極端天氣對可再生能源系統的影響及應對措施分析

氣候變化導致的極端天氣事件不但影響新能 源出力水平，也會危及輸變電設備的安全運行，甚 至可導致多重故障的發生，破壞電網穩定性。

1.少風少光的極端天氣時空變化特征分析

受全球氣候變化的影響，近幾十年區域極端天 氣事件呈現“多發、頻發、強發、并發”的態勢， 由此引發的風光資源氣候風險（例如低風速和低太 陽輻射同時出現的“無風無光”天氣）將嚴重制約 風光發電的穩定性和可靠性，進而威脅地區供電安 全（Liu et al., 2023）。因此，在推進能源轉型和制 定區域可再生能源規劃過程中，需要對氣象條件變 化影響帶來的風光出力情況進行科學合理的定量 評估，避免高頻次極端“無風無光”事件對區域生 產生活帶來的嚴重影響。在此基礎上開展風能、太 陽能等可再生能源的氣候風險研究（尤其針對極端 “無風無光”事件），對于保障“雙碳”目標下的能 源安全具有重要意義。 目前中國主流風機的切入風速一般為 3 米 / 秒， 根據單機容量的差異，額定功率的 10% 至 20% 對 應的風速約為 5 米 / 秒。光伏設施的發電效率主要 有 3 個階段，在輻射達到 30 瓦 / 平方米時開始具 備發電能力，在 100 瓦 / 平方米時開始對電網進行 電能輸出，在 200 瓦 / 平方米時約達到額定功率的 20%，因此光資源閾值設為 30、100 和 200 瓦 / 平 方米。因此，風光資源同時無出力或低出力的組合 事件可以分為無風無光、微風微光、微風少光三種 情況。

中國高頻次（大于 90 次）無風和微風事件在 全年均有出現。其中，在秋季出現時間占比最大， 分別達到 18% 和 23%。在持續 4 小時無風事件中， 全年高頻次無風和微風事件的發生地區主要位于新 疆塔里木盆地西部邊緣地區、四川盆地西部以及云 南南部地區；而西藏、青海大部分地區和四川西部 地區在冬季風能資源豐富，持續 4 小時無風事件發 生頻次整體較小（小于 10 次）。在全國尺度上，南 方地區持續 4 小時無風事件發生頻次高于北方地 區，整體呈現西北、東南頻次高，東北、西南頻次 低的分布規律。 中國微光和少光事件出現較為集中的時間段 為秋冬兩季，在冬季出現時間占比最 大，分別達到 56% 和 68%。無光事件僅在部分地 區、且出現不超過 5 次。持續 18 小時微光和少光 事件出現次數較高的區域主要位于新疆準噶爾盆地 一帶、四川盆地和東部沿海地區。其中 持續 18 小時微光事件在冬季以準噶爾盆地周邊地 區發生頻次最高，區域平均頻次達 55 次以上；東北黑龍江大興安嶺北部地區次之。整體上，微光和 少光事件發生頻次在冬季呈現“北高南低”的分 布特征；而在春季則恰好相反，高頻次地區集中分 布于長江流域以及東南沿海地區。在秋冬交替時， 高頻次、大范圍的微光和少光事件發生地區呈現由 長江中下游地區（西南電網東部和南方電網北部） 向東南沿海地區（南方電網東部和華東電網大部） 轉移的特點。

組合事件中，無風無光事件在秋冬兩季出現頻 次較高，春夏季頻次明顯下降。秋季無風無光事件 的出現時間占比最高，達到 4%。持續 10 小時無 風無光事件的頻次分布特征呈現比較明顯的季節 差異，在空間分布上呈現東北、西南地區頻次低， 東南、西北地區頻次高的分布特征。其 中，西北地區的準噶爾盆地和塔里木盆地兩處盆地 邊緣地區成為無風無光事件的高頻次發生地區，除夏季外，在春秋冬三季均呈現出較高頻次，且高于 同季其他地區。需要注意的是，在秋冬兩季，黃土 高原地區、華北平原西部和長江中下游平原地區無 風無光事件發生頻次也達到 11 次左右，雖然低于 西北地區的盆地和山區，但這些地區所包括的省份 往往城市化程度較高，人口密度較大，冬季的電力 供應需求也較高。因此，如果這些地區出現較長時 間的無風無光，將會對當地電力安全帶來較大的威 脅，甚至影響正常的生產生活，需要引起相關部門 的重視，推進電力結構的協同優化。

