提高了風(fēng)電功率建模的精度。

4）與現(xiàn)有的MCMC法相比，本方法生成的風(fēng)電功率序列除了滿足自相關(guān)性和概率分布特性外，在波動特性、轉(zhuǎn)移特性及時域特性上均能更好地復(fù)現(xiàn)歷史風(fēng)電功率的數(shù)據(jù)特征，可用于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和運行研究等。

本文編自2022年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于狀態(tài)數(shù)決策模型的風(fēng)電功率序列建模方法”，作者為李嬌、楊偉。