基于量維波動的風光年內日尺度互補特性分析

楊紫薇，王現勛，段 凱，何明皇，姚華明,3,4

(1. 長江大學資源與環境學院 油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100；2. 中山大學土木工程學院，廣東 廣州 510275； 3. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000；4.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443000)

高效開發利用風、光等清潔可再生能源能為雙碳愿景目標的實現提供綠色動力和長效支持[1]。利用風、光資源的互補特性，可減緩風、光電隨機波動出力對電力系統的沖擊，降低棄風、棄光率，進而提高資源利用率。

風、光資源的互補性通常表現為日內晝夜互補和年內季節互補[2]。近年來諸多學就此開展研究并取得了一些進展。Yi Liu等[3]指出在小時時間尺度下，中國北方和東部沿海的風光互補性較好。Lanjing Xu等[4]研究表明我國風光互補空間分布由強到弱分為四類依次為：西北地區；北部、西部及部分海岸地區；東部、西南部及西北地區；中部及中南地區。劉振宇等[5]指出山西省11個市可以實現月尺度下的風光互補。常見的互補刻畫方法有相關系數法和波動互補法，Yanmei Zhu等[6]用Person相關性分析研究風電、光電、水電的互補性。Hengxu Zhang等[7]利用爬坡率來刻畫波動，并提出風光協同系數。已知波動既體現在縱向數量的變化(量維波動)，又體現在橫向形狀的變化(形維波動)[8]，現有的研究大多從縱向數量的變化入手刻畫波動值，且多使用標準差。經調研，電力系統備用容量安排和日前發電計劃制定多取決于風、光電出力的日均值，尤其是在我國風、光電占比最高的西北地區，而目前風光互補研究大多聚焦于小時、月等時間尺度。因此，亟需深入探究日時間尺度下風光資源的波動互補特性。

鑒于此，本文針對風、光資源年內日尺度互補特性進行研究?；诔Ｒ姷目坍嬃烤S波動的指標——標準差(Standard Deviation，簡稱SD)提出互補率(Complementarity Rate，簡稱CR)，采用1961～2016年全國范圍內風速和太陽輻射日時間序列數據，從多種時空角度分析風、光資源年內日尺度波動互補的演變特征，以期對風光互補特性有新的認識，為新能源的開發利用提供參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象與基礎數據

本文采用中國氣象局提供的資料，對全國風光資源互補特性展開研究。風速和日照時數具體數據來自“中國地面氣候日數據集(V3.0)”。該數據集包含1961～2016年726個地面氣象站的10 m高度風速資料和日照時數逐日資料，風速、日照時數記錄的間隔為1 d。

由于我國沒有廣泛測量輻射通量，本研究使用日照時數的數據來計算太陽輻射量[9]：

(1)

式中：Rs為太陽輻射量，W/m2；S為日照時數，h；n為1 d中最大可能日照時數，h；Ra為每日的地外輻射，MJ·m-2·d-1；as為經驗系數，取值范圍[0.12,0.29]，本文參考文獻[10]取0.25；bs為取值范圍[0.45,0.73]，本文參考文獻[11]取0.50。

鑒于風速和太陽輻射的量綱不同，先將風速轉換為風能密度。風能密度(W)是評價風能潛力大小的重要指標，是氣流垂直通過單位面積的風能，其計算公式為[12]

(2)

(3)

式中：W為風能密度，W/m2；v為日均風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；t為氣溫，℃；P為氣壓，mm；e為絕對濕度，mm。

1.2 研究方法

本文提出互補率CR以定量刻畫兩個時間序列的波動互補特性。首先計算時間序列A和B各自的波動值(即互補前的波動值)，再計算兩個序列加和后的波動值(即互補后的波動值)，互補前、后的波動值差值(即波動互補值)與互補前兩個時間序列的波動值之和的比值，計為兩個時間序列的互補率。

