1、能源基金会中国资助项目中国风电预报体系研究中国风电预报体系研究报告中国气象局公共气象服务中心中国气象局风能太阳能资源中心 2013 年 10 月能源基金会中国资助项目中国风电预报体系研究I目 录1 概述 .11.1 立项目的和意义 .11.2 风电预报相关政策轨迹 .22 国内外数值预报技术现状对比分析 .42.1 引言 .42.2 全球数值预报模式技术对比 .52.3 区域数值预报模式技术对比 .72.4 资料同化技术对比 .92.5 集合预报技术对比 .123 我国风电预报技术现状和发展方向 .173.1 数值天气预报的来源和制作现状 .173.2 风电场观测资料在风电预报中的应用 .19
2、3.3 我国风电预报现状评价 .203.4 我国未来风电预报技术发展路线图 .214 国内外风电预报体系对比分析 .234.1 政府支撑和公共服务 .234.2 美国风电预报体系的特点 .264.3 中美风电预报体系的对比 .29能源基金会中国资助项目中国风电预报体系研究II5 中国未来的风电预报体系 .325.1 基础技术研究 .345.2 公共服务支撑 .345.3 市场化服务 .355.4 风电预报应用 .356 附件 .37能源基金资助项目中国风电预报体系研究1中国风电预报体系研究报告1 概述1.1 立项目的和意义我国已成为全球风电装机第一大国，但因尚未很好得解决风电与电网协调发展问题
3、，同时也是弃风率较高的国家之一。至2012年底，全国风电装机容量已达到6524.72万KW，弃风问题非常严重，国家能源局统计数据显示，2012年全国风电弃风率高达17.12%，其中，蒙东和吉林弃风率超过30%，蒙西和甘肃弃风率超过20% ，全国因弃风损失电量达208.22亿千瓦时，严重影响了风电场的经济效益。国外风电发达国家的实践证明，风电预报是科学安排风电场运行管理、有效提高电网消纳风电能力的重要技术措施之一。目前，风电开发利用效率高、技术先进的欧美等国已建立了科学、完善的风电功率预测技术体系和高效、经济的服务管理机制。但我国风电预报起步晚，相应的基础条件、技术水平、服务能力等与美国、欧洲等
4、发达国家相比存在很大差距，更远远跟不上我国风电开发快速发展的需要。尽快建立适于中国实际需要的、能够有效促进我国风电预报技术和服务能力快速发展的风电预报体系显得尤为紧迫。本项目是在中国政府于2011年6月颁布的风电场功率预测预报管理暂行办法和2012年1月印发的风电功率预报与电网协调运行能源基金资助项目中国风电预报体系研究2实施细则（试行） 原则指导下，通过广泛、充分的调研，结合中国风能资源特点和风电发展需求，立项研究适于中国的风电预报体系，提出构建科学、可持续、可操作的中国风电预报技术发展方案。1.2 风电预报相关政策轨迹为促进我国风电并网和保障电力系统安全运行，国家能源局于2011年6月印发
5、了风电场功率预测预报管理暂行办法(国能新能2011177号)，要求全国所有并网运行风电场均需具备风电功率预测预报的能力，配备专职人员负责系统运行维护、预测预报管理和向电网调度机构实时传送数据等工作。 办法明确提出了风电预测预报系统的基本功能要求以及风电场预测准确性的考核指标，为促进我国风电功率预报工作的开展起到了极大的推动作用。 办法的试行，推动了全国绝大多数已并网风电场快速安装了风电功率预报系统，但逐渐出现一些与政策设计相悖的问题浮出水面，比如缺乏数值天气预报的有效支撑，风电预报准确性和稳定性不理想，惩罚性考核背离了办法设计初衷等。为正确理解、贯彻落实办法 ，国家能源又于2012年1月印发了
6、风电功率预报与电网协调运行实施细则 （特急 国能新能201212号） ， 细则对办法做了进一步解释和补充，指出了数值天气预报作为风电预测预报的基础对提高风电预测预报水平的重要支撑作用，并提出由中国气象局负责建立风能数值天气预报公共服务平台，负责制定风电预测预报专业观测网建设和运行技术能源基金资助项目中国风电预报体系研究3规定以及风电预测预报专业观测网数据的提交和共享服务工作， 细则的执行为我国风电预报技术的持续发展起到了积极的作用。2013年2月，国家能源局印发国家能源局关于做好2013年风电并网和消纳相关工作的通知(国能新能 201365号) ，对弃风限电问题提出了系统性的对策：1）将风电利
7、用率与风电开发联系起来风电运行情况好的地区可适当加快建设进度，风电利用率很低的地区在解决严重“弃风 ”问题之前原则上不再扩大风电建设规模；2）强调因地制宜开展风电并网消纳工作提出从风电供热、风水互补、输电通道建设、打破行政区域限制、挖掘系统调峰潜力等多种渠道解决弃风限电问题。能源基金资助项目中国风电预报体系研究42 国内外数值预报技术现状对比分析2.1 引言风电功率预报是为保障风电并网的安全高效运行而提供的一种不可间断的、具有一定准确度的、稳定的业务化电力预测数据产品，而可靠地数值天气预报则是开展风电功率预报的核心和基础。数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算
