近年来，中国风能太阳能开发利用进入全新发展阶段，可再生能源发电量快速增长，呈现出大规模、高比例、市场化、高质量发展特征。国家《“十四五”可再生能源发展规划》提出，“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中占比将超过50%，风电和太阳能发电量实现翻倍，要大力推进风电和光伏发电基地化开发，重点建设新疆、黄河上游、河西走廊、黄河几字弯、冀北、松辽、黄河下游新能源基地和海上风电基地集群，其中，宁夏北部是黄河几字弯新能源基地的重要组成部分。
风能太阳能资源固有的间歇性、波动性、周期性等不稳定特性对电力消纳带来了极大挑战
[1-2]，为此，在新的风能太阳能电站规划和设计中，要建设一定的储能配比，提高电力曲线的稳定性，需要在对当地风能太阳能风光资源及其不稳定性与互补特性充分了解的基础上，对储能配比进行优化
[3-4]。另一方面，风能太阳能不稳定特性的气候特征对于新型电力系统建设和可再生能源替代行动，以及科学规划火电、天然气发电等化石能源的容量和比例，具有重要意义
[5-6]。国内外相关研究主要包括两方面：一是气候尺度的资源分析与评估
[7-10]，二是天气尺度的风能太阳能波动性分析和预报预测
[11-14]。王捷儒等
[15]从日变化和月变化角度分析研究了吉林西部风光资源的互补特性，得出通过一定资源利用比例的调整可以大幅提高叠加后的资源稳定性。申彦波等
[16]分析了吐鲁番地区的可利用太阳能资源变化特征及其可能原因。DONG 等
[17]利用宁夏风电场实测风速和风功率数据，计算出每小时期望风功率，指导风电场的每小时运行，提高风能利用效率。韩世涛等
[18]对宁夏太阳能资源进行了评估，桑建人等
[19]分析了宁夏太阳能资源时空分布特征及利用潜力综合评价，冯蕾等
[20]基于现场实测分析了宁夏太阳山地区太阳能资源特征。对宁夏小风、寡照气候特征的研究较少。本文以气象站长序列实测数据为基础，对宁夏北部小风、寡照的时长、出现时段、季节变化特征等进行分析，揭示当地风能太阳能气候特征及其互补性，以期为黄河几字弯新能源基地的总体规划、储能配比、并网消纳以及区域性可再生能源替代等提供参考。
1 研究区域与数据方法
1.1 研究区域
宁夏北部是黄河几字弯流经区域，属内蒙古高原的一部分，西靠绵延的贺兰山脉，北接内蒙古，南望六盘山脉，地形主要有平原和山地两类，平均海拔≥1 000 m
[21]，由于贺兰山脉削弱了冬季西北季风和夏季东南季风的影响，风速较小，云量少，降水较少，雨季多集中在6—9月
[22-24]。本研究取宁夏北部与黄河几字弯新能源基地的重合区域，面积约占1万km²，大部分区域属引黄灌区，有1个辐射观测站和10个具有长时段逐小时观测的国家气象站（
图1）。
1.2 数据资料
银川站自1993年1月开始进行辐射观测，总辐射表型号为TBQ，属自动观测，具备逐小时观测记录。自2004年1月1日开始，银川站风要素进行自动观测，具备逐小时观测记录，但2005年1月1日该站迁站，启用了在原站西南方向1 km处的新站。利用2005—2020年风速数据进行分析时发现，2005、2006年较之后的数据明显偏低，为排除迁站对数据资料的影响，本研究选用2007年1月1日0时—2020年12月31日23时（北京时）共14 a银川站逐时总辐照度数据，及宁夏北部10个气象站逐时10 m高度风速和逐日日照时数数据。
根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002）和《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526—2019）中相应评判标准，剔除无效数据和不合理数据，宁夏北部各站风速数据完整率均为99.99%，日照数据完整率均为100%，银川站总辐照度数据完整率为100%。数据来源于国家气象信息中心。
对于缺失的时次数据，采用间隔时长加权平均方法，根据缺失时次前后最近时次数据进行插补，插补后的数据完整率均达到100%。
1.3 判别方法
1.3.1 小风天气
考虑当前主流风机的启动风速约为3 m/s，将风机轮毂高度100 m处风速＜3 m/s的情形定义为小风天气。根据《风电场风能资源评估方法》（GBT 18710—2002），采用公式（1）风切变幂律公式，将风机轮毂100 m高度z1处的启动风速3 m/s推算为气象台站观测10 m高度z2处的风速。
