鞠冠章，王靖然，崔 琛，張 沛，司云波，樊小偉，邱 威

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100054；2.北京交通大學(xué)，北京 100044；3.中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100724）

0 引言

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電不同，風(fēng)電和光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電的主要形式，極易受到外界氣象因素的影響，發(fā)電功率呈現(xiàn)出間歇性與波動(dòng)性的特點(diǎn)。常規(guī)氣象條件下，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能夠?qū)π履茉闯隽M(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，天氣波動(dòng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響較小。近年來，隨著全球氣候變暖的加劇，極端天氣的出現(xiàn)更加頻繁，給新能源甚至是電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行都帶來嚴(yán)重影響[1-3]。

新能源裝機(jī)占比較大的美國德州和加州都發(fā)生過風(fēng)電功率短時(shí)大幅下降影響可靠供電的事件[4-7]。2021 年2 月，寒潮天氣席卷美國德克薩斯州，其新能源發(fā)電系統(tǒng)在極寒天氣下停擺，風(fēng)力發(fā)電量下降60%，光伏發(fā)電量下降68%，導(dǎo)致頻率最低跌至59.4Hz 以下[8-10]。2021 年4 月和5 月，新能源裝機(jī)較多的河北、山西、內(nèi)蒙古等地發(fā)生了大范圍的沙塵天氣，光伏發(fā)電量大幅降低[11-12]。2022 年夏季，我國中東部地區(qū)出現(xiàn)1961 年以來綜合強(qiáng)度最強(qiáng)的高溫過程，長江中下游及川渝地區(qū)大面積干旱，四川全省水電日發(fā)電能力從9×108kWh 降低至4.4×108kWh，不得不啟動(dòng)能源供應(yīng)保障一級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，日內(nèi)最大有序用電電力超過2 000×107kW。

本文總結(jié)了各類影響新能源發(fā)電的極端天氣事件，并對極端天氣如何影響新能源發(fā)電設(shè)備進(jìn)行分析，然后使用海量風(fēng)電機(jī)組和光伏電站的環(huán)境監(jiān)測和運(yùn)行數(shù)據(jù)，對寒潮、大風(fēng)、降雪、沙塵等4 類極端天氣情況下風(fēng)電和光伏的機(jī)組出力特性及對電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的影響進(jìn)行分析。最后提出保障極端天氣下電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的措施。

1 極端天氣對新能源和電網(wǎng)運(yùn)行的影響

氣象學(xué)上的極端天氣是指某些地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的歷史罕見的氣象事件，天氣的狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，其發(fā)生概率通常小于5%或10%，在統(tǒng)計(jì)意義上屬于不易發(fā)生的事件。通俗地講，極端天氣事件指50 年一遇或者100 年一遇的小概率事件[13-16]。影響新能源發(fā)電的極端天氣與氣象學(xué)中定義的極端天氣并不完全相同，從風(fēng)力和光伏發(fā)電的角度考慮，能夠?qū)е屡c新能源出力波動(dòng)相關(guān)的氣象因素（如風(fēng)速、輻照度）短時(shí)劇烈變化的天氣都可以稱之為極端天氣。

1.1 極端天氣對新能源運(yùn)行的影響

風(fēng)電、太陽能的發(fā)電能力取決于風(fēng)光資源情況[17]，因此受天氣影響十分顯著。不同極端天氣對新能源運(yùn)行的影響機(jī)理如表1 所示。

1.2 極端天氣對電網(wǎng)運(yùn)行的影響

極端天氣對電網(wǎng)的影響是多方面的，最直接的影響是導(dǎo)致輸變電設(shè)備故障跳閘，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。例如，臺(tái)風(fēng)、雷暴等極端天氣可能導(dǎo)致同一輸電走廊內(nèi)的多條輸電線路同時(shí)發(fā)生故障而停運(yùn)，輕則導(dǎo)致電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移，運(yùn)行方式發(fā)生較大變化，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)失去穩(wěn)定運(yùn)行，造成負(fù)荷損失。