1.2.1 單類資源波動值

風能、光能波動的計算過程為：將單類資源時間序列計為{xi,yi}，其中xi為時間值，yi為單類資源，i為時段編號，i=1，2，…，N，N為時間序列時段總數，代入算式(4)中即可得到對應的波動值。

(4)

式中：SD為標準差，其量綱與yi相同，其數值越大，表示時間序列的波動性越大，反之亦然。時間序列A的波動值計為SD(A)。

1.2.2 風光資源互補率

如前所述，風光互補率CR為波動互補值與互補前波動值之和的比值，如式(5)所示。

(5)

式中：TSW為風能密度時間序列；TSRs為太陽輻射量時間序列；TSWRs為風能密度和太陽輻射量加和后時間序列(注：二者量綱均為W/m2，可直接相加)。時間序列A和時間序列B的互補率計為CR(A,B)。

2 結果與分析

2.1 風光波動互補多年平均特征

圖1為風能密度與太陽輻射量時間序列波動值多年平均結果的空間分布圖。由圖1可知，風能密度的波動整體上呈現北高南低，全國范圍波動平均值約為43.61 W/m2，其中新疆東部、內蒙古北部和東北三省波動值較大。太陽輻射量的波動整體上呈現中東部大于西部的特征，全國范圍波動平均值約為78.37 W/m2，其中新疆北部、長江中下游流域波動值較大。風能密度波動北高南低和太陽輻射量波動南高北低的整體趨勢現象說明了兩類資源在空間上具備一定的互補條件。

圖2為風光互補率多年平均值的空間分布圖。由圖2可知，風光互補率較高的地區集中在內蒙古自治區、東北三省、華北地區、西北地區的北部和中部，以及沿海地區；全國范圍互補率平均值約為0.181，最高值出現在廣西壯族自治區北海市(0.373)，最低值出現在云南省西雙版納傣族自治州(0.015)。該結果與文獻[4]關于北方和沿海地區風光互補的論述較為一致。中國地形類型復雜多樣，地形地勢是影響風、光的重要因子。從地形地勢的角度來看，四川盆地、云貴川高原地區的風光互補率顯著較低。該結果與文獻[5]從秩相關的角度研究中國風光互補的結論較為一致。受地形影響，四川盆地夏季盛行下沉氣流風力小，冬季形成逆溫層；受盆地屏障作用，平均風速小且長期處于穩定層中，冬季從高原南下的冷干空氣與盆地內的暖濕空氣相遇形成多云多霧天氣，太陽能資源匱乏，可能一定程度上影響了風光互補效果。

圖2 風光互補率多年平均值空間分布特征圖

依據資源特性，全國的風能、太陽能進行了三級區劃(朱瑞兆)[13]。位于第一階梯青藏高原風光互補效果相對較好，互補率最高達0.251。內蒙古位于第二階梯，屬于區劃中的風能、太陽能均豐富的地區，風光互補率達到0.198～0.332左右。夏半年太陽輻射豐富，受熱低壓控制，風速??；冬半年太陽輻射匱乏，西伯利亞高壓強勢，風速大，該區域兩種能源豐富和匱乏的時間呈現明顯的互補特征，是互補性利用潛力較強的區域。山東省、江蘇省等區域位于第三階梯，屬于區劃中太陽能可利用、風能豐富區，互補率最高達到0.407，為風光互補發電提供了有利條件。

2.2 不同時期風光波動互補特征

鑒于已有研究指出以1990年為拐點中國地面太陽輻射近50年來呈現先減后增的趨勢[14]；風速整體呈現減小趨勢，90年后風速的下降速率變小。因此，以1990年為界分析研究時間范圍內前后兩個時期的風光互補效果，如圖3所示。對比可知，1961～1990年間風光互補率的空間分布與1961～2016年間的空間分布特征整體差異相對較小，均呈現西南小、北方大的現象；然而在互補率數值方面有明顯差異，1991～2016年間風光互補率(平均值0.002)明顯小于1961～1990年間的互補率(平均值0.204)。從局部來看，新疆北部、內蒙古自治區、東北三省和西北地區中部，這些區域互補效果下降更明顯。