微風微光事件在四季均有發生，以秋冬季節 發生頻次較高。秋季微風微光事件出現時間占比 最高，達 9%。從空間分布特征來看，平均風速越 低的區域（如新疆、四川盆地、中部和東南部等）， 其持續 10 小時微風微光事件發生的頻次越高；而 平均風速越高的區域（如青藏高原、東北地區、內 蒙古東部地區、東南沿海地區等），其持續 10 小時 微風微光發生的頻次越低。四川盆地周 邊地區在一年四季微風微光事件的發生頻次均較 高，原因在于該地區風光資源受盆地地形的影響較 大。此外，以黑龍江、吉林和遼寧為代表的東北地 區在冬夏兩季微風微光事件發生頻次高于春秋兩 季。作為人口大省和中國重要的工業基地，東北地 區冬夏季節電能消耗較大，居民用電和工業生產用 電需求將高于春秋兩季，這意味著冬夏季對風光發 電穩定出力的需求更緊迫。因此，相關部門須合理 配置與風光發電相匹配的儲能設施及相對應的應 急措施，以應對在微風微光事件發生時可能出現的 用電高峰和電力供給低谷。

從最長持續時間來看，微風少光事件最長持續 時間的時空分布呈現出較為明顯的條帶狀分布特 征，西北—東南一線最長持續時間較長，東北—西 南一線最長持續時間較短。從空間分布特征來看， 微風少光事件年最高持續時間超過 360 小時的地區 主要位于青藏高原東南部、四川盆地西部和重慶部 分地區，其中以山南、林芝、眉山、成都、德陽等 城市的持續時間最久。東南地區中，江蘇、福建等 沿海省份的微風少光事件最長持續時間普遍在 240 小時左右，這意味著沿海地區的風光發電設施出力 將會在大部分時間內低于裝機容量；特別是在冬夏 兩季用電峰值較高的季節，受氣候影響導致的風光 發電低出力將嚴重威脅當地能源供給穩定。相比之 下，以黑龍江、吉林為代表的東北地區和以山東、 山西為代表的華北平原地區微風少光事件年最高 持續時間在 120 小時以下，極端天氣引起的風光發 電波動在這些地區的威脅相對較小。為調節氣候條件造成的風光發電出力的不穩定，可通過區域協調 的方式，擴大空間尺度以緩沖風光發電的不穩定 性，并結合區域內風能和太陽能的不同分布特征調 節風光發電比例，發展以風能或太陽能為主的多能 耦合協同發電模式，最大程度減少極端天氣對新能 源發電設施產能的影響。

2.極端天氣對可再生能源系統的影響

全球氣候變化帶來的極端天氣對風光發電的 影響是不容忽視的。一方面，極端天氣可能導致 風光發電設備的損壞，影響發電設施的正常運行。 另一方面，極端天氣也可能影響風光發電的電能質 量。本節梳理了極端天氣對可再生能源系統的影 響，為風光發電的應對措施提供借鑒。

極端寒潮 / 低溫

極端寒潮 / 低溫天氣對新能源運行影響主要有 兩類：一、風機覆冰造成脫網。在空氣濕度較高地 區（在我國以華中、西南較為常見），極端寒潮 / 低溫天氣會導致風電機組關鍵部位覆冰和冰凍；葉 片覆冰會造成葉片外形發生改變，增加風機阻尼系 數，嚴重時甚至造成風機無法啟動；葉片由于冰載 不同導致受力不均，可能存在斷裂風險；冰凍現象 也會影響機組其他關鍵部位正常運行和控制。二、 低溫保護造成風機脫網。為防止主要零部件在低溫 環境下受到損壞而影響風機壽命和出現安全事故， 風力發電機組通常需要配置低溫保護（一般在零下 20-30 攝氏度之間），在環境溫度過低時自動停止 運行（李寶聚等 , 2022）。

