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氣象助跑能源低碳轉型新賽道

發布時間:2023年06月02日 來源:中國氣象報社

編者按

落實中央要求,氣象部門把大興調查研究作為深入開展學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想主題教育的重要內容。面向風能、太陽能等可再生能源產業的服務,是氣象部門服務我國能源結構低碳轉型發展、助力國家生態文明建設和碳達峰碳中和的重點工作之一,展現了中國應對氣候變化的氣象擔當。

近期,中國氣象局應急減災與公共服務司組織全國風光發電氣象服務專家調研組(以下簡稱“調研組”),以“走出去”的方式,實地調研了河北、江蘇、湖北、甘肅、新疆多家風電光伏發電企業(場站),尋求解決服務難點的突破點,凝練改進服務質量的思路舉措,助力可再生能源產業在新賽道行穩致遠。

聚焦風光發電功率預報、風光場站和電網安全運行

氣象保障展開調研,加強和改進新能源產業氣象服務——

無限“風光”氣象點亮

甘肅酒泉的茫茫戈壁上,風機葉片隨風轉動,將大風變成點亮萬家的電能;江蘇濱海海岸沿線36公里外,一排排約百米高的海上“大風車”,在旋轉中將電通過海底電纜輸送至陸地;湖北隨縣綿延的山谷里,藍色的光伏發電板整齊“列隊”,將陽光化作電能……

一年前,國務院印發的《氣象高質量發展綱要(2022—2035年)》明確提出,強化氣候資源合理開發利用;今年的《政府工作報告》強調,加快建設新型能源體系。風能、太陽能作為新型能源,前景廣闊。

曾經,高山、荒漠、草原、海上等從春刮到冬的風、曬得人睜不開眼睛的陽光,在氣象與風電光伏電力企業的合作開發利用下,已成為推動我國能源結構轉型、綠色發展以及應對氣候變化、實現碳達峰碳中和的重要能源。

“算準”發電功率——

考核成本降低,經濟效益增加

隨著《發電廠并網運行管理實施細則》和《并網發電廠輔助服務管理實施細則》(以下簡稱“兩個細則”)出臺,風電、光伏等新能源發電企業作為并網主體被納入考核范圍,其中,功率預測準確率是場站和電網最關注的考核指標。

簡單來說,功率預測就是將風、光等氣象要素預報結論輸入發電功率模型,計算風、光電場最終能發多少度電。電網調度部門根據預測結論形成生產調度計劃,據此并網發電、輸電,最終在電力市場完成交易。因此,無論是風電還是光伏電,其功率預測嚴重依賴氣象預測準確率。

內蒙古某風電企業相關負責人介紹,該企業每天根據自治區氣象局的風速風向、濕度等預報結論預估發電量后傳給電網公司,由公司據此制定發電計劃,決定是滿發、部分發還是限制發。

“如果氣象預測預報準確,企業‘兩個細則’的考核成本大大降低;另一方面,發電量數據預估得越準,電力交易的收益就越高?!痹撠撠熑私榻B。比如,氣象部門預估風力可達10米/秒及以上,即可實現風力滿發,在預估滿發電量后,所有電量將全部掛出去交易。如果預測滿發,而實際風力達不到條件,則因無法完成交易量而造成一定損失。

中國氣象局公共氣象服務中心高級工程師、調研組成員袁彬介紹,此次調研的省級氣象服務中心均組建了專門的能源氣象服務團隊,并自主開發了部署于場站的風能、光伏發電功率預測系統。截至今年4月底,河北、江蘇、湖北、甘肅、內蒙古等15個省級氣象部門開展了面向場站的風光功率預報預測服務以及面向國家電網省級公司的氣象服務,服務風光發電場站132個,主要開展風能、太陽能資源評估,風光電站發電功率預報、氣象災害預警,以及場站發電設備、輸電線路氣象安全保障等工作。

調研顯示,氣象預測發電功率準確率目前基本滿足風電企業運行要求。其中,湖北能源氣象團隊研發的面向發電企業省級集控中心的集中式功率預測系統、面向省電網公司調度中心的集新能源發電功率區域級預測和用電負荷預測于一體的智能電力預測系統平臺,不僅為省內5個風電場、4個光伏電站提供了功率預測服務,還為新疆、內蒙古、山西、甘肅等地氣象部門提供了技術和系統支撐。