由于新能源出力受天氣影響較大，對于新能源占比較高的電力系統(tǒng)，極端天氣一旦發(fā)生，極容易導(dǎo)致新能源出力的大幅波動(dòng)，破壞電網(wǎng)功率平衡，甚至影響整個(gè)電力系統(tǒng)的供電能力。本文從寒潮、大風(fēng)、降雪、沙塵等極端天氣分析對新能源和電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

2 寒潮對風(fēng)電運(yùn)行影響分析

2.1 寒潮對風(fēng)電機(jī)組的影響

風(fēng)電機(jī)組在低溫下（一般指低于-30 ℃）運(yùn)行時(shí)，零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性將發(fā)生變化，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸢踩鹿省募夹g(shù)層面來講，低溫對風(fēng)電機(jī)組的影響主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面。

1）低溫條件下風(fēng)機(jī)出力特性發(fā)生變化。隨著環(huán)境溫度降低，空氣密度增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特別是失速型機(jī)組的額定出力將增加，可能導(dǎo)致過發(fā)過載現(xiàn)象。另外，低溫時(shí)葉片表面覆冰，會(huì)降低其升力增加阻力，輸出功率降低。風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能也受到表面粗糙度的影響，低溫時(shí)容易出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象，粗糙度增加，翼型的氣動(dòng)性能發(fā)生改變，導(dǎo)致葉片受力不均，振動(dòng)增大，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。低溫天氣（特別是大霧低溫），也有可能對機(jī)械型風(fēng)向標(biāo)有影響，導(dǎo)致機(jī)組對風(fēng)角度與實(shí)際風(fēng)向存在偏差，導(dǎo)致風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率降低，發(fā)電功率下降。

2）低溫對主要機(jī)械部件的影響。傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱、主軸等承受沖擊載荷，這類零部件在低溫時(shí)可能發(fā)生脆性斷裂。鋼材制作塔架的焊縫遇到極低氣溫時(shí)，也容易發(fā)生脆斷，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3）低溫對潤滑油的影響。風(fēng)機(jī)所使用的潤滑油受溫度的影響也較大，一般要求潤滑油在正常的工作溫度條件下需具備適當(dāng)?shù)恼扯纫员３肿銐虻挠湍ば纬赡芰?。溫度越低，油的粘度越大，流?dòng)性變差，機(jī)組在這種情況下難以運(yùn)轉(zhuǎn)，需要潤滑的部位可能得不到充分的潤滑油供給，危及設(shè)備的安全運(yùn)行。

因此，風(fēng)機(jī)制造廠家為風(fēng)電機(jī)組配置了低溫保護(hù)，在環(huán)境溫度過低時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行，避免主要零部件受到損壞而影響風(fēng)機(jī)壽命并導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。目前，我國“三北（東北、西北、華北）”地區(qū)大部分的風(fēng)機(jī)低溫保護(hù)定值設(shè)定為-30 ℃。

2.2 典型寒潮事件分析

2021 年1 月4—9 日，我國經(jīng)歷了一次大范圍寒潮天氣，多地最低氣溫打破歷史記錄。以某省級(jí)電網(wǎng)為例，分析此次寒潮對新能源運(yùn)行的影響。

2.2.1 寒潮事件概述

本次寒潮對新能源運(yùn)行的影響可以分為4 個(gè)階段，如圖1 所示，時(shí)間范圍為2021 年1 月4 日9:00至1 月9 日12:00。

圖1 1月4日-9日寒潮影響停機(jī)容量變化Fig.1 Changes of outage capacity under cold wave from January 4th to 9th

第1 階段（1 月4 日16:00 至1 月5 日24:00）：1 月4 日16:00 起，壩上地區(qū)環(huán)境溫度逐漸下降，該省北部地區(qū)的6 座風(fēng)電場氣溫低于-30℃，出現(xiàn)風(fēng)機(jī)停運(yùn)。1 月5 日白天，隨著氣溫逐漸升高，停運(yùn)風(fēng)機(jī)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

