貴州省風(fēng)光資源分布及出力特性分析

趙 喬，張 銳，宋 雄，余世元

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 前 言

2020年9月，我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”目標(biāo)[1]。實現(xiàn)這一目標(biāo)必須充分利用國內(nèi)水、風(fēng)、光資源豐富的稟賦條件，在全國優(yōu)化配置清潔能源，構(gòu)建清潔、低碳的新型能源體系[2]。據(jù)國家發(fā)展改革委能源研究所可再生能源發(fā)展中心測算，2030年按照全國非化石能源占比達(dá)到26%，風(fēng)電光伏電量占比不低于25.9%，2022年～2030年年均等額增長1.47%，2025年和2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電累計裝機容量分別將達(dá)到10.4億kW和16.2億kW左右，逐步成為電網(wǎng)的主導(dǎo)電源。

雙碳目標(biāo)的提出為能源高質(zhì)量發(fā)展提出了更高的要求，“十四五”時期乃至更長時期內(nèi)，亟需大力發(fā)展水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源。持續(xù)推動可再生能源高比例發(fā)展，力促可再生能源開發(fā)持續(xù)增長并實現(xiàn)大范圍增量替代和區(qū)域性存量替代，著力減少化石能源開發(fā)利用，逐步實現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型增量替代、存量替代，全面轉(zhuǎn)型。

貴州省地處云貴高原東部，東靠湖南，南鄰廣西，西毗云南，北連四川和重慶，東西長約595 km，南北相距約509 km。高原山地地貌，地勢呈現(xiàn)西高東低，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全省東半部全年在濕潤的東南季風(fēng)區(qū)內(nèi)，西半部處于東南季風(fēng)區(qū)向西南季風(fēng)區(qū)的過渡地帶[3]，平均海拔在1 100 m左右[4]。

目前貴州省能源消費以化石能源特別是煤炭為主，煤、石油、天然氣進(jìn)口量占比較大，電力裝機容量和發(fā)電量中的化石燃料占比也很高。電力系統(tǒng)綜合效率不高、源網(wǎng)荷等環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)不夠、各類電源互補互濟(jì)不足等深層次矛盾日益凸顯，亟待統(tǒng)籌優(yōu)化。截至2020年底，貴州全社會電源裝機74 780 MW。其中燃煤火電裝機34 690 MW，占比46.4%；水電裝機22 810 MW，占比30.5%；風(fēng)光總裝機16 380 MW，占比約21.9%；其他能源僅占1.2%。研究貴州省風(fēng)光資源情況及出力特性對于風(fēng)、光資源的開發(fā)和水風(fēng)光基地的推進(jìn)具有重要的意義。

1 資源分布

1.1 風(fēng)電

根據(jù)貴州省多年風(fēng)速氣象數(shù)據(jù)，整理出1979年～2008年100 m高度風(fēng)功率密度分布如圖1所示，可以看出貴州省風(fēng)能資源，總體西部好于東部，中部好于南部及北部。風(fēng)能資源豐富[4]，開發(fā)條件較好的地區(qū)主要集中在畢節(jié)市西部、南部及中北部，六盤水中部及南部；遵義市中北部、貴陽中部；黔東南州中東部局部、榕江縣與荔波交界地帶等區(qū)域；黔南州北部、黔西南州中部局部、銅仁市局部。風(fēng)資源隨海拔高度變化大，絕大部分風(fēng)能資源較好的區(qū)域位于海拔1 500 m以上的高山山脊或臺地上，高值區(qū)分布相對零散，分布復(fù)雜，單個風(fēng)電場裝機容量不大，相對有利于電網(wǎng)的接入和消納，很多地方適合于分散式風(fēng)電開發(fā)。貴州省中部以西風(fēng)速和風(fēng)能呈冬春季大、夏秋季小的特點，與占主導(dǎo)地位的水電具有豐枯互補的效應(yīng)。主導(dǎo)風(fēng)向明顯，絕大部分地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向以偏南風(fēng)或偏北風(fēng)為主，有利于風(fēng)能資源的利用[5]。

根據(jù)貴州省風(fēng)能太陽能資源分布特征及開發(fā)量評估，全省風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量33 000 MW，其中，風(fēng)速5 m/s以上的技術(shù)可開發(fā)量16 500 MW。截至2020年底，貴州省風(fēng)電累計裝機達(dá)到5 810 MW，未來技術(shù)可開發(fā)空間約27 500 MW，貴州大部分地區(qū)發(fā)展風(fēng)能發(fā)電的潛力較大[5]。