考慮時間研究跨度較大，選取本研究基礎數據的時間范圍的首、末年份(1961年、2016年)和前述拐點年份(1990年)，進一步分析風光互補率的分布特征。

從圖4可以明顯看出三個年份的年互補率有明顯的差異。由1961年全國風光互補率空間分布來看(圖4a)，華北地區、華東地區、華中地區局部、沿海地區和西北地區的風光互補效果較好。1990年的分布(圖4b)與1961年相比華東地區和新疆部分區域風光互補率下降。2016年的分布(圖4c)與1990年相比內蒙古區域、華北地區、華東地區風光互補率明顯下降。三個年份之間，西北地區西部和華東地區的變化較明顯，例如浙江省湖州市的互補率呈現先升后降，1961、1990、2016年互補率分別為0.273、0.315、0.003；西南地區仍然沒有明顯的差異。

圖4 不同年份風光互補率空間分布圖

1990年后氣候變暖速率增加，城市化進入快速發展時期，氣溫、人類活動等因子都在不同程度上影響著風光資源的波動變化。整體來看，在本文研究時間范圍內，中國1961～2016年中國風光互補率呈整體下降的趨勢。

2.3 部分地區風光波動互補特征

為更具體地從時間的角度分析風光互補的變化情況，這里選取部分互補率較高且具有空間差異的站點開展相關研究。選取的6個沿海、內陸站點的具體地理坐標如表1所示，下文分析其時間變化特征。

表1 各站點的地理位置

圖5是前述站點各年的互補率折線圖，可以從圖5中看出沿海、內陸的年際變化差異。由圖5可知，山東省、江蘇省、上海市等地呈明顯的下降趨勢；新疆維吾爾族自治區、甘肅省、內蒙古自治區等地變化趨勢不明顯。

風、光資源屬于自然資源，氣候變化與能源利用之間有顯著聯系。沿海地區受季風影響氣候敏感性較強，內陸地區氣候敏感性較弱，一定程度上解釋了圖5所示現象。以上海為例，由于我國夏季風自1850年來經歷了強-弱-強-弱四個階段的變化，在海陸氣壓差和季風的影響下，其風能密度波動變化較大。隨著極端暖事件增多，熱持續指數明顯偏高，太陽輻射波動變化顯著，其風光互補率不穩定。位于內陸的新疆阿勒泰地區距海遙遠，有較穩定的盛行風向，北部為阿爾泰山，南部為天山山脈，冬春季節阻隔了冷空氣南下，盆地成為了冷空氣的天然通道，風光資源穩定，風光互補率變化幅度小。

圖5 沿海內陸互補率年際變化折線圖

3 結 語

本文從空間和時間角度，研究了中國56年間風能、光能互補的多年平均分布特征、不同時期分布特征、部分地區變化特征，得到以下結論：

1)中國東北地區、華北地區、華東地區、西北地區中部、南部沿海地區年內日尺度下的風光互補率較高，四川盆地、云貴高原、橫斷山區等地形區的互補性相對最弱；

2)以1990年為界，1990年前后的風光互補空間分布整體特征差異相對較小，東北三省、內蒙古自治區、新疆北部呈現顯著下降趨勢；1961年至2016年間整體呈現下降的趨勢；

3)沿海、內陸地區差異分析表明，位于山東、江蘇、上海等地區的站點呈明顯的下降趨勢，位于新疆、甘肅、內蒙古等地區的站點變化趨勢不明顯。

本研究為風能、光能的互補開發利用提供了參考。在未來研究中，將分析季節、小時等不同尺度下的風光互補性，進而研究風、光、水聯合發電的互補特性。