第2 階段（1 月6 日0:00 至1 月7 日12:00）：1 月6 日0:00 起，部分地區(qū)氣溫再次大幅下降，導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組因低溫停機(jī)。1 月6 日23:00，全網(wǎng)風(fēng)電停運(yùn)容量達(dá)到最大值5 809 MW。由于溫度持續(xù)偏低，風(fēng)機(jī)無法重新并網(wǎng)。

第3 階段（1 月7 日12:00 至1 月8 日12:00）：1 月7 日12:00 后氣溫回升，停運(yùn)風(fēng)機(jī)逐漸開始恢復(fù)并網(wǎng)，到1 月7 日20:00，全網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)容量2 931 MW。1 月7 日夜間到8 日凌晨，溫度再次降低，停運(yùn)的風(fēng)機(jī)無法恢復(fù)并網(wǎng)。

第4 階段（1 月8 日12:00 至1 月9 日9:00）：1 月8 日12:00 后，全網(wǎng)溫度普遍回升，停運(yùn)風(fēng)機(jī)陸續(xù)恢復(fù)并網(wǎng)，直到9 日9:00 全部風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

本次寒潮導(dǎo)致該省級(jí)電網(wǎng)55 座風(fēng)電場，3 640臺(tái)風(fēng)機(jī)因氣溫低于最低允許運(yùn)行溫度而停機(jī)，最大停機(jī)容量達(dá)到5 809 MW。風(fēng)電場停機(jī)平均時(shí)長為43 h，最長達(dá)80 h。由于環(huán)境溫度反復(fù)變化，部分風(fēng)機(jī)經(jīng)歷了多次停機(jī)再并網(wǎng)的過程。

2.2.2 寒潮事件影響

由于缺少對歷史低溫停機(jī)氣象數(shù)據(jù)的積累，精確預(yù)測每臺(tái)風(fēng)機(jī)低溫停機(jī)的時(shí)間是一件極其困難的事情，因此目前新能源場站的功率預(yù)測均未考慮低溫停機(jī)的影響，導(dǎo)致一旦出現(xiàn)寒潮，功率預(yù)測曲線將出現(xiàn)顯著偏差，對電力平衡造成較大影響。

以本次寒潮為例，全網(wǎng)預(yù)測和實(shí)測功率曲線如圖2 所示。從圖2 可知，2021 年1 月6 日起全網(wǎng)預(yù)測功率與實(shí)際出力相比出現(xiàn)較大偏差，在1 月6 日夜間最大偏差達(dá)到5 000 MW。

圖2 1月4日-9日寒潮期間預(yù)測與實(shí)發(fā)功率對比Fig.2 Comparison of forecast and actual power under cold wave from January 4th to 9th

寒潮期間用電負(fù)荷上升，高峰時(shí)段需要足夠的有功支撐，而本次寒潮造成了大量風(fēng)機(jī)停運(yùn)，由于氣溫持續(xù)偏低，很多風(fēng)機(jī)無法恢復(fù)并網(wǎng)，對電網(wǎng)電力平衡造成極大影響。電網(wǎng)調(diào)度部門不得不通過緊急調(diào)用聯(lián)絡(luò)線支援，才避免采取臨時(shí)限負(fù)荷措施。

需要說明的是，由于該省級(jí)電網(wǎng)地區(qū)緯度較高，空氣干燥，本次寒潮中絕大部分風(fēng)機(jī)是因?yàn)闇囟鹊陀诒Ｗo(hù)定值而停機(jī)，很少有風(fēng)機(jī)發(fā)生葉片覆冰現(xiàn)象。