目前,湖北省風功率短中期預報每日更新2次,月均次日預報準確率達到83%及以上;超短期預報每15分鐘更新一次,月均準確率達到用戶要求。此外,甘肅短期功率預測、可用發電功率預測基本滿足用戶要求;河北光短期功率預測月均準確率87.2%,基本滿足考核要求。

準確的預報、個性化的服務,在為風光電站降低考核成本的同時帶來了可觀的經濟效益。2022年,華電華殷光伏直調電站在購買和使用湖北氣象服務中心的光功率預測系統后,在當年的預報準確率考核中獲得省電網公司獎勵13萬元。

4月18日,調研組在華電湖北隨縣殷店光伏電站調研湖北省氣象局自主研發的光伏功率預測系統的應用情況。成馳 攝影

專注運行保障——

助力企業筑牢安全生產屏障

“如遇不利天氣,會提前收到氣象部門的預警信息,這為我們企業采取應對措施打出了提前量?!眱让晒拍筹L電企業相關負責人說,所有風電設備均安裝了防雷設施。

由于風電、光伏等發電項目大多處于偏遠山區(頂)、曠野、戈壁、草原等區域,地形復雜、天氣多變,直接影響電力設備的安全和發電效率。

“有時候,凍雨等天氣會造成輸電線路覆冰、大風會導致電線舞動等。一旦收到預警信息,必須安排技術人員加強巡視、及時應對,減少和避免輸電線路的事故?!焙颖蹦畴娏据旊娺\檢中心負責人介紹。

基于此,部分省級氣象部門開發了服務產品,有針對性地為風光發電站和電網公司提供預報預警產品,為筑牢安全生產第一道防線打下基礎。

依托海上風電氣象服務保障平臺,國家電投江蘇海上風電公司可實時獲取未來7天天氣預報,每小時獲取風速、霧霾、浪涌等信息;氣象部門會提前1至2天發布預報和預警,并及時通知海上風電公司、海事、漁政等及時調整作業。該公司發電部場站站長吳壽康表示,海上風電氣象服務保障平臺運行后效果良好,取得了不錯的效益,這得益于近年來與江蘇省氣象服務中心的全面合作以及建立的區域預警溝通協調機制。

由于海上風電場址的特殊性,海上作業通常需要幾天甚至更長的時間,其間可能遭遇不利天氣或者洋流、潮水等影響?!白鳂I往返、海上施工、設備維護等工作中的天氣預報、預警服務特別重要,尤其是天氣‘窗口期’的精準預報,可以為企業搶抓天氣時機開展海上維護等作業提供重要支撐?!眳菈劭到榻B。

期待深入合作——

預報預警更精準,釋放數據“紅利”

2022年,《中國氣象局提升氣候資源保護利用能力的指導意見》和《風能太陽能資源氣象業務能力提升行動計劃(2021—2025年)》先后印發,明確到2025年全面提升風能太陽能監測精密、預報精準、服務精細能力。

袁彬介紹,此次實地調研的目的是總結經驗、查找服務中存在的不足并推動解決問題;與省級氣象服務中心、企業相關人員探討,碰撞出更多氣候資源開發利用的良策,更好服務我國能源結構低碳轉型。

目前,氣象部門對轉折性天氣的功率預測水平與企業的實際需求存在一定差距;風光數值預報模式與歐洲數值預報模式相比,時間和空間分辨率也有待提高。在預報時效方面,相關企業希望高溫、山火風險、電線和風機覆冰、臺風、暴雪等天氣能提前3天以上得到預報信息;對于局地性較強的災害,如強對流、雷電、山洪和地質災害等,則希望提前1天以上獲取風險預報,提前2小時至6小時獲得預警信息,以便留出足夠的時間采取措施應對。此外,在空間分辨率方面,由于新能源場站和輸電線路設施等通常布設在山脊、海上等偏僻位置,均需要精細化到線路和場站所在位置的預警信息。

海上風電產業發展迅猛、前景廣闊,但實際操作面臨諸多困難。江蘇某海上風電公司相關負責人表示,海上風電非常依賴氣象服務,項目在選址、核準階段,企業需要了解所選地址的歷史氣象數據,而這又是目前最缺乏的資料。

