中国风电预报体系项目研究报告.docx

中国风电预报体系硏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1概述 1.1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2.1引言2.2全球数值预报模式技术对比2.3区域数值预报模式技术对比2.4资料同化技术对比 2. 5 集合预扌艮技术对比 123我国风电预扌3. 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 193.3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4.1政府支撑和公共服务 2326294.2美国风电预报体系的特点4.3中美风电预报体系的对比5中国未来的风电预报体系5. 1基础技术研究5.2公共服务支撑5. 3市场化服务…5.4风电预报应用6附件 34 34 35 35 37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，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耍技术措施之一目前，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 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月印发了《风电场功率预测预报管理暂行办法》（国能新能〔2011〕177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《风电功率预报与电网协调运行实施细则》（特急国能新能〔2012） 12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〔2013〕65号），对弃风限电 问题提出了系统性的对策：1）将风电利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。

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:1~2天的短期 数值天气预报和7〜10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（即动力降尺度和统计订正技术）。

图1支撐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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 方而均有不同表1全球数值预报模式基木技术指标全球数值预报模式国家/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）ECMWFTJ2791691集合变分同化4NCEPT5742864混合三维变分同化4CMAT6393060三维变分同化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。

总体来看，中国冃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，一般每口运行两次，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运 行各自的区域数值预报业务模式，女BJ-RUC数值模式系统，该系 统重点关注华北区域的短期数值预报，在华北区域该模式系统的水平 分辨率为3km,垂直方向38层，每3小时滚动运算一次，每次做未 来24小时预报，在其他区域分辨率为9km,基木可覆盖N23以北的 中国所有区域，在该区域模式系统每天运行两次，每次预报未来72hr, 同化系统采用3Dvar； GD-GRAPES （需查证）数值模式系统重点关 注华南区域的短期数值预报，模式系统在华南区域分辨率为6km,垂 直方向40层，每口运行两次，每次预报时效为72hr,同化系统采用3Dvaro表2主要的区域数值预报模式基本指标区域数值预报模式国家/机构水平分辨率（km）同化技术垂直层（层）UKMO124Dvar701.53DvarMeteoFrance2.53Dvar60NCEP103Dvar703、 4、 6、CMA区域数 值预报模式GRAPES-MESO153Dvar31BJ-RUC9、33Dvar38GD-GRAPES63Dvar40注：欧洲中心只研发全球模式，没有区域模式总体来看，我国业务化的区域数值模式分辨率相对较粗，垂直层 数少于欧美国家的业务模式，每天的运行次数也相对较少，与国外的 业务水平有一定差距。

2.4资料同化技术对比2.4.1基本概念及发展历程资料同化就是将各种不同来源，不同误差信息，不同时空分辨率 的观测资料融合进入数值动力模式，依据严格的数学理论，在模式解 与实际观测之间找到一个最优解，这个最优解可以继续为动力模式提 供初始场，以此不断循环下去，使得模式的结果不断地向观测值靠拢 可以说，资料同化技术是提高数值预报准确性的关键技术之一经过30多年的发展，资料同化技术已成为现代数值天气预报的基 础，它经历了从简单到复杂，从起步到成熟的发展历程:从主观分析 到客观分析;从多项式函数拟合方法、逐步订正方法、最优插值方法 到变分方法和集合卡尔曼滤波方法，都印证了这一点如今，基于最 优控制理论的变分方法（3维变分和4维变分）和基于估计理论的集合 卡尔曼滤波方法成为数据同化的两大主流方法这两类方法各有优缺 点，为了将二者的优势互补，逐步发展了一些新的方法：集合卡尔曼滤波与变分相结合的数据同化，简称为集合（混合）变分同化各业务中心的全球模式和区域模式均应用了资料同化技术图3 显示了已经投入业务应用的同化系统的发展进程：早期的业务同化系 统主流是三维变分，后发展为四维变分系统，而近两年则以集合变分 和混合变分同化技术为主。

四维变分同化］资料同化技术发展历程集合变分同化图3气象业务模式的同化技术发展历程。