降雪

對風電的影響方面，降雪對風機的危害主要在 機艙部分，降雪飄落到機艙內部會影響齒輪箱、發 電機箱的穩定性和可靠性。當降雪附著在機艙與設 備散熱孔處時，會阻礙風機內部的空氣循環系統與 散熱系統的正常工作，導致機艙散熱受阻，內部設 備運行效率和使用壽命會降低，嚴重時甚至會導致 部分組件起火。風速風向儀上的傳感器也會受到降雪影響，導致測風數據失真，影響風機的準確偏航 變槳，最終影響風電機組的發電量。對光伏發電的 影響方面，當降雪量較大時，積雪覆蓋光伏組件表 面，會對太陽輻射造成一定的遮擋，從而減少光伏 組件接收到的太陽輻射。因此在降雪期間和雪后一 定時間，對光伏系統有功出力將受到顯著影響（鞠 冠章等 , 2022）。

極端高溫

對于風力發電來說，極端高溫主要會影響設備 散熱、加速電氣設備老化，因此風電機組均配置高 溫保護（定值一般在 40-50 攝氏度）。同時，由于 風力發電具有“極熱無風”的特點（即高溫時段 風速較小），導致風機經常處于無風待機狀態，因 此風力發電非常容易受到極端高溫環境的影響（李 寶聚等 , 2022）。溫度對于光伏發電的影響也較大， 極端高溫會使光伏板的輸出功率下降，光伏電池的 工作溫度每提高 1℃，功率輸出減少 0.4-0.5%。此 外，極端的高溫天氣會造成光伏核心組件的失效， 降低組件的可靠性，并加速光伏電池老化速度，影 響使用壽命。

極端大風

當風速過大時，風機會因為超出切出風速而停 機①。若達到切出風速風電機組仍在運行，可能會 發生塔架倒塔、葉輪飛車等事故。風速較大時，風 電場基本處于滿發狀態，若風速持續增大超過切出 風速，那么風電場出力將在短時間內由滿發迅速下 降，對局部地區電壓及全省頻率調整造成較大影響。

強對流、強降水、連陰雨

強對流導致的陰雨天氣對光伏發電影響較大， 長時間強降水使得太陽輻照度長期處于較低水平， 發電出力較小。若是因短時強對流天氣形成的局部 降水，會造成降水過程前后的光伏出力預測難度加 大、預測精度降低。除此之外，強降水帶來的洪澇 災害，有可能造成光伏電站附近產生塌方險情，或 者造成光伏組件和電氣設備泡水報廢，甚至還有觸 電風險。此類影響在南方地區較為常見，水面光伏 項目較容易受此影響。

雷電

雷電通過對電氣設備產生危害來影響風光發 電的穩定，其途徑包括通過直擊雷、雷電波入侵、 雷電感應和過電壓幾個方面發生雷擊事故。風力發 電站通常位于開闊地帶，其風機葉片的最高點可達 上百米，被雷擊的概率與其高度平方值成正比，因 此完全暴露在直擊雷的威脅下，因此更易受到雷電 災害的影響。另一方面，風機內部多種電子集成元 件都集中在一個較小的區域內，雷擊造成的電涌會 對機組造成嚴重危害。同時，一旦遭受雷擊，還可 能發生風機葉片爆裂、通信元件燒毀等災害性后果 （張潛玉 , 2015）。

沙塵暴、霧、霾

局地大霧或沙塵天氣通過遮擋陽光降低光伏發 電出力。由于對霧霾和沙塵濃度、可見度、起霧起沙 和飄散時間的預測難度較大，因此會影響光伏功率預 測精度。除此之外，這些天氣現象會使光伏組件上 出現灰塵或者污漬，從而進一步削減組件接收的 太陽輻射強度，減少發電量；而且灰塵遮蔽還可 能造成熱斑問題②，在影響發電量的同時還會構成 顯著安全隱患，清掃不及時可能導致污閃等事故 的發生。

日食

日全食期間，光伏出力會在短時間內快速下 降，對電網實時運行產生巨大沖擊。但日食屬于發 生概率較小的極端氣象事件，且易預測，雖對光伏 電站來說會產生一定的發電損失，但對于電網來 說，若提前做好充分準備，對電網安全穩定影響不 大（李寶聚等 , 2022）。 常見的極端天氣類型和影響總結可見表 5.2。 實際生活中，除了低溫、大風等單一氣象要素異常 的極端天氣以外，也時常會出現多個氣象要素同時 出現異常的組合極端天氣。例如，寒潮就是超強冷 空氣的入侵過程，其顯著特征為風速增大、氣溫驟 降、陰天輻照度下降等，所以會同時影響風力和光 伏發電。特別是當寒潮入侵時，通常伴隨風速增大， 風電出力增大，但在西北和東北地區容易造成風機 的大風切出和低溫保護。另一種常見的組合極端天 氣是臺風，臺風常伴隨強風暴雨過程，臺風過境前 后風速呈明顯增加趨勢，可大幅提升過境期間的風 電出力。然而，臺風風速若超過切出風速，也可造 成風電切出，使得風電場出力急劇降低直至零出 力。另外，臺風伴隨的降水過程將使光伏發電嚴重 降低，其產生的洪澇災害和大風也會造成臺風登陸 地區新能源發電設備損壞，以及配電網的破壞。