圖1 貴州省100 m高度風(fēng)功率密度分布

烏江流域中西部區(qū)域的風(fēng)能資源較好，東北部區(qū)域的風(fēng)能資源較差，風(fēng)速在2～8.5 m/s之間。其中風(fēng)速5 m/s及以上技術(shù)可開發(fā)量約為3 800 MW，已開發(fā)裝機614 MW。排除生態(tài)紅線和自然保護(hù)地區(qū)域，剩余可開發(fā)量約2 300 MW。風(fēng)電年利用小時數(shù)約1 950 h。

北盤江流域東北部和西南部區(qū)域的風(fēng)能資源較好，中部區(qū)域的風(fēng)能資源較差，北盤江流域風(fēng)速在2～8.5 m/s之間。5 m/s及以上技術(shù)可開發(fā)量約為1 635 MW，已開發(fā)裝機485 MW。排除生態(tài)紅線和自然保護(hù)地區(qū)域，剩余可開發(fā)量約800 MW。風(fēng)電年利用小時數(shù)約1 900 h。

南盤江流域東北部區(qū)域的風(fēng)能資源較好，東南部區(qū)域的風(fēng)能資源較差，風(fēng)速在2.5～8 m/s之間。5 m/s及以上技術(shù)可開發(fā)量約為540 MW，已開發(fā)裝機88 MW。排除生態(tài)紅線和自然保護(hù)地區(qū)域，剩余可開發(fā)量約420 MW。風(fēng)電年利用小時數(shù)約1 900 h。

清水江流域中南部區(qū)域的風(fēng)能資源較好，其余區(qū)域的風(fēng)能資源較差，清水江流域風(fēng)速在2.5～7 m/s之間。5 m/s及以上技術(shù)可開發(fā)量約為860 MW，已開發(fā)裝機310 MW。排除生態(tài)紅線和自然保護(hù)地區(qū)域，剩余可開發(fā)量約480 MW。風(fēng)電年利用小時數(shù)約1 850 h。

貴州風(fēng)電“十三五”期間主要開發(fā)區(qū)域為畢節(jié)、黔東南和黔南，風(fēng)資源在6 m/s以上，以集中式風(fēng)電為主。

1.2 光伏

根據(jù)《貴州太陽能資源研究》，貴州省多陰雨天氣，太陽能資源總量偏低，貴州省年平均太陽總輻射在3 400 MJ/m2以上[6]，空間差異較大，太陽能資源自東北向西南逐漸增加，如圖2～4所示?？傒椛涓咧祬^(qū)分布在貴州西部的威寧、水城、盤縣、興仁、興義、安龍一帶。據(jù)GB/T 31155—2014《太陽能資源等級 總輻射》，貴州省總體屬于我國太陽能資源C類“一般”區(qū)[7]；貴州西部和西南部的太陽能資源條件最好，水平面總輻射年總量最高為1 426 kW·h/m2，達(dá)到我國太陽能資源B類“豐富”區(qū)。

圖2 貴州省太陽能資源分布示意

圖3 貴州省各月水平總輻射情況

圖4 貴州省各月直接輻射情況

根據(jù)貴州省風(fēng)能太陽能資源分布特征及開發(fā)量評估，全省光伏技術(shù)可開發(fā)量約35 000 MW，年利用小時低于900 h的技術(shù)可開發(fā)量14 000 MW，年利用小時900～1 000 h的技術(shù)可開發(fā)量3 500 MW，年利用小時在1 000～1 100 h的技術(shù)可開發(fā)量10 500 MW，年利用小時大于1 100 h的技術(shù)可開發(fā)量7 000 MW。截至2020年底，貴州省光伏累計裝機達(dá)10 570 MW，未來可開發(fā)裝機空間約89 430 MW。

烏江流域的太陽能資源東西差異明顯，整個流域太陽能資源從西向東北方向遞減，西部區(qū)域靠近牛欄江流域的少許區(qū)域太陽能資源較好。烏江流域13個梯級水電站周邊50 km范圍內(nèi)，水平面總輻射值大于3 700 MJ/m2的光伏技術(shù)可開發(fā)量約為12 000 MW，已開發(fā)及核準(zhǔn)裝機約600 MW，剩余可開發(fā)量約11 400 MW，核實用地性質(zhì)后技術(shù)可開發(fā)量約為10 830 MW?？紤]烏江流域后續(xù)光伏發(fā)電開發(fā)區(qū)域太陽能資源及光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)水平，烏江上游、中游、下游光伏發(fā)電年利用小時數(shù)分別約900、790 h和770 h。

