电网视角下的可再生能源干旱：基于三大洲实际发电量的气候学研究

《Renewable Energy》：Renewable energy droughts as seen by the grid: An observed-generation climatology across three continents

　　

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  首次实现跨三大洲的实测发电量可再生能源干旱气候学。
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  由59个机群组构成的计量面板，与电厂报告进行了验证（中位比值0.996）。
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  均值校准后的模拟仍可将干旱频率误判高达90%。
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  即使进行分位映射，干旱时机误差仍然存在；重叠率上限为71%。
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  ERCOT的多元化增长将干旱天数从32天/年降至7天/年；加州纯太阳能地区则未出现这一效果。

引言

随着电力系统向高比例风电和光伏发电迈进，其最紧的设计约束不再是平均资源水平，而是其最差的持续低出力时段。风电与光伏联合出力低迷的连续多日时期——即可再生能源干旱，或如欧洲文献中所称的"Dunkelflauten"——决定了储能时长的需求、基荷备用容量的需求以及互联输电线的价值：Raynaud等人正是出于这一原因引入了能量干旱的概念[1]，van der Wiel等人追溯了极端缺电事件背后的气象成因[2]，Kittel和Schill则量化了事件持续时间如何随识别阈值变化[3]。对这类事件的关注度正在迅速增长。在欧洲，德国的低风频率和持续时间统计已有[4]，基于站点数据的风光平衡与缺电风险已得到评估[5]，德国Dunkelflauten背后的天气型态也已识别[6]。英国附近的海上风电变异性已得到刻画[7]，一个全洲范围的多阈值表征现已存在[3]。在欧洲之外，美国的基准干旱数据集和复合干旱-需求事件已得到量化[8]、[9]，澳大利亚的干旱风险也已评估[10]、[11]。此类统计对识别选择的敏感性也已被考察[12]、[13]。在本期刊中，研究脉络从原始能量干旱概念[1]，经过英国年际变化对机制设计挑战的讨论[14]，延续至风光混合对干旱的缓解[15]、[16]，直至中国持续低风事件的统计[17]。

几乎所有现有证据都基于同一种构造：气象再分析资料经风电和光伏转换模型处理，为假想机组组合生成合成容量因子，然后在合成序列中统计干旱。这种方法有明确的优势，最重要的是提供长期的气候记录[18]。但随着实际机组组合不断壮大，它也存在三个盲点。第一，模拟链路本身极少在事件层面进行验证；验证实践针对的是均值和关联（风电链路[19]、光伏链路[20]及多国风电集成[21]），而正如我们所示，这并不约束干旱统计。第二，机组组合通常冻结于基准年[8]，而实际机组组合绝非静止不变：截至2025年，澳大利亚市场中投运的公用事业级风电和光伏机组有42%是在2020年2月之后首次发电的；2019年至2024年间，美国公用事业光伏装机容量翻了三倍多。第三，合成序列不包含任何计量出力的运行实际因素——限电、故障和上报偏差——因此文献无法说明电网实际经历的干旱与模型产生的干旱有何差异。

实测发电量此前也已被使用。全国机群组出力曾用于拟合和检验再分析驱动的风电模型[19]、[22]，英国极端低风统计已得到基准化[23]，储能规模研究中也比较了实测与再分析驱动的输入[24]。但据我们所知，尚无研究在多洲规模上基于计量的机群组出力构建干旱气候学，对计量数据所携带的伪影进行筛查，并据此在事件层面审计模拟链路。本刊中最近的先例从两方面说明了这一差距：能量干旱概念通过天气生成器模拟进入本刊[1]，而本刊发表的最近美国干旱基准则是基于模拟的电厂级出力、机组组合冻结于基准年构建的[8]。

本文通过直接在实测机群组发电量中测量可再生能源干旱来弥合这一差距，其规模我们认为是首次跨越多个大洲的。我们汇编了美国、欧洲和澳大利亚59个平衡区域和投标区域2019–2026年的逐时风电和光伏出力（第2节），用独立的电厂级报告链路对面板进行验证，并提出了一套质量控制协议，将气象干旱与运行数据伪影区分开来。随后我们探讨三个大洲的实测干旱气候学样貌及机组增长如何快速改变这些气候学特征（第4节），标准模拟链路在校准前后可复现它们的保真度（第5节），以及干旱与需求的交互及其空间同步性（第6节）。

