中国极端天气事件下可再生能源系统时空充足性评估：面向碳中和的电力系统韧性挑战

为应对极端天气对中国高比例可再生能源电力系统的冲击，Kai Jiang等研究人员通过构建包含108万条极端天气警报的省级测试集（CPETS），首次量化评估了7类极端天气（如寒潮C、台风T）对风光充足性指标（含爬坡量ΔR、极端负荷ΔP、累积能量ΔQ）的三维影响。研究发现：2050年极端天气导致的全国可再生能源弃电量将达263.61 TWh（相当于京沪年用电量之和），省级灵活性需求峰值达11.03 GW。该研究为碳中和目标下电力系统规划提供了关键时空决策依据，发表于《Nature Communications》。

　　

随着中国成为全球第二大经济体和碳排放大国，2060碳中和目标对电力系统转型提出严峻挑战。当前风电光伏（简称可再生能源）装机占比已达30%，但极端天气导致的供需失衡问题日益突出：2021年京津冀寒潮造成44%风电机组低温保护停机，而台风"杜苏芮"却使福建风电场发电量激增4500万千瓦时。这种"冰火两重天"的极端场景，暴露出高比例可再生能源系统在气象扰动下的脆弱性。更棘手的是，中国省级电网的电源结构、负荷特性和遭遇的极端天气类型存在显著空间异质性——西北地区可能因沙尘暴（S）导致光伏出力骤降，而东南沿海则面临台风（T）引发的负荷激增。传统研究多关注气候变化的长期影响，但对极端天气实时冲击电力系统"源荷平衡"的时空规律仍缺乏系统性认知。

为此，北京大学、清华大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了一项开创性研究。他们构建了中国省级极端天气电力测试系统（CPETS），整合2843个县市的108万条历史警报数据，首次对寒潮（C）、高温（H）、大风（G）、暴雨（R）、暴雪（B）、沙尘（S）、台风（T）七类极端天气开展风光充足性（Adequacy）的时空评估。研究创新性地提出包含爬坡量（Ramping）、极端负荷（Extreme load）、累积能量（Energy deviation）的三维指标体系，并模拟了4种发展路径（BAU/NDC/GM2.0/CN2050）下2050年的系统韧性。

关键技术方法包括：1) 基于NASA-Power气象数据和省级用电特征的负荷-温度敏感性模型（式12）；2) 考虑轮毂高度修正的风机功率曲线（Gamesa-G126-2.5MW模型）和倾角优化的光伏出力计算（OS-P72-300模型）；3) 火电-碳捕集（Coal-CCS）与储能系统（ESS）的灵活性需求量化模型（式9-10）；4) 45种空调普及率情景的敏感性分析。

【结果】
省级风光充足性变异特征：
通过对比典型日与极端日的净负荷曲线（负荷-可再生能源出力），研究发现2020年极端天气导致省级充足性赤字（ΔA⁺
）和盈余（ΔA^-
）分别达0.80-12.78%和2.98-20.41%。沙尘暴、寒潮和大风是造成盈余的"前三甲"，平均使风速提升0.96-1.18 m/s；而暴雨使太阳辐射骤降81.08 W/m²
，成为唯一导致2050年能量缺口（ΔQ⁺
）加剧的天气类型。

多维子指标演化规律：
• 爬坡量呈现"北降南升"空间分异：2020年内蒙古（NM）等北方省份向下爬坡量（ΔR^-
）增长50%，而南方因采暖需求向上爬坡量（ΔR⁺
）更高。
• 峰谷负荷"先恶化后改善"：最不利的"峰升谷降"事件占比从2020年27.71%降至2050年17.85%，但高温（H）引发的该类型事件反增25.39%，形成典型"鸭形曲线"。
• 能量偏差呈双向放大：2050年全国极端天气弃电量将达263.61 TWh，相当于北京上海2020年用电总量。

极端天气传播路径影响：
基于气象专业识别的三类传播路径显示：寒潮东部路径造成最大充足性盈余（8091.42 MW），而中部暴雪导致最严重赤字（5416.74 MW）。省间互济可使2050年盈余和赤字分别降低92.73%和80.07%。

灵活性资源需求：
CN2050路径下，应对赤字需配置2.67-244.34 GW储能（ESS），若改用煤电-碳捕集（Coal-CCS）可减少78.09%容量。每提升1%火电爬坡率（v），所需容量平均减少163.63 MW。

【结论与意义】
该研究首次揭示了中国省级电网在极端天气下的"双向充足性危机"：既存在局部缺电风险（如暴雨下的华中电网），又面临大规模弃风弃光（如沙尘暴中的西北电网）。研究建议：1) 通过跨省输电而非过度建设储能来应对盈余，可节省57.69 GW调节容量；2) 北方重点加强向下调节能力，南方需提升可再生能源渗透率；3) 火电灵活性改造（每1%爬坡率提升相当于772.16 MW容量替代）应与储能发展协同推进。这些发现为《电力系统安全稳定导则》（GB/T 38969-2020）的修订提供了科学依据，对实现"双碳"目标下电力系统韧性规划具有里程碑意义。