北盤江流域的太陽能資源主要集中在西南部區(qū)域，中部及東北部區(qū)域資源相對較差。北盤江流域7個梯級水電站周邊50 km范圍內(nèi)，水平面總輻射值大于3 700 MJ/m2的光伏技術(shù)可開發(fā)量約為5 000 MW，已開發(fā)及核準(zhǔn)裝機約2 790 MW，剩余可開發(fā)量約2 210 MW，核實用地性質(zhì)后技術(shù)可開發(fā)量約為2 210 MW?？紤]北盤江流域后續(xù)光伏發(fā)電開發(fā)區(qū)域太陽能資源及光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)水平，北盤江流域光伏發(fā)電年利用小時數(shù)約950 h。

南盤江流域的太陽能資源整體分布較均勻，僅最東部區(qū)域相對較差。南盤江流域3個梯級水電站周邊50 km范圍內(nèi)，水平面總輻射值大于3 700 MJ/m2的光伏技術(shù)可開發(fā)量約為3 000 MW，已開發(fā)及核準(zhǔn)裝機約1 540 MW，剩余可開發(fā)量約1 460 MW，核實用地性質(zhì)后技術(shù)可開發(fā)量約為1 460 MW?？紤]南盤江流域后續(xù)光伏發(fā)電開發(fā)區(qū)域太陽能資源及光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)水平，南盤江流域光伏發(fā)電年利用小時數(shù)約1 000 h。

清水江流域的太陽能資源整體分布較均勻，僅東北部區(qū)域相對較差。清水江流域3個梯級水電站周邊50 km范圍內(nèi)，水平面總輻射值大于3 700 MJ/m2的光伏技術(shù)可開發(fā)量約為1 000 MW，暫無已開發(fā)及核準(zhǔn)項目，核實用地性質(zhì)后技術(shù)可開發(fā)量約為1 000 MW?？紤]清水江流域后續(xù)光伏發(fā)電開發(fā)區(qū)域太陽能資源及光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)水平，清水江流域光伏發(fā)電年利用小時數(shù)約820 h。

從上述太陽能資源條件分析可知，貴州省太陽能資源條件相對一般，僅省之西部地區(qū)資源較好?！笆濉睍r期光伏發(fā)電成為貴州省新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，隨著光伏技術(shù)水平的提高，發(fā)電成本的下降，較風(fēng)電而言，光伏發(fā)電未來更具市場競爭力。

2 出力特性分析

2.1 風(fēng)電出力特性

根據(jù)貴州已建成風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)，分析貴州省風(fēng)電出力年特性[8]、日特性規(guī)律，并重點對烏江流域、北盤江流域、南盤江流域和清水江流域風(fēng)電出力特性進(jìn)行統(tǒng)計。

2.1.1 整體出力水平

風(fēng)力整體出力水平用“風(fēng)電年利用小時數(shù)”來表征，通常稱為年等效滿負(fù)荷發(fā)電小時數(shù)。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，貴州省2016年～2019年風(fēng)電年利用小時數(shù)在1 806～1 861 h之間，全省整體出力水平具有以下特點：

(1)不同地區(qū)風(fēng)電場年利用小時數(shù)差異明顯。烏江流域上游及北盤江流域上游的畢節(jié)、六盤水地區(qū)風(fēng)能資源最好，風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量也最大，這兩個地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量合計約2 114 MW，占全省風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量的46.2%，年利用小時數(shù)達(dá)到2 000～2 150 h；烏江流域中游的遵義、貴陽，北盤江流域中下游的安順、黔南和南盤江流域所在的黔西南地區(qū)風(fēng)能資源整體次之，以上4個地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量合計約1 699 MW，占全省風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量的37.2%，年利用小時數(shù)約1 850 h；清水江流域所在的銅仁、黔東南地區(qū)風(fēng)能資源整體一般，部分海拔較高的地區(qū)風(fēng)能資源較好，這兩個地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量合計約753 MW，占全省風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量的16.6%，年利用小時數(shù)約1 750 h。