3 大風(fēng)對風(fēng)電運(yùn)行影響分析

3.1 大風(fēng)對風(fēng)電機(jī)組的影響

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)承受多種復(fù)雜的力矩作用，如風(fēng)輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)、偏航運(yùn)行產(chǎn)生的周期性載荷，風(fēng)速隨機(jī)變化及復(fù)雜的湍流產(chǎn)生的隨機(jī)載荷等。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速達(dá)到風(fēng)電機(jī)組所能承受的最大風(fēng)速以上時(shí)，機(jī)組的風(fēng)能捕獲量會(huì)提高，但極限和疲勞載荷增加，影響機(jī)組壽命。因此，風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速過大時(shí)應(yīng)自動(dòng)切出運(yùn)行，避免出現(xiàn)塔架倒塌、葉輪飛車等事故。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的最大風(fēng)速稱為切出風(fēng)速，通常切出風(fēng)速分為若干檔，分別對應(yīng)不同的切出動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)機(jī)艙測風(fēng)儀測量風(fēng)速超過切出風(fēng)速且持續(xù)時(shí)間超過切出動(dòng)作設(shè)定時(shí)間后，機(jī)組將切出運(yùn)行，停止發(fā)電。

3.2 典型大風(fēng)事件分析

2019 年5 月19 日，受強(qiáng)冷空氣影響，華北地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)降溫天氣，由于大風(fēng)影響，某省電網(wǎng)部分風(fēng)電場發(fā)生大范圍的大風(fēng)停機(jī)。

3.2.1 大風(fēng)事件概述

2019 年5 月19 日04:00，冷空氣鋒面進(jìn)入華北地區(qū)，從05:00 起，部分風(fēng)電場由于風(fēng)速超過切出風(fēng)速發(fā)生風(fēng)機(jī)停機(jī)。隨著冷空氣快速經(jīng)過該地區(qū)，從19 日08:00 到中午陸續(xù)有風(fēng)電場因風(fēng)速超過切出風(fēng)速而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切出。19 日14:00 以后，風(fēng)速減小，風(fēng)電機(jī)組陸續(xù)開始恢復(fù)并網(wǎng)。

本次大風(fēng)過程共造成68 座風(fēng)電場發(fā)生停機(jī)，占總風(fēng)電場數(shù)量的78%。停運(yùn)風(fēng)機(jī)4 320 臺(tái)，占風(fēng)機(jī)總數(shù)的52%。

3.2.2 大風(fēng)事件影響

以本次大風(fēng)過程為例，全網(wǎng)風(fēng)電預(yù)測和實(shí)發(fā)功率曲線如圖3 所示。從圖3 可知，2019 年5 月19日10:00 至23:45，全網(wǎng)風(fēng)電預(yù)測功率與實(shí)際功率出現(xiàn)較大偏差，5 月19 日14:30 最大偏差達(dá)到4 165 MW，平均偏差2 099 MW。由于正值白天負(fù)荷高峰時(shí)段，超過4 000 MW 的功率缺額已超過電網(wǎng)備用容量，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰資源緊張。

圖3 5月19日全網(wǎng)風(fēng)電功率變化情況Fig.3 Changes of wind power on May 19th

不同于低溫，大風(fēng)造成的風(fēng)電機(jī)組停機(jī)過程持續(xù)時(shí)間更短，功率波動(dòng)變化更劇烈，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟停也更頻繁。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)信息，共發(fā)現(xiàn)有3 047 臺(tái)風(fēng)機(jī)啟停機(jī)的次數(shù)超過2 次，占切出風(fēng)機(jī)總數(shù)的71%。某個(gè)風(fēng)電場平均每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組反復(fù)啟停8.2 次。

以華北地區(qū)某風(fēng)電場2 號(hào)風(fēng)機(jī)為例，反復(fù)并網(wǎng)情況如圖4 所示。

由圖4 可知，2019 年5 月19 日，11:32 時(shí)該風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)速為27.32 m/s，達(dá)到保護(hù)定值切出，14:40 當(dāng)風(fēng)速降到17.6 m/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)恢復(fù)并網(wǎng)。從11:30到17:30，該風(fēng)機(jī)共發(fā)生3 次自并網(wǎng)后再停機(jī)過程，直到第4 次并網(wǎng)后才恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖4 5月19日某風(fēng)電場2號(hào)風(fēng)機(jī)啟停機(jī)情況Fig.4 Changes of No.2 wind turbine on May 19th

