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Benefits of physical and machine learning hybridization for photovoltaic power forecasting

光伏系统 均方误差 辐照度 计算机科学 一致性(知识库) 太阳辐照度 数值天气预报 功率(物理) 集合(抽象数据类型) 人工智能 机器学习 气象学 工程类 数学 统计 电气工程 物理 量子力学 程序设计语言
作者
Martin János Mayer
出处
期刊:Renewable & Sustainable Energy Reviews [Elsevier]
卷期号:168: 112772-112772 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.rser.2022.112772
摘要

Irradiance-to-power conversion is an essential step of state-of-the-art photovoltaic (PV) power forecasting, regardless of the source and post-processing of irradiance forecasts. The two distinct approaches for mapping the irradiance forecasts to PV power are physical and data-driven, which can also be hybridized. The contribution of this paper is twofold; first, it proposes a concept and identifies the best implementation of a hybrid physical and machine learning irradiance-to-power conversion method. Second, a head-to-head comparison of the physical, data-driven, and hybrid methods is performed for the operational day-ahead power forecasting of 14 PV plants in Hungary based on numerical weather prediction (NWP). To respect the rule of consistency but still obtain as complete picture as possible, two directives are set, namely minimizing the mean absolute error (MAE) and minimizing the root mean square error (RMSE), and separate sets of forecasts are optimized for both directives. The results reveal that for two years of training data, the hybrid method that involves the most physically-calculated predictors can reduce the MAE by 5.2% and 10.4% compared, respectively, to the optimized physical model chains and the machine learning without any physical considerations. The two most important physical modeling steps are separation and transposition modeling, and the rest of the physical PV simulation can be left to machine learning in hybrid models without a significant increase in the errors. The optimization of the physical model chains is found to be important even in the case of hybrid modeling; therefore, it should become a standard procedure in practical applications. Finally, the hybrid method is only beneficial for at least one year of training data, while in the initial period of the operation of a PV plant, it is advised to stay with optimized physical modeling. The guidelines and recommendations of this paper can help both researchers and practitioners design and optimize their power conversion model to increase the accuracy of the PV power forecasts.
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