(2)各風(fēng)電場整體出力水平與風(fēng)電場場址所在位置關(guān)系密切，同一風(fēng)電場年利用小時數(shù)年際變化差異較大，統(tǒng)計典型風(fēng)電場2015年～2019年共5 a的利用小時數(shù)，如表1、圖5所示，不同年份之間變化最大達(dá)到20%，這主要是由于貴州同時受兩個不同季風(fēng)區(qū)共同影響造成的。

表1 貴州省歷年風(fēng)電并網(wǎng)運行情況

圖5 貴州省典型風(fēng)電場利用小時數(shù)變化

2.1.2 年內(nèi)出力特性

從貴州省風(fēng)電出力年特性看，貴州一般3月～4月、10月～12月風(fēng)速較大(如圖6所示)，其發(fā)電量約占全年發(fā)電量的70%；5月～9月風(fēng)速較小，其發(fā)電量約占全年發(fā)電量的30%。貴州風(fēng)電的這種分布特點是由其自然地理條件決定的，貴州位于云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，東半部在全年濕潤的東南季風(fēng)區(qū)內(nèi)，西半部處于東南季風(fēng)區(qū)向西南季風(fēng)區(qū)的過渡地帶。冬半年南下冷空氣常在省之西部形成靜止鋒，畢節(jié)、六盤水一帶經(jīng)常處于鋒前位置，多晴朗大風(fēng)天氣；省之中、東部經(jīng)常處于鋒后位置，多陰雨天氣。夏半年由于副熱帶高壓控制，多微風(fēng)且雨量充沛；不同季節(jié)之間發(fā)電量差異較大。

圖6 貴州省風(fēng)電出力年特性

2.1.3 日內(nèi)出力特性

貴州已建成風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)分析表明，單個項目短期內(nèi)風(fēng)電出力日特性幾乎無規(guī)律。隨著風(fēng)電場數(shù)量增多及統(tǒng)計時段加長，貴州風(fēng)電出力日內(nèi)分布具有一定的規(guī)律性?？傮w夜間高于白天[9]，22∶00～次日6∶00出力較大，10∶00～17∶00出力相對較小如圖7所示。

圖7 貴州省風(fēng)電出力日特性

2.1.4 出力頻率分布

風(fēng)電出力頻率分布統(tǒng)計需引入?yún)?shù)“風(fēng)電出力率”，風(fēng)電出力率指并網(wǎng)風(fēng)電項目出力占并網(wǎng)風(fēng)電總裝機容量的百分比。根據(jù)收集到的貴州風(fēng)電逐10 min出力資料，將風(fēng)電場項目按本次研究的四個流域進(jìn)行劃分，分別統(tǒng)計其風(fēng)電出力頻率分布。4個流域范圍內(nèi)風(fēng)電出力頻率分布主要集中在0.3以下，出力率低于0.1的占35%以上，出力率低于0.3的項目超過60%；從流域范圍看，烏江流域上游、烏江流域中游及北盤江流域、清水江流域風(fēng)速較高區(qū)域出力率高值時段較多，最高可達(dá)0.9，南盤江流域最高出力率僅約0.7(如圖8所示)。

圖8 貴州省風(fēng)電出力頻率分布示意

2.2 光伏出力特性

隨著日出日落、季節(jié)及天氣等因素變化，太陽輻射量發(fā)生變化，因此，光伏發(fā)電具有間歇性、波動性和隨機性的特點。根據(jù)貴州省范圍主要流域SolarGIS高分辨率數(shù)據(jù)庫30分鐘輻射數(shù)據(jù)(包括水平總輻射、散射輻射、直接輻射)，考慮目前光伏發(fā)電技術(shù)水平，計算全省光伏項目逐小時出力并分析其出力特性。

2.2.1 整體出力水平

貴州年日照時數(shù)在988.9～1 740.7 h之間，平均為1 220 h(如圖9所示)，年平均太陽總輻射在3 149.16～4 594.80 MJ/m2之間，其中省之西部和西南部高，年平均太陽輻射4 000 MJ/m2以上；北部低，年均太陽輻射在3 300 MJ/m2以下，其他地區(qū)在3 300 ～4 000 MJ/m2之間。貴州光伏整體出力與輻射量空間分布基本一致，烏江流域光伏出力區(qū)域差異較大，經(jīng)計算其上游(東風(fēng)水電站以上)、中游(東風(fēng)水電站～構(gòu)皮灘水電站)、下游(構(gòu)皮灘水電站以下)年利用小時數(shù)分別為904、791 h和768 h；北盤江流域整體太陽能資源較好，年利用小時數(shù)為953 h；南盤江流域整體太陽能資源好，年利用小時數(shù)為996 h；清水江流域整體太陽能資源一般，年利用小時數(shù)為819 h。