式中：z1为风机轮毂高度，z2为台站观测高度，单位均为m；v1为风机轮毂高度z1处的启动风速，v2为台站观测高度z2处的风速，单位均为m/s；α为风切变指数。文中z1=100 m，z2=10 m，v1=3 m/s。
已有研究表明，
α随地形而变化
[25-27]，Masters
[27]研究了不同地形特征的
α取值（
表1）。宁夏北部大部属平原，为黄河引灌区，灌区内植被覆盖率较高，尚未开垦的荒地以草原植被为主体，应属“地上高草覆盖”地形，
α取0.15（
表1），但在一般研究中，
α的常用经验值为1/7
[28]，两个值相差很小，故本文取
α为经验值1/7进行计算。由
公式（1）可得到
v2约为2.2 m/s，本文小风天气判别条件为：台站10 m风速＜2.2 m/s。
1.3.2 寡照天气
对于光伏发电，理论上，只要有短波辐照度，即可有功率输出。但实际运行中，若辐照度过低，光伏电站输出功率很弱，再经由逆变器、输出线路等环节的衰减，最终并网电量几乎可以忽略不计。
按照《太阳光伏能源系统 术语、定义和符号》(IEC/TS 61836：2016)，光伏组件的标准测试条件为大气质量AM1.5、辐照度1 000 W/m2、温度25 ℃。参考国内外相关试验标准，将测试用的标准辐照度的1/10即100 W/m2定义为寡照天气的阈值。因此，寡照天气判别条件为：总辐照度＜100 W/m2。
1.3.3 小风寡照天气
当风速和总辐照度的观测值达到小风且寡照条件时，定义为小风寡照天气，判别条件为：10 m高度风速＜2.2 m/s，且总辐照度＜100 W/m2。
1.4 代表站选取
太阳总辐射和日照时数是定量描述太阳能资源丰富程度的主要指标，两者呈正相关
[29]，统计分析银川站与宁夏北部其他各站日照时数的相关性，发现相关系数均在0.8以上，故银川站作为宁夏北部辐射观测的代表站是可行的。
风速受地形地貌影响较大，宁夏北部气象站的站点海拔高度除石炭井站达1 400 m以外，其余均在1 100 m左右，为减少局地风速对整体研究的影响，将各站各时次风速转换为是否小风天气后，再计算相关性，取相关系数之和最大的4站作为宁夏北部风速数据的代表站，分别为银川、石嘴山、陶乐、青铜峡，其地理位置分布均衡。本研究中，风速数据取4站的观测平均值。
2 结果分析
2.1 多年平均状况
表2为宁夏北部2007—2020年小风寡照天气时长及占比。小风时间较寡照时间长，日均时长分别为18.1、17.4 h，占总时长比例分别为75.6%和72.4%，考虑夜间无日照的情况，说明宁夏北部白天太阳能资源明显优于风能资源。经风光互补后，小风寡照日均时长降为14.3 h，相比单一的小风、寡照时长，分别减少了4、3 h，说明风能、太阳能具有较好的互补性，且太阳能对风能的互补作用更大。白天，小风和寡照日均时长分别为8.8、6.5 h，其中寡照时段主要出现在日出日落时。将两者统一考虑后，小风寡照日均时长为5 h。风光互补只在白天时段，将两种气候资源统筹开发利用，可有效减少小风寡照时长，更有利于新能源交替出力发电。
宁夏北部小风寡照日均时长近似正态分布，出现频次最高的时长为14 h，概率密度值最高点为14.0 h，与多年平均状况14.3 h基本一致（
图2）。宁夏北部存在全年超过5 000 h、日均超14 h的小风寡照时长，其中白天约为夜间的一半，可据此特点对2个时段采取不同的、灵活的电力和储能调度策略，制定有效的消纳措施，以提高风光资源开发利用率。
2.2 年变化特征
图3和
图4分别为3种特定天气日均时长及其互补的逐月变化。小风与寡照的年变化具有季节性波峰谷交错性（
图3），5—10月小风日均时长高于寡照日均时长，其他时段相反，夏半年太阳辐射较强、风速较弱，冬半年风速较强、太阳辐射较弱。小风寡照与小风的年变化曲线波峰谷形状基本一致（
图3），说明宁夏北部风光资源互补受风资源的影响较大。以9、10月为例，尽管寡照时间不长，但小风时长最高，所以小风寡照时长较高。经过风光资源互补后，小风寡照日均时长整体下降（
图3），与小风或寡照一样，具有季节性变化规律，3—5月较低，需要通过储能或其他电源进行电力补充的时长较短，9月—次年1月较高，需要电力补充的时长较长。小风寡照互补日均时长逐月变化不大（
图4），均在6~8 h，春、夏季普遍高于秋、冬季，说明宁夏北部风能太阳能资源各月的互补能力较均衡，春、夏季互补能力略高于秋、冬季。风能、太阳能的补充能力方面，6—10月风资源较弱，靠太阳能资源补充的时段较多，而其余时段，风能资源优于太阳能资源，风能可补充太阳能资源时段较多。
