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光伏发电技术 ★ 5.0

基于多模态数据融合与模糊化的超短期太阳辐照度预测

Ultra Short-Term Solar Irradiance Forecast Based on Multimodal Data Fusion and Fuzzification

作者 Xiangsen Wei · Dong Yue · Gerhard P. Hancke · Chunxia Dou · Houjun Li · Yang Qiu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年1月
技术分类 光伏发电技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 太阳辐照度 光伏发电 高精度预测 多模态数据融合 模糊化方法
语言:

中文摘要

太阳辐照度的间歇性是导致光伏(PV)系统功率输出快速波动的主要原因。这些波动阻碍了太阳能发电设备大规模并入电网,进而阻碍了利用太阳能资源减少碳排放的进程。解决这一困境的主要途径是实现太阳辐照度的高精度预测。尽管存在各种预测太阳辐照度变化的方法,但很少有方法专注于充分利用多模态数据信息和模糊方法来提高预测性能。因此,本文提出了一种结合多模态数据融合和模糊化的方法来预测超短期全球水平辐照度(GHI)。首先,设计了一种模态转换方法,将时间模态数据转换为空间模态数据。然后,将转换后的数据与正常和欠曝光全天空图像进行融合,形成融合数据。随后,使用模糊方法生成具有低非线性特征的模糊GHI数据。最后,利用深度神经网络以端到端的方式学习融合数据与模糊GHI数据之间的潜在模式。我们的方法在国家可再生能源实验室提供的数据上进行了全面验证,证明了其有效性,并且与现有最先进的方法相比,实现了最高的预测精度。

English Abstract

The intermittency of solar irradiance is the main cause of rapid fluctuations in the power output of photovoltaic (PV) systems. These fluctuations hinder the large-scale integration of solar power generation equipment into the grid, which in turn hinders the process of utilizing solar energy resources to reduce carbon emissions. The main way to solve this dilemma is to achieve high-precision forecasting of solar irradiance. Although various methods exist to forecast the variations of solar irradiance, few focus on fully utilizing multimodal data information and fuzzy method to improve the forecasting performance. Therefore, a forecasting method combining multimodal data fusion and fuzzification is proposed to forecast ultra short-term global horizontal irradiance (GHI). First, a modal conversion method is designed to convert temporal modal data to spatial modal data. Then, the fused data are formed by fusing the converted data with normal and under exposure all-sky images. Subsequently, the fuzzy method is used to generate fuzzy GHI data with low nonlinear features. Last, we utilize deep neural networks to learn potential patterns between fused data and fuzzy GHI data in an end-to-end manner. Our method has been comprehensively validated on data provided by the National Renewable Energy Laboratory, demonstrating its effectiveness, and achieving the highest forecasting accuracy compared to state-of-the-art methods.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务实践来看,这项基于多模态数据融合与模糊化的超短期太阳辐照度预测技术具有显著的应用价值。当前光伏发电的间歇性波动是制约大规模并网的核心痛点,直接影响我们逆变器的功率控制策略和储能系统的调度效率。该技术通过将时序数据转换为空间模态,并融合全天空图像与模糊化处理,为解决这一难题提供了创新路径。

从产品层面分析,高精度的超短期辐照预测(通常指未来15分钟至1小时)可直接赋能我们的智能逆变器实现前瞻性MPPT控制,减少功率波动对电网的冲击。对于储能系统而言,精准预测能优化充放电策略,提升系统经济性并延长电池寿命。特别是在"光储一体化"解决方案中,这种预测能力可显著提升整体系统的调度灵活性和电网友好性,这对我们拓展工商业及电网侧储能市场具有战略意义。

技术成熟度方面,该方法已在美国NREL数据集上验证,但实际应用仍需考虑几个关键问题:一是多模态数据采集的硬件成本与维护复杂度,全天空成像设备在大规模电站的部署经济性需评估;二是深度神经网络模型在边缘侧设备的部署能力,这关系到我们逆变器和储能系统的算力配置;三是不同气候区域的模型泛化性能,需要本土化的数据训练与验证。

建议我们可将此技术纳入智慧能源管理平台的研发路线图,优先在示范项目中验证其与现有EMS系统的集成效果,逐步构建差异化的预测性控制能力,强化在高比例新能源接入场景下的竞争优势。