本文贡献了四个据我们所知为全新的要素：(i) 跨三大洲38个大型机群组的实测发电量干旱气候学，经外部验证并以公开事件目录发布；(ii) 在事件层面对标准模拟链路的校准阶梯审计，区分校准能修复与不能修复的内容；(iii) 首次跨多洲的实测复合干旱-需求暴露及跨区域同步性量化；(iv) 检验机组增长和技术组合如何重塑实测负担——这是冻结机组组合研究无法表征的非平稳性。

章节摘要

实测发电量面板

图1总结了处理流程，图2展示了研究区域。我们整合了三个公开来源的计量机群组出力数据。对于美国，我们使用EIA-930逐时电网监控数据，该数据按燃料类型报告每个平衡机构(BA)的发电量；去除汇总编码后，39个平衡机构报告了可用的风电或光伏系列数据（2019–2026年）。对于欧洲，我们使用ENTSO-E透明度平台按生产类型报告的14个投标区域的实际发电量（2020–2026年）[25]、[26]

干旱定义

没有任何单一阈值能涵盖不同用户对可再生能源干旱的不同含义：识别选择会重塑统计结果[12]，检测方法在电网运营商需求面前排序不同[13]，标准化干旱指数[27]和气候异常指数[28]回答的是不同问题，事件也可以从电力系统侧定义[29]。因此我们在全文中使用三个互补的定义并扫描其参数。

时代相对（系统性稀缺）。

实测干旱气候学

图5展示了完整面板：涵盖59个面板区域中最大的31个区域长达七年半的逐日容量因子数据，并标注了三天及以上的时代相对事件。一目了然，实测记录包含了该领域关注的结构特征。阿尔卑斯山区和波河流域的行可见冬季干旱条带；2024年11–12月时期在德国、波兰和奥地利的行中呈现为一条连贯的垂直条纹；Uri在中部二月中旬2021年

校准阶梯

标准模拟能在多大程度上恢复实测记录？本节唯一需要记住的图表是图7：日常相关性——通常的验证货币——在每个受审计机群组中为0.88–0.93，然而干旱日重叠率从未超过0.71。下面的阶梯解释了为什么校准无法弥合这一差距。

我们构建广泛使用的链路——1°网格上的再分析等效天气[34]、[35]，机组坐标和投运日期，复合风电功率曲线以及

干旱与需求的交汇处

以同期需求对干旱加权重新绘制了风险图谱（图9）。原始干旱负担重但需求偏夏季或持平的区域（伊比利亚区域、佛罗里达、3.6个复合日/年的ERCOT）退居幕后；冬季需求峰值与冬季资源低迷重合的冬季峰系统跃居前列。太平洋西北地区在面板中领先（在q75需求阈值下博纳维尔达32.4个复合日/年，在更严格的q90阈值下仍达15.5），其次是挪威南部（22.0），阿尔卑斯

对充足性和储能研究的启示

研究结果对大量基于再分析驱动机群组确定储能和基荷容量的文献有直接启示：长时储能的作用[41]及其设计空间[42]、加州资源干旱对储能的含义[43]、欧洲Dunkelflauten的持续时间分析[3]以及美国复合干旱基准[8]都依赖于此类机群组。无论是原始还是均值校准后的此类广泛使用的一阶模拟，都不能假定其携带干旱统计量，

结论

可再生能源干旱迄今为止几乎完全在模拟中被研究。直接测量后，跨59个机群组、在三大洲长达七年半的记录中，它们在重要方面表现不同。一条通过常规验证的一阶模拟链路可将干旱频率高估多达3.6倍；标准均值校准使陆上风电机组组合的干旱倾向高出81%–90%，对于太阳能主导的

CRediT作者贡献声明

张晶乐： 原创初稿撰写、监督、方法论、经费获取、形式分析、概念化。张昊然： 可视化、验证、软件、数据管理。沈路文： 审阅与编辑、调查、数据管理。徐昭： 审阅与编辑、验证、方法论。

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了生态环境智能管理智能体研发与应用国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1206201）在京津冀生态环境综合治理行动下的支持。

张晶乐|张昊然|沈路文|徐昭