4 降雪對新能源運(yùn)行影響分析

4.1 降雪對風(fēng)電機(jī)組的影響

降雪對風(fēng)機(jī)塔筒和葉片危害很小，其危害主要在機(jī)艙部分。在風(fēng)的作用下降雪會(huì)飄落到機(jī)艙內(nèi)部，滲透到?jīng)]有密封的齒輪箱和發(fā)電機(jī)箱，對齒輪箱、發(fā)電機(jī)箱穩(wěn)定性和可靠性造成影響。當(dāng)降雪附著到機(jī)艙與設(shè)備散熱孔處，會(huì)阻礙風(fēng)機(jī)內(nèi)部的空氣循環(huán)系統(tǒng)與散熱系統(tǒng)工作，導(dǎo)致機(jī)艙散熱受阻，機(jī)艙長時(shí)間散熱受阻時(shí)，內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行效率和使用壽命會(huì)大幅降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)艙內(nèi)部過熱，導(dǎo)致部分組件起火。

機(jī)艙后部安裝有風(fēng)速風(fēng)向儀，其上裝有傳感器，受環(huán)境影響較大，當(dāng)降雪附著在風(fēng)速風(fēng)向儀上，會(huì)使測風(fēng)數(shù)據(jù)失真，影響風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)確偏航變槳，最終影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。

4.2 降雪對光伏發(fā)電的影響

光伏組件受陽光輻射、焦耳熱、空氣熱傳導(dǎo)等因素影響，本身有一定的溫度，加上風(fēng)的作用，小雪時(shí)光伏組件上幾乎沒有積雪，因此小雪對光伏系統(tǒng)出力影響不大。當(dāng)降雪量大時(shí)，積雪覆蓋光伏組件表面，光伏組件接收到的陽光輻射、空氣熱傳導(dǎo)以及自身產(chǎn)生的焦耳熱都很少，積雪在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)融化，會(huì)對陽光輻射造成一定的遮擋，積雪厚度越大遮擋越嚴(yán)重，因此在降雪期間和雪后一定時(shí)間內(nèi)對光伏系統(tǒng)有功出力影響較大。

4.3 典型降雪事件分析

2020 年3 月25 日，華北地區(qū)出現(xiàn)大范圍降雪，降雪后第2 天全網(wǎng)日前功率預(yù)測和實(shí)測功率曲線如圖5 所示。從圖5 可知，全網(wǎng)預(yù)測有功最大出力達(dá)到2 600 MW，而實(shí)測最大有功出力僅為1 050 MW，二者偏差較大，最大偏差出現(xiàn)在13：00，達(dá)到1 600 MW。

圖5 3月26日降雪對功率預(yù)測的影響Fig.5 Effect of snowfall on power forecasts on March 26th

究其原因，由于缺少對大雪等極端天氣數(shù)據(jù)的積累，且準(zhǔn)確預(yù)測光伏電站所在區(qū)域降雪量大小和光伏板積雪厚度的難度很大，因此光伏電站的日前功率預(yù)測均未考慮降雪對有功出力的影響。導(dǎo)致一旦出現(xiàn)大范圍降雪，光伏功率預(yù)測曲線出現(xiàn)明顯偏差。

融雪期間一般氣溫較低，用電負(fù)荷增大，正需要光伏發(fā)電系統(tǒng)提供有功支撐，而此時(shí)光伏組件被積雪覆蓋，不能按照正常的光伏輻射-功率曲線提供有效的有功出力。由于預(yù)測偏差，電網(wǎng)調(diào)度部門按照日前功率預(yù)測進(jìn)行的發(fā)電計(jì)劃安排也無法考慮降雪的影響，導(dǎo)致實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電力平衡十分緊張。

