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专利号: 2024107185712
申请人: 齐鲁工业大学(山东省科学院)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-06-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于机理和数据混合驱动神经网络预测风电功率的方法,其特征在于,所述方法包括:步骤S1、采集风力发电过程中的真实数据,并利用真实数据建立混合驱动神经网络模型的历史样本数据库;

步骤S2、对步骤S1中历史样本数据库的数据进行分析和处理,剔除含有缺失值的辅助变量;随后对数据进行光滑处理,获得光滑处理后的数据;

步骤S3、构造风电功率曲线的机理模型,用于表示风速与风电功率之间的非线性关系;

所述机理模型将轮毂高度处的风速作为输入,计算出对应风电功率,其输入和输出的关系表示为:;

其中, 表示轮毂高度处的风速; 表示切入风速; 表示额定风速; 表示切出风速; 表示不同风速条件下产生的风电功率; 表示风能利用系数; 为风机叶片扫风面积; 为空气密度; 表示额定功率;

步骤S4、在标准门控循环单元GRU的输出层增加激活函数LeakyReLU,对输出进行约束,获得改进后的GRU模型;

步骤S5、将步骤S3中机理模型和步骤S4中改进后的GRU模型进行结合,构建混合驱动神经网络模型;通过步骤S2中光滑处理后的数据对混合驱动神经网络模型进行训练,获得预测的风电功率值。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中真实数据以风电功率为目标变量。

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2包括:步骤S21、利用历史样本数据库的数据中风速和风电功率的样本值,绘制风电功率曲线;

步骤S22、对步骤S21中的风电功率曲线进行分析,获得风机实际运行参数。

4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述步骤S22包括:步骤S221、当风力发电机的第一风速对应的第一风电功率由零逐渐增大时,则第一风速为风力发电机的切入风速;

步骤S222、根据步骤S221,当风力发电机的第一风速到达第二风速时,此时对应的第二风电功率停止增大,则第二风速为风力发电机的额定风速,第二风电功率为风力发电机的额定功率。

5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S4包括:步骤S41、建立标准门控循环单元GRU,当前时刻GRU模型有两个输入,即当前时刻的样本 和上一时刻的隐藏状态 ;

建立GRU模型的过程包括:

a、确定GRU模型的内部计算过程,其过程表达式包括:;

其中, 表示重置门, 为更新门, 表示当前时刻候选隐藏状态, 为当前时刻的隐藏状态, 为当前时刻的输入, 为上一时刻的隐藏状态; 表示sigmoid激活函数,是双曲正切激活函数, 表示哈达玛乘积; 和 表示重置门权重参数,和 表示更新门权重参数, 和 表示候选隐藏状态权重参数; 、 和 分别为重置门、更新门以及候选隐藏状态的阈值;

b、获取GRU模型的输出,其表达式为:

其中, 为输出层的权重参数, 为输出层阈值;

此时GRU模型的损失函数为均方误差 ,其表达式为:;

其中, 为样本数, 表示样本真实值, 表示样本预测值;

c、将通过均方误差 获得的误差值进行反向传播,以更新权重参数和阈值;

步骤S42、在GRU模型的输出层增加激活函数LeakyReLU,对GRU模型全连接层的输出进行约束;当GRU模型的输出值为负数时,经过激活函数LeakyReLU,则将返回一个的正数;当输入值为正数时,则返回原始的输入值;激活函数LeakyReLU的表达式为:;

其中, 为激活函数LeakyReLU的超参数;

步骤S43、利用激活函数LeakyReLU改进GRU模型,确定改进后的GRU模型的最终输出,其表达式为:;

步骤S44、利用损失函数Huber作为改进后的GRU模型的损失函数,其损失函数Huber的表达式为:;

其中,为真实值, 为预测值, 为损失函数Huber的超参数;当预测误差小于 时,采用均方误差;当预测误差大于 时,采用平均绝对误差;

步骤S45、通过交叉验证确定最佳 和 ;并通过损失函数Huber获得的误差值进行反向传播,以更新权重参数和阈值。

6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S5包括:利用步骤S3确定的机理模型,以风速作为输入,根据机理模型输入输出关系,得到功率输出值;将功率输出值作为辅助变量,并结合步骤S2中光滑处理后的数据,将两者结合后共同作为输入,对改进后的GRU模型进行训练,获得预测的风电功率值。