貴州氣象服務體系在新能源功率預測的問題探討

湯天然，楊 林，周明飛，袁 晨，李 剛，吳昌航

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

貴州能源資源豐富，具有“水火互濟、多能互補”的特點。經過多年發展，能源產業已成為貴州重要支柱產業。經調研，截止2021年10月，全省電力裝機容量(6000 kW以上)7142萬kW，其中，水、風、光等可再生能源裝機達到3634萬kW，占比超過50%；非水可再生新能源裝機1637萬kW，占比由2016年的7.5%上升至22.9%，其中風力發電占比15.9%，光伏發電占比29.1%。

雖然新能源發電技術已相對成熟并被廣泛應用，但相較于傳統火電廠，以風力發電、光伏發電為主的新能源在發電生產過程中容易受到風速、風向、日照、氣溫、氣壓等環境因素的影響，其隨機性、波動性與不可控性比較大。大規模新能源并入電網時，會給系統的穩定運行以及電力調度帶來巨大挑戰。因此，合理用好氣候資源、充分利用氣象要素監測和預報，將對新能源發電“趨利避害”產生積極作用。

1 貴州地理氣候特點以及新能源建設布局

貴州地處青藏高原東南側、云貴高原東斜坡上[1]，是高聳于四川盆地和廣西丘陵間的強烈巖溶化高原山區，山地和丘陵占全省總面積的97%。境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，地形破碎平整度較差，氣候環境復雜，受靜止鋒影響，在秋冬春季，會存在明顯的“晴陰雨”分界，并存在不規律的日變化；而近地風場受地形影響波動較大，風速風向變化缺乏規律。

貴州省光伏發電主要分布于省的西部地區[2]，南部邊緣也有少量分布(圖1)，以集中式光伏電站為主，分布式為輔，但集中式光伏電站受貴州地形影響，大部分修建于山坡、丘陵區域，同一電站光伏板分布也缺乏朝向、排列、海拔、位置的一致性。風力發電同樣受地形影響，主要分布于烏蒙山脈、苗嶺山脈、大婁山山脈、武陵山南段山脈、雷公山區域，沿山脊線、山頂區域修建居多，在運行時的偏航角、排列布局、風機軸海拔、位置上同樣缺乏一致性和規律性(圖2)。因此，復雜的氣候背景和氣象要素的不確定性，對結合氣象要素進行新能源功率預測服務提出了更嚴格的要求，也對貴州氣象事業更深入服務和切入“碳達峰、碳中和”目標帶來新的機遇和挑戰[3-4]。

圖1 貴州光伏發電站分布

圖2 貴州風力發電站分布

2 國內和貴州氣象服務新能源功率預測等能力的現狀

風能、太陽能功率預測氣象服務能力在國家級和諸多省份建設取得明顯進展，但整體產業價值依舊偏低，服務效益不高，原因主要體現在：①風能、太陽能資源精細化監測能力不足。目前的觀測體系主要針對暴雨、雷電等傳統普惠防災減災體系構建，尚未實現對標新能源功率預測等運營需求的氣象要素的高分辨、廣覆蓋、全要素的長時間連續性觀測。②預報核心科技支撐能力不足。國產數值預報模式對風能、太陽能精細化、無縫隙、全要素預報支撐不足，缺乏對多層高度風機輪轂高度風速和地面太陽輻照度等專業需求開展針對性改進和提升。③業務體系不健全和布局不夠科學。目前新能源氣象服務缺乏國省聯動機制，標準、品牌和產品缺乏整體性和統一性，研究和服務分散，未能將技術、人才等資源科學整合。④觀測、預報、服務建設缺乏標準和體系，數據間融合難以對標，服務質量難以客觀評價。

貴州省氣象部門對風、光新能源的氣象服務起始于2010年前后，但到目前為止，主要以提供氣候評估和生態評估報告為主，服務場景較為分散，一次性服務偏多，服務支撐不足，服務效益較低，問題主要體現在：①觀測能力方面，貴州省對太陽能和風能所需的相關氣象要素的長時間序列觀測較為缺乏。貴州省曾建有11個地面輻射站點，但近年來僅貴陽站(站號：57816)具備對輻射相關所有要素的標準化、業務化觀測能力；而對邊界層近地風場的分層觀測目前仍處于起步狀態，僅有3部風廓線雷達支撐，且受地面粗糙度變化干擾影響，風廓線雷達觀測誤差存在一定程度垂直相關[5]，因此若無鐵塔觀測互補，對相關要素觀測精度也會受影響。②預報能力方面，在《預報司關于下發風能太陽能預報現階段氣象支撐產品清單的函》(氣預函〔2021〕68號)文下發之前，貴州省暫無針對風電、光伏所需要素進行業務化服務的中尺度預報產品，包括輻射產品、低空風速產品等。同時，受制于觀測設施，對相關要素進行本地化、時空降尺度檢驗分析時，缺乏數據支撐。因此，在新能源對精細服務的需求下，摸清復雜山地環境天氣氣候規律存在難度。③業務體系方面，目前貴州省體系化的氣象服務以普惠和對政府防災減災、農業氣象服務等為主，但面向新能源行業的專業氣象服務，暫無流程化、平臺化、標準化的全流程服務支撐體系、規范和制度。④信息數據共享壁壘，貴州氣象部門積極響應貴州省“大數據”發展戰略，積極推動氣象數據共享開放，以此挖掘開發利用場景，但是新能源等行業數據開放程度的缺乏，導致數據難以有效融合，服務模式難以深入挖掘。