5 沙塵對新能源運(yùn)行影響分析

5.1 沙塵天氣分類

沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中使空氣渾濁，能見度下降的一種天氣現(xiàn)象。根據(jù)氣象部門規(guī)定，沙塵天氣可以按照表2 進(jìn)行分類。沙塵天氣下空氣中的可吸入顆粒物（Particulate Matler 10，PM10）和總懸浮顆粒物（Total Susperded Particulate，TSP）濃度大大增加，造成地表太陽輻射降低，而且大氣中的沙塵會(huì)隨著大氣系統(tǒng)從塵源地向其他地方移動(dòng)，經(jīng)過區(qū)域都會(huì)受到其影響。當(dāng)其過境后，輻照度又會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)，這也會(huì)造成光伏出力的大范圍波動(dòng)。

表2 沙塵天氣類型Table 2 Dust weather type

5.2 沙塵對光伏發(fā)電的影響

5.2.1 沙塵對輻照度的影響

沙塵天氣最直接的影響是降低太陽輻照度，影響光伏發(fā)電出力。大氣層的主要成分是水汽、氣溶膠等微小顆粒，對于這些物質(zhì)的變化趨勢，目前可以使用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)配合超大型計(jì)算機(jī)來進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。而當(dāng)出現(xiàn)大范圍的沙塵時(shí)，會(huì)對地外的太陽輻射產(chǎn)生反射、折射和散射作用。隨著大氣的運(yùn)動(dòng)，不同物化性質(zhì)、不同粒徑的沙塵顆粒被卷入其中，其對太陽輻照度衰減效應(yīng)的機(jī)理十分復(fù)雜，至今沒有很好地?cái)?shù)學(xué)理論解釋，更難以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

5.2.2 沙塵對光伏面板的積灰作用

根據(jù)光生伏特理論，光伏面板直接將表面接收到的光照轉(zhuǎn)換為電流，太陽輻照度越大，轉(zhuǎn)換的電流也就越大。但是光伏面板長時(shí)間暴露在空氣中容易積灰，灰塵顆粒表面比較粗糙和不規(guī)則，會(huì)對輻照度造成散射和反射作用，統(tǒng)稱為衰減效應(yīng)。沙塵經(jīng)過某一區(qū)域后，部分粒徑較大、質(zhì)量較大的顆粒會(huì)沉降到光伏面板表面[18]。當(dāng)天氣恢復(fù)到正常情況時(shí)，即使地表太陽輻照度不受天氣影響，但是光電轉(zhuǎn)換的效率也會(huì)降低。

5.3 典型沙塵天氣分析

2021 年初，受到超強(qiáng)沙塵暴波及，我國內(nèi)蒙古、河北、山西等地均出現(xiàn)了大范圍的沙塵天氣。其中，2021 年3 月15 日和3 月27 日，某省級(jí)電網(wǎng)發(fā)生了幾年來最強(qiáng)的沙塵天氣。該地區(qū)某光伏電站（裝機(jī)容量100 MW）在這2 天的出力曲線分別如圖6，圖7 所示。

圖6 2021年3月15日光伏電站功率曲線Fig.6 Power curve of photovoltaic power station on Mar 15，2021

圖7 2021年3月27日光伏電站功率曲線Fig.7 Power curve of photovoltaic power station on Mar 27，2021

從圖6 和圖7 可知，光伏出力的波動(dòng)性較為明顯，但波動(dòng)特性有所不同。其中3 月15 日被沙塵籠罩后，電站出力呈現(xiàn)出較強(qiáng)的短時(shí)波動(dòng)特性，最大出力為51.81 MW。但在3 月27 日，正值沙塵鋒面經(jīng)過該電站，因此電站出力有一個(gè)較大的跌落，完全被沙塵籠罩后，出力一直維持在一個(gè)較低水平。