圖9 貴州省2020年日照時數(shù)

2.2.2 年內(nèi)出力特性

從貴州省光伏發(fā)電出力年內(nèi)特性看，全年月平均出力在0.045～0.148之間，年內(nèi)出力以3月～5月較大，10月～次年1月較小?？傮w而言，光伏電站年內(nèi)出力變化呈春季大、秋冬季小的特點。從各流域內(nèi)光伏項目出力年內(nèi)特性看，出力較高的6月～9月份，各流域光伏項目出力差異較小，同時率較高；11月～次年5月份各流域光伏項目出力差異變大。整體烏江流域上游、北盤江流域、南盤江流域光伏項目出力較大，烏江流域中下游、清水江流域光伏項目出力較小(如圖10所示)。

圖10 貴州省光伏發(fā)電出力年內(nèi)特性

2.2.3 日內(nèi)出力特性

光伏電站出力在晴朗、無云的氣象條件下較有規(guī)律性，日出力曲線基本成正態(tài)分布，類似正弦半波，出力時間集中在6∶00～18∶00之間，12∶00～13∶00出力達(dá)到峰值，夜間光伏電站出力為0。在多云及降雨情況下，隨機性較大，無規(guī)律性，但具有明顯周期性。夏季光伏電站運行時間較長，冬季光伏電站運行時間較短，春夏季出力大于秋冬季出力，主要受太陽位置和光伏電站位置影響。光伏發(fā)電日最大出力變化幅度較大，日出力曲線呈鋸齒形(如圖11所示)。

圖11 貴州省光伏項目出力不同季節(jié)和天氣日特征曲線

2.2.4 出力頻率分布

根據(jù)貴州省范圍內(nèi)NASA逐小時傾斜面輻射數(shù)據(jù)，考慮目前光伏發(fā)電技術(shù)水平，計算全省光伏項目逐小時出力?？梢钥闯觯F州光伏項目單位容量裝機出力主要集中在0～0.3范圍內(nèi)，考慮全省范圍內(nèi)光伏出力同時率，貴州單位千瓦光伏出力最大值為0.6(如圖12所示)，這與貴州省太陽能資源條件整體一般，僅省之中、西部地區(qū)資源較好有關(guān)。

圖12 貴州省及各流域光伏發(fā)電出力頻率分布

3 結(jié) 論

貴州省風(fēng)能資源總體西部好于東部，中部好于南、北部。風(fēng)資源隨海拔高度變化大，絕大部分風(fēng)資源較好區(qū)域位于海拔1 500 m以上的高山山脊或臺地上，高值區(qū)分布相對零散且復(fù)雜，適合分散式風(fēng)電開發(fā)。貴州省中部以西風(fēng)速和風(fēng)能呈冬春季大、夏秋季小的特點，與占主導(dǎo)地位的水電具有豐枯互補效應(yīng)。主導(dǎo)風(fēng)向明顯，絕大部分地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向以偏南風(fēng)或偏北風(fēng)為主，有利于風(fēng)能資源的利用。

貴州省多陰雨天氣，太陽能資源總量偏低，貴州省年平均太陽總輻射在3 400 MJ/m2以上，空間差異較大，太陽能資源自東北向西南逐漸增加。年內(nèi)出力變化呈春季大、秋冬季小的特點。在晴朗、無云的氣象條件下日出力曲線基本成正態(tài)分布，出力時間集中在6∶00～18∶00之間，12∶00～13∶00出力達(dá)到峰值，夜間光伏電站出力為0。在多云及降雨情況下，隨機性較大，無規(guī)律性，日最大出力變化幅度較大，日出力曲線呈鋸齒型。

綜上所述，風(fēng)光資源和出力特性都具備一定的互補性，通過多能互補打捆送出的方式可以在電源側(cè)解決風(fēng)光出力的波動性和隨機性，提高電源質(zhì)量，促進(jìn)新能源的開發(fā)建設(shè)。