3.應對極端天氣的措施和策略

氣候變化導致的極端天氣事件不但影響新能 源出力水平，也會危及輸變電設備的安全運行，甚 至可導致多重故障的發生，破壞電網穩定性（鞠冠 章等 , 2022），氣象風險已成為新型電力系統安全 保供最為核心和關鍵的變量。因此，提高電力系統 對極端天氣事件的應對能力，對降低風光發電能源 安全風險、提高風光資源利用效率和優化區域風光 發電產業結構具有重要意義。電力系統對極端天氣 通常有六點應對措施： 第一，從硬件角度對電網和發電設施進行改 造和優化。對于已經建成的電站，考慮經濟性的 同時，合理地加固基礎設施，定期對發電站與輸 電線路開展“無死角”隱患排查工作，及時進行 設備維修和更換，降低老舊設備比例；對于規劃 中的設施，提高配電網和發電站的建設標準，優化設計，加強線路元件強度和架空線路電纜化， 提高防雷、防風、防雨、防凍、抗高溫能力，降低 配電線路在極端天氣下的故障率，從而降低多重 故障的發生概率，縮小災害導致的故障規模，提 高配電網韌性。

第二，加強極端天氣的監測、預報與預警。極 端天氣信息的實時監測對于后續的預測預警具有 重要意義，為了及時準確地觀測到極端天氣，建議 電力部門加強和氣象部門合作，在新能源電站集中 地區安裝氣象測量設備，大力開展極端天氣下新能 源預測技術研究。在災害發生前及時采取調控措 施，制定大規模停電應急預案和預警系統，及時投 入備用設備、接入備用能源或調整潮流以限制故障 擴展。對部分微網采用離網運行方式，保證其中關 鍵負荷的供電，配合儲能裝置提高整個孤島內的可 控性。 第三，提升極端天氣下電力系統的供電能力。 極端天氣的發生將顯著影響新能源出力水平，而與 此同時，極端天氣發生時居民用電需求通常會攀 升，因此，保障電力系統的緊急供電能力極為重 要。在規劃設計和電網運行中，必須從源、網、荷、 儲等環節協同發力，在電源側增加快速調節電源比 例，在電網側增加區域或省級電網間的互濟能力， 同時配套建設具有一定儲能時長的儲能設備，提升 極端特殊情況下電網的供電能力。

第四，做好極端天氣下電網事故預案和應急處 置。建議編制事故預案時應考慮極端天氣可能帶來 的影響，做好新能源出力短時內大幅降低、同一輸 電通道多回線路同時故障、電網解列甚至失去部分 負荷等極端情況的應急處置預案。同時，完善應急 響應機制，提升調度運行人員的應急處置能力。此 外，還要優化故障后的恢復策略，對重要負荷優先 恢復供電，逐步達到原有正常運行方式；提高故障 修復水平，縮短故障修復時間；采用負荷轉供和投 入備用等方式盡快恢復一部分負荷的供電。 第五，促進各種能源的協同發展。確保煤電這 一能源供給“壓艙石”的協同配套作用，同時以可 再生能源為基本導向，逐漸構建氣電、抽水蓄能以 及儲能等多元化、靈活的資源發展形式，建設多能 互補的新型綜合能源系統。 第六，建立能源系統的區域互聯。完善不同區 域間輸電網絡建設，加強地區間的電力調配能力， 降低聯合系統的最大負荷，平時可以使跨省電力交 易更加方便快捷，當某地出現極端氣候時，周圍影 響較小的地區可以及時向受災中心輸送電力。 在“雙碳”戰略目標下，隨著新能源滲透率的 逐步提高，極端天氣對電網運行的影響越來越大， 如何精確地對極端天氣進行預測預警、提高電力系 統抵御極端事件的韌性、構建安全穩定的新型電力 系統是電力系統進一步的研究方向。