[发明专利]用于执行风力预测的系统和方法

说明书

政府利益声明

本发明是在由美国国家科学基金会(NSF)授权的授权号为AGS-1026636的政府支持下做出的。政府对本发明拥有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2015年3月27日提交的美国临时专利申请No.62/139,083的优先权的权益，该申请通过引用的方式全文并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及天气预报和能源供应管理预测领域。更具体地，本发明提供了用于执行风力预测的系统和方法，该系统和方法可更加容易且更加准确地产生短期风力预测，这样的短期风力预测可以被用来促进能源供应管理及其它商业应用。

背景技术

目前，对于天气建模(尤其是风力建模)方面已存在各种系统和方法。这样的风力建模可以出于不同的目的而用于各种应用中。一种示例性的应用是在能源市场背景下的用途，该用途涉及为了预测能量供应、管理能量需求以及在其它情况下执行电网管理而预测包括风力在内的各种天气状况。风能正在成为一种资源丰富、财务上有竞争力并且越来越多地被采用的清洁可再生能源。风力在美国是快速增长的一次能源生产来源，部分原因在于，与化石能源电厂或核电厂产生的电力相比，即使没有补贴，风力发电在成本方面也有竞争力。

风的动能可以由涡轮机利用，以产生可容易地转换成电力的旋转机械能。然而，风速随着时间上升和下降，这意味着风电场无法一直产生稳定的电力。这造成了输出风电的不确定性，这种不确定性可能会对能源市场以及电网的操作有显著的影响。因此，预测所产生的风电，以及界定与每次预测相关的不确定性，已经成了风电场管理的内在挑战。准确的预测及不确定性估计对于使电力供给和需求保持于适当且有利的平衡状态以及减少成本高昂的备用发电是关键的，这种备用发电始终运行以补偿可再生发电的未预料到的潜在下降(如果实际的风能生产没有下降到预测值以下，则这种备用的常规发电会被完全浪费，而如果实际的风力产出超过了预测值，则这部分额外产生的电力同样会被浪费，因为此时在能源市场上销售该电力已经太迟)。如果未来风力在全球电力生产中贡献大的份额，则如果风力没有被很好地预测，那么与其时间波动性(variability)相关的成本以及该波动性对电力供应的可靠性的影响将会显著上升。

最好使用大气的中尺度模型(数值天气预报模型)来完成中期(约1天前)和长期(约2周前)预测以及风电场选址。但是，这些模型存在内在缺点，这些内在缺点限制了其在短期(例如，提前12小时或更短)预测方面的准确度。因此，需要30-90分钟来逐步提升的备用发电能力应当保持为待机状态，以快速补偿实际的风能生产相对于小时前预测(forecasts in the hour-ahead)的偏离。因而，操作人员需要可靠的短期(例如，2小时前或更短)预测来及时逐步提升发电，否则风能生产的下降可能无法被补偿；需求会超过供给；并且可能会发生限电或停电。如果这样的准确的短期预测不可用，则作为安全措施，备用发电必须保持运行。随着风电穿透率增加，这些波动性和不确定性的影响将会增大，以致最终限制电力系统的整体性能和/或使备用系统保持以高于所需的比率运行因而提高电力成本。因此，准确的短期预测对于整个电力系统的效率正变得越来越重要。