8、机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。全世界已有 30 多个国家和地区把数值天气预报作为制作日常天气预报的主要方法。数值天气预报根据预报的时间尺度可分为两类：12 天的短期数值天气预报和 710 天左右的中期数值天气预报。中期数值天气预报覆盖全球，也可称之为全球数值预报，其分辨率相对较粗，模式顶高度较高。短期数值天气预报的范围只是某个有限的区域，也常称之为区域数值天气预报，其分辨率相对较高，模式顶较低，物理过程参数化方案相对较复杂。制作一份较为可靠的数值天气预报，至少需要运行全球环流数值模式、区域数值模式和统计订正模型（见
9、图 1） 。决定数值天气预报产品质量（准确性、稳定性）的关键技术包括：（1）全球和区域数值预报模式技术能力；（2）实时观测资料的同化技术；（3）数值预报模式集合技术；（4）数值预报解释应用技术（即动力降尺度能源基金资助项目中国风电预报体系研究5和统计订正技术） 。图 1 支撑风电预报业务的数值模式和模型及流程本报告就我国与欧美发达国家在全球和区域数值预报模式、资料同化和模式集合技术现状及其在风电领域中的应用能力等方面进行对比分析。2.2 全球数值预报模式技术对比全球数值预报模式的预报产品可作为区域数值预报模式的初始场和边界条件，其性能和预报产品质量对区域数值模式的预报效果有直接影响。世界主要数
10、值预报业务中心的全球数值预报模式水平分辨率基本在 16-30km 之间，目前国际上技术最先进、使用最广泛的全球预报模式产品有欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的模式产品、美国 NCEP 的模式产品等。在我国，气象部门还广泛使用自主研发的T639 模式、 GRAPES 模式等数值天气预报产品。全球数值预报模式区域数值预报模式统计订正模型风电功率预报业务产品能源基金资助项目中国风电预报体系研究6上述模式产品在水平分辨率、垂直层数、运行次数、核心技术等方面均有不同。表 1 全球数值预报模式基本技术指标国家/机构 模式名称水平分辨率（km）垂直层（层）同化技术每日运行次数（次）ECMWF TL1279
11、 16 91 集合变分同化 4 NCEP T574 28 64 混合三维变分同化 4 全球数值预报模式CMA T639 30 60 三维变分同化 2 由表 1 可见，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的全球模式TL1279 预报产品水平分辨率约为 16km，垂直 91 层，每天运行 4 次，同化系统为集合变分同化；美国 NCEP 的全球模式 T574 预报产品分辨率约为 28km，垂直 64 层，每天运行 4 次，同化系统采用混合三维变分同化技术；中国气象局的全球模式 T639 预报产品分辨率约为 30km，垂直方向 60 层，每天运行 2 次，同化系统采用三维变分同化技术。能源基金资助项目中
12、国风电预报体系研究7总体来看，中国目前可业务化的全球预报模式分辨率较低，垂直层数较少，同化技术相对落后。2.3 区域数值预报模式技术对比区域数值预报模式主要着眼于本地化应用，具有本地化特点，具备条件的国家或地区都在发展自己的区域数值预报模式，并且由于发展基础的差异，不同模式在核心技术、精细化程度等方面都有不同。美国的区域模式采用了多个高分辨率窗口的设计，只对必要的区域运行多个高分辨率中尺度模式，分辨率在 3-6km 之间，在外围嵌套一个分辨率 10km 左右的网格进行运算，垂直方向为 70 层，同化系统采用三维变分技术，一般每日运行两次，每次预报时效为48hr（需查证） 。英国区域模式产品也有两种水平分辨率，分别是 12km 和1.5km，垂直方向有 70 层，模式系统每小时滚动 1 次，每次的预报时效为 36hr，四维变分同化系统应用于 12km 分辨率的区域，三维变分同化系统应用于 1.5km 分辨率的区域。法国的区域模式水平分辨率为 2.5km，垂直方向 60 层，每日运行 4 次，预报时效 48hr，采用三维变分同化技术做资料同化。中国目前的区域业务模式 GRAPES-MESO 可实现全国水平分辨率 15km 的预报，垂直方向 31 层，一天运行 2 次，预报时效 60hr，同化系统采用 3 维变分同化技术。此外，中国还在各区域气象中心