下一步,海上風電項目需要向深海遠海拓展,這其中風力風速、潮汐等數據缺乏,也會影響項目建設、規劃以及宏觀微觀選址。此外,由于風電場位置偏遠等原因,氣象站建設極為困難,因此也造成氣象數據稀缺、代表性不足等問題。相關風電企業建議,增加風電場觀測資料,為提高預報準確率提供數據支撐。

針對目前氣象服務與新能源產業實際需求之間的差距,調研組建議,發揮氣象部門科技優勢,加強復雜地形、轉折性天氣數值預報核心技術攻關,進一步提高預報準確率;通過搭建國省協同的業務系統,逐步實現產品檢驗評估和“一場一策”服務,采用“賽馬制”為能源企業提供優質的發電場站氣象預報服務。同時,加強與相關部門、風光伏企業的技術開發和應用合作,共同推進風光伏能源產業發展。(簡菊芳 劉蕊

研發全國首個海上風電智能氣象服務系統

江蘇:打造海上“大風車”強勁引擎

5月29日,盡管江蘇省鹽城市多地出現降水過程,但在濱??h國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司H3風電場,一排排百米高的海上“大風車”仍在不停轉動著,溫度、濕度、風速、氣壓等氣象要素實時顯示在場內升壓站。

江蘇省海上風電資源占全國的60%,累計裝機容量達1182.3萬千瓦,占全國的46.5%,同時還是國家規劃的大型清潔能源基地,并且正持續建造“海上三峽基地”。

發展海上風電產業,選址、天氣窗口期預報、風功率預測和人船管理等環節都離不開氣象服務保障。為保障生產安全、提高建設效率,江蘇省氣象部門重點開展了大風、海浪、海霧、臺風、強對流等天氣對海上風電場的影響機理及預報方法研究,并與服務單位一同開展海洋氣象觀測儀器的研制開發、海上風電場觀測方法的研究應用。

此次調研,是江蘇氣象部門持續做好海上風電服務工作的一環。自2017年開展海上風電氣象服務以來,氣象專家曾多次前往風電場、風電企業現場開展調研,了解海上風電開發、利用對氣象的服務需求,進一步完善合作機制、提高服務質量和水平,并建立了完善的江蘇海上風電氣象服務工作機制,覆蓋海上風電場選址、規劃、建設、運行、入網全周期。

江蘇海上風電氣象服務保障平臺。江蘇省氣象局供圖

江蘇省氣象服務中心能源氣象科副科長王博妮介紹,針對強對流、海霧、大風以及熱帶氣旋等高影響天氣,氣象部門利用機器學習多種算法,基于衛星遙感以及雷達資料,結合測風塔數據、升壓站自動觀測資料等,研發了海上風電高影響天氣預報預警技術,可提前預報預警災害影響時間、范圍、發展趨勢,為海上風電設備運轉、資源調度提供參考依據。

另外,氣象部門還打造了全國首個海上風電智能氣象服務系統,可推送并展示風電場周邊升壓站自動觀測站、雷達回波、沿海自動站等觀測數據和氣象、海洋逐小時預報產品及高影響天氣預報預警產品等?;诖?,海上風電企業可及時了解當前天氣、海況以及未來天氣,便于工作安排和開展。

此次實地調研,氣象專家獲悉,海上風電企業正將目光投向深遠海領域。對此,氣象部門正加大海上風電氣象水文監測站網建設力度,進一步填補深遠海范圍氣象、水文觀測的空白,提升海霧、大風等災害性天氣的監測預警能力。

“省氣象部門還將研發適用于深遠海領域的數值模式預報系統,重點關注更高高度、更遠距離的海上風電氣象要素預報,并在風功率預報方面開展研究?!蓖醪┠菅a充道。(陳曉穎)

梳理合作服務清單,破解技術難題

甘肅:“碳”路新能源 服務風光電

預計到2023年底,甘肅省風電、光伏裝機總量可達5000萬千瓦,2025年底可達8000萬千瓦;4條特高壓直流輸電線路橫貫東西,19條省際750千伏線路與陜青寧新四省區相連,新能源電力外送至21個省區市。風和光伏能源豐富的甘肅省,截至2022年底,新能源裝機總量已超過3400萬千瓦……這是近期全國風光發電氣象服務專家調研組在甘肅調研時了解到的。