3 市場需求與支撐困境

根據貴州省新能源建設情況和“十四五”期間規劃，目前和未來氣象服務新能源行業主要將針對水風光一體化、風光水火儲一體化、多能互補等綜合能源開發等以新能源為主體的新型電力系統氣象服務[7]。

短期來看，新能源對氣象服務需求以新能源功率預測的市場空間較大。功率預測板塊在2021年已被納入《風光儲聯合發電站設計標準(GB/T 51437-2021)》中，預報預測系統和氣象要素觀測系統隨建設時標配[6]。但是經調研發現，貴州省對新能源電力上網考核制度和規則暫時缺乏，使得預測業務平臺使用價值難以轉換為商業價值，因此投資建設時一般不會在此版塊進行較大投入，平臺系統通常以低價的預報系統的模式產品支撐，觀測設備等一般不會規范化、標準化安裝。

同時，受制于貴州復雜地形下導致的復雜山地氣候背景，現有的天氣要素預測產品的準確度、空間分辨率等難以迅速滿足發電企業和電網企業的精細時空分辨率要求，若缺乏強有力的資金補貼和考核帶來的商業價值驅動支持，技術能力建設和提升功率預測能力的邊際效益較低。

隨著電力體制改革的進一步深化，電力市場交易、電力現貨市場的啟動，以新能源為主導的新型電力系統產生的“電力商品”將具有“金融屬性”。然而，現階段電力交易市場中二級市場還未成型，相關規則還未成熟，如何將天氣實況要素變化和預測預報的不確定性與電價波動建立量化關系，并在電力現貨交易中通過金融手段形成利差以反哺氣象服務，其中的服務模式和商業模式還需要挖掘。

4 解決方案及建議

隨著“碳達峰、碳中和”目標的持續推進，新能源的運營與市場必然會對專業氣象服務有極大的需求，氣象服務也將會和新能源的發展產生良性互動。為進一步對標“碳達峰、碳中和”目標下的新能源發展，對新能源氣象服務的建設首先應解決觀測精密的需求。可以在縣氣象局等地建立標準化的能源氣象觀測基地，建設時應根據現有新能源設施建設分布和規劃合理組網，適度加密，并通過實況格點技術形成連續、無縫隙、全要素的觀測數據覆蓋；其次，對新能源功率的預報預測能力提升應有針對性的加強，推動對國產預報模式中相關新產品的運用，利用人工智能、機器學習等方法進一步提升模式產品的本地性能。同時，在以新能源功率預測切入新能源氣象服務后，還應進一步挖掘未來以新能源為主的新型電力系統中“源網荷儲”各個環節對氣象要素監測和預報需求，實現服務范圍全覆蓋，服務環節全流程，服務模式多元化。最后，對業務體系和服務模式，也應有針對性的提升和組織，實現國省氣象部門制定標準，國省氣象部門+社會科研主體(院校、企業、專業團隊)推動技術研發，業務體系實現省級指導產品、市州輸送產品、縣區推廣產品聯動。并同時加強與能源部門、能源企業合作，將人才、技術、數據等資源科學有效融合，共同挖掘其中的服務模式和商業模式，提升產品服務效益，推動產業做大做強。

5 結論

①貴州地理特征獨特，導致新能源設施建設布局和影響其運行的天氣氣候因素較為復雜，因此對功率預測的難度和技術配套要求較高。

②新能源功率預測，作為氣象服務切入“碳達峰、碳中和”目標下的新能源建設的重要主體，目前國內和貴州省氣象部門在觀測、預報、服務、運營和管理機制等方面還有較大的提升空間。

③氣象業務服務體系發展和新能源產業的需求銜接還有較大的空間，且不僅局限在技術，還包括標準、體系和商業模式等方面。

④隨著氣象部門的能力提升，對內管理和對外合作體系完善，同時以新能源為主的新型電力系統建設發展和電力體制改革的日趨成熟，將為氣象深度服務新能源產業帶來更多場景和服務效益。