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光伏发电技术 ★ 5.0

HBA-LightGBM:基于蜜獾算法的LightGBM模型在太阳辐照度预测中的应用

HBA-LightGBM: Honey Badger Algorithm With LightGBM Model For Solar Irradiance Forecasting

作者 Ashish Prajesh · Prerna Jain
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年2月
技术分类 光伏发电技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 太阳能预测 LightGBM模型 降维方法 蜜獾算法 性能验证
语言:

中文摘要

太阳能的精确预测对光伏电站至关重要,有助于其提前参与能源拍卖并进行具有成本效益的资源规划。由于太阳辐照度具有间歇性,统计模型往往效果不佳,而机器学习模型在更准确的预测方面具有优势。本文介绍了一种集成学习方法——轻量级梯度提升机模型(LightGBM),该模型不仅计算时间更短,还能提升预测性能。为避免过拟合问题,采用了一种两阶段降维方法,即先使用互信息作为基于过滤的特征选择方法,再使用自编码器作为基于深度神经网络的特征提取方法,以确定最优特征。此外,对于所获得的最优特征中存在的异常值,采用随机森林方法根据其预测值进行处理。LightGBM模型的性能直接取决于其架构和超参数。为解决这一问题,应用了一种名为蜜獾算法的群体进化优化算法来优化网络架构。利用从美国国家可再生能源实验室收集的两个数据集对所提出方法的性能进行了研究。实验结果验证了该方法相较于其他基准模型的优越性。

English Abstract

The precise forecasting of solar energy holds significant importance for photovoltaic power plants, facilitating early engagement in energy auctions and cost-efficient resource planning. Due to the intermittent nature of solar irradiance, statistical models often fall short, giving an edge to machine learning models for more accurate forecasting. This article introduces an ensemble learning approach, the Light Gradient Boosting Machine model (LightGBM), that not only takes less computational time but also improves the forecasting performance. A two-stage dimensionality reduction approach is adopted that involves Mutual Information as a filter-based feature selection method and Autoencoder as a deep neural-based feature extraction approach to set the optimal features in order to avoid the problem of overfitting. Furthermore, the outliers present in the optimal features obtained are treated by their forecasted value by the Random Forest method. The performance of LightGBM models directly depends on their architectures and hyperparameters. To handle this problem, a swarm evolutionary optimization algorithm called the Honey Badger Algorithm, is applied to optimize the network architecture. The performance of the proposed method is investigated using two datasets collected from the National Renewable Energy Laboratory. The experimental results validate the superiority of the proposed method in comparison to other benchmark models.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于HBA-LightGBM的太阳能辐照度预测技术具有重要的应用价值。精准的辐照度预测直接关系到光伏电站的发电功率预测准确性,这对我们的智慧能源管理系统、储能系统容量配置以及参与电力现货市场交易至关重要。

该技术的核心优势在于三个方面:首先,LightGBM模型的计算效率优势使其适合部署在我们的边缘计算设备中,可集成到iSolarCloud云平台实现实时预测;其次,采用互信息和自编码器的二阶段特征工程方法有效提升了模型泛化能力,这对应对不同地理环境和气候条件下的光伏电站尤为关键;第三,蜜獾算法的超参数优化机制为模型性能提供了可靠保障。

从业务应用层面,该技术可直接赋能我们的多个产品线:在光储融合系统中,准确的辐照度预测能够优化储能系统的充放电策略,提升系统经济性;在虚拟电厂解决方案中,可为AGC调频等辅助服务提供更精准的基线预测;在微网系统中,有助于实现源荷储的协同优化控制。

技术挑战主要集中在模型的实际部署环节:需要考虑不同区域气象数据的可获得性、模型在极端天气下的鲁棒性,以及与现有SCADA系统的集成适配。建议我们的研发团队可与该研究团队展开合作,结合阳光电源在全球170多个国家的项目数据进行模型验证和优化,将其纳入下一代智慧能源管理平台的核心算法库,进一步强化我们在新能源数字化领域的技术领先优势。