甘肅省氣象局高度重視新能源氣象服務工作,并充分發揮部門優勢,在需求端、供給端、管理端不斷探索,先后開發了光電功率預測系統、風電功率預測系統以及新能源氣象服務業務平臺,建立了以“兩系統一平臺”為支撐的風能、太陽能氣象服務業務,開展了風光電功率預測、風能太陽能資源評估與預測、高影響天氣服務保障與災害天氣預警等多項新能源氣象服務業務。

以新能源氣象服務創新團隊、西北區域數值預報創新團隊兩個省級創新團隊為基礎,依托中國氣象局指導產品CMA-WSP,甘肅省氣象局開發了“綠?!眳^域模式、智能網格、Grapes_3km等多種數值模式預報產品,為全省新能源產業發展提供了強大的支撐。

近年來,隨著新能源開發規模不斷擴大,甘肅省新能源氣象服務和支撐能力有待于加強,尤其是核心科技支撐能力、氣象服務產品業務應用、氣象服務基礎建設及氣象服務協同創新機制等方面任重道遠。

對此,甘肅省氣象部門多次組織專家到國家電網甘肅省電力公司調研、溝通,梳理了包括新能源功率預測、水電調度、電網安全、災害性天氣預報預警、資源評估等在內的合作服務清單。

下一步,甘肅省氣象部門將按照相關要求,確立高影響天氣服務保障工作方向,并不斷提高區域數值模式預報產品的精細化水平,破解技術難題,將功率預測模型融入國網甘肅省電力公司新能源數字化平臺中,更好地服務全省新能源產業高質量發展。(于仕琪 劉抗 張文波

依托科技項目,開發完善新能源精細化氣象服務產品

內蒙古:“風電三峽”氣象支撐

5月25日,內蒙古自治區氣象服務中心新能源氣象服務團隊到光伏電場開展需求調研,為加強新能源產業服務能力奠定基礎。近年來,內蒙古氣象部門推進風能、太陽能數值模式及釋用技術研究、產品研發,為全區385家風電場和355家光伏電站穩定運行提供氣象保障,取得良好的經濟社會效益。

結合風電光伏發電需求,內蒙古氣象部門引進NCAR四維同化、預報結果優化和集合預報等先進技術,形成了業務快速更新、系統集約高效、產品更趨精細化的RE-WPPS風能集合預報業務。依托科技項目,先后開展了基于相似卡爾曼濾波的短期風速預報訂正技術研究與應用、基于智能網格的風能中期預報技術研究及應用、基于氣候預測模式的新能源長期預報技術研究與應用,研制了短期風速預報訂正、未來10天逐時精細化預報、未來50天逐日風電光伏發電預報產品。

調研過程中,相關風電場負責人表示,風光發電受天氣影響很大,風功率預測的準確率極為重要。

對此,內蒙古氣象部門建立并逐步完善了基于MM5、WRF等多種中尺度數值預報模式的風能數值預報系統;2021年開展了CMA-Meso模式本地化風能預報釋用,預報能力明顯優于WRF,有利于>20米/秒風速段的預報能力提升;開展了風電場集合概率匹配校準、時間降尺度和多模式融合,形成風機輪轂高度風速融合預報產品;開展了FY-4A地表入射太陽輻射偏差訂正方法研究并投入業務,有效強化太陽輻射數值模式預報效果。一系列研究成果的業務化應用,進一步完善了內蒙古新能源氣象業務支撐體系。

為進一步提升新能源氣象服務效益,2021年,自治區氣象部門與內蒙古科技大學、內蒙古中節能能源公司合作,依托地方自然基金和企業科技項目,開展“多元數據融合的風電場風功率智能預測關鍵技術研究與應用”工作,推進風功率預報技術算法本地化優化研究,在烏蘭察布市中節能聚隆風電場和通遼市夏營地風電場投入業務試用,取得了良好應用效果。

氣象服務中心高級工程師馮震介紹,下一步,內蒙古氣象部門將開展新能源氣象服務網絡客戶端建設,屆時,將形成“電力光纖專線”和“網絡客戶端”兩種互備的服務渠道,為新能源發電企業及時并網消納提供支撐。(高菲

(責任編輯:張林)

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