6 應(yīng)對極端天氣的調(diào)度運(yùn)行措施

極端天氣的發(fā)生不但影響新能源出力水平，也會(huì)危及輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至可導(dǎo)致多重故障的發(fā)生，破壞電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[19-21]。對于新能源成為供電主體的電力系統(tǒng)而言，極端天氣將威脅到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而目前電網(wǎng)公司和新能源企業(yè)對于極端天氣的觀測手段主要依賴于氣象部門提供的預(yù)報(bào)服務(wù)，由于缺少歷史預(yù)測數(shù)據(jù)的積累，很難對極端天氣做出準(zhǔn)確地預(yù)測和預(yù)警。為此，本文提出4 點(diǎn)應(yīng)對措施。

1）加強(qiáng)極端天氣的監(jiān)測與預(yù)警。極端天氣信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測對于后續(xù)的預(yù)測預(yù)警具有重要意義，為了及時(shí)準(zhǔn)確地觀測到極端天氣，建議加強(qiáng)和氣象部門合作，在新能源電站集中地區(qū)安裝氣象測量設(shè)備，既能夠?qū)O端天氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，也能夠積累極端天氣對新能源影響的實(shí)際數(shù)據(jù)[22-25]。

2）提升極端天氣下電力系統(tǒng)的供電能力。極端天氣的發(fā)生將顯著影響新能源出力水平，對于高比例新能源電力系統(tǒng)，這種影響將降低電力系統(tǒng)的供電能力，甚至可能造成負(fù)荷損失。因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)和電網(wǎng)運(yùn)行中，必須從源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)力，在電源側(cè)增加快速調(diào)節(jié)電源比例，在電網(wǎng)側(cè)增加區(qū)域或省級(jí)電網(wǎng)間的互濟(jì)能力，同時(shí)配套建設(shè)具有一定時(shí)長的儲(chǔ)能設(shè)備，提升極端特殊情況下電網(wǎng)的供電能力。

3）開展極端天氣下新能源預(yù)測技術(shù)研究。國內(nèi)外關(guān)于極端天氣的新能源功率預(yù)測技術(shù)研究較少，建議針對幾類較為常見的極端天氣，例如沙塵、強(qiáng)對流等天氣展開研究，明確極端天氣下影響新能源發(fā)電的主要因素和影響機(jī)理，提升極端天氣下新能源發(fā)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確率。同時(shí)，建立針對新能源發(fā)電的天氣分類標(biāo)準(zhǔn)，并建立影響新能源發(fā)電因素的詳細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4）做好極端天氣下電網(wǎng)事故預(yù)案和應(yīng)急處置。建議編制事故預(yù)案時(shí)應(yīng)考慮極端天氣可能帶來的影響，做好新能源出力短時(shí)內(nèi)大幅降低、同一輸電通道多回線路同時(shí)故障、電網(wǎng)解列甚至失去部分負(fù)荷等極端情況的應(yīng)急處置預(yù)案。同時(shí)，完善應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，提升調(diào)度運(yùn)行人員的應(yīng)急處置能力。

7 結(jié)語

本文分析了氣象學(xué)上對極端天氣的定義及幾種常見極端天氣，并從影響新能源發(fā)電和電網(wǎng)運(yùn)行的角度出發(fā)，對極端天氣的概念進(jìn)行了擴(kuò)充。以實(shí)際出現(xiàn)的極端天氣案例為研究對象，分析了寒潮、大風(fēng)、降雪、沙塵等極端天氣影響新能源發(fā)電和電網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)理，最后提出了面對極端天氣時(shí)保障電力可靠供應(yīng)和電網(wǎng)安全運(yùn)行的調(diào)度運(yùn)行措施。隨著新能源滲透率的逐步提高，極端天氣對電網(wǎng)運(yùn)行的影響越來越大，如何精確地對極端天氣進(jìn)行預(yù)測預(yù)警并提高電力系統(tǒng)抵御極端事件的韌性是進(jìn)一步研究的方向。