3—5月是宁夏北部风能太阳能互补发电出力能力最强时段，9月—次年1月是风能太阳能互补发电能力最弱的时段。从能源电力管理的角度，可参考此特征制定合理的年度调度策略，同时可参考风能、太阳能单独出力强弱时段特征，提前关注发电出力强的要素实时变化，及时调整调度措施，避免新能源发电不足带来的电力短缺。
2.3 持续时间统计特征
连续小风寡照天气最长持续时间均发生在秋、冬季。小风天气最长持续时间超过半月；寡照天气最长持续时间近6 d；小风寡照最长持续时间近5 d，出现时间与小风最长出现的月份相同（
表3）。因此，在风光资源互补开发利用的同时，要注意长时间小风造成的新能源发电不及对供电的影响，参考3种特殊天气的最长持续时间，有计划地在秋、冬季增加其他电力能源，适当增设一定储量的电力储能设备，可有效减少秋、冬季风光资源长时段缺乏而带来的电力短缺风险，保障电网稳定性和电力供给，避免电力事故的发生。
小风、寡照天气出现次数随持续时间增加而下降（
表4）。小风天气持续12 h以上次数约为187.4次/a；持续24 h以上的次数为68.1次/a；持续96 h以上的次数为6.9次/a。受夜间无日照的影响，寡照天气持续12 h以上的次数约为344.7次/a，持续24 h以上的次数为16.8次/a，持续96 h以上的次数2007—2020年间仅发生4次，说明宁夏北部太阳能资源丰富。
由于太阳运动日夜周期交替的特点，寡照天气持续12 h以上的次数明显高于小风天气，而持续24 h以上的次数则显著低于小风天气，这为风能太阳能互补开发利用提供依据。将风能太阳能统一考虑后，白天日照会将持续24 h及以上小风天气隔断，造成持续12 h以上小风寡照天气的次数比小风天气次数多，但持续18 h及以上小风寡照天气次数均比小风、寡照少，且小风寡照长时间持续的次数有显著下降，其中持续24 h以上次数为94次，平均约6.7次/a，持续48 h以上的次数平均不足1次/a，持续72 h以上次数2007—2020年间仅出现1次，进一步验证风能太阳能互补开发利用的有效性。
图5为3种特定天气持续时间各季节占比，秋、冬季是宁夏北部小风、寡照天气长时间持续出现的多发季节。持续12 h以上各季节占比均基本相同，随持续时间增加，小风天气春、夏季占比逐步下降，秋、冬季占比逐步上升；寡照天气受夜间无日照的影响，持续18 h以上和72 h以上出现各季节占比突变，其他时长均夏季占比缓慢下降，秋季占比缓慢上升，冬、春季变化不明显。受风光互补的影响，小风寡照天气除持续18 h以上出现各季节占比突变外，其他时长的春季占比逐步减少，是风光资源互补能力较强的季节；夏季占比缓慢上升，风光资源互补能力逐渐转弱；秋、冬季占比变化不大，稳定在较高值，是风光资源互补能力较弱的季节，持续72 h以上小风寡照天气只出现1次，发生在冬季。
3 结论
基于2007—2020年宁夏北部银川、石嘴山、陶乐、青铜峡4站逐小时10 m高度风速平均值和银川站逐小时总辐照度数据资料，分析小风、寡照及小风寡照3种特定天气时长及出现频率的变化，得出结论如下：
（1）宁夏北部太阳能资源明显优于风能资源，风光资源具有较好的互补性，且太阳能对风能的互补作用更大，互补性受风资源变化的影响较大。宁夏北部日均小风、寡照和小风寡照时长分别为18.1、17.4、14.3 h，将无风、寡照统一考虑，即风能太阳能互补后，小风寡照日均时长相比单一的小风或寡照时长，分别减少约4 、3 h。
（2）宁夏北部小风、寡照及小风寡照的日均时长均存在季节变化，风光资源互补性也具有季节变化。小风寡照日均时长在3—5月最低，风能太阳能互补发电出力能力最强；9月—次年1月最高，风能太阳能互补发电能力最弱。小风与寡照时长具有季节性波峰谷交错变化特点，风光资源季节互补性明显，5—10月的小风时长均高于寡照时长，说明夏半年风速较弱、辐照较强，可补充小风时段较多，其余时段相反。受互补性季节变化影响，小风寡照互补日均时长逐月变化均衡，为6~8 h，春、夏季互补能力略高于秋、冬季。
（3）宁夏北部小风、寡照及小风寡照出现次数随持续时间增加而显著下降。小风天气持续24 h以上的次数是持续12 h的1/3，寡照天气受夜间无日照的影响，持续24 h以上的次数减少为1/20，小风寡照天气为1/40。从单一的小风或寡照天气持续时间次数看，寡照天气除持续12 h及18 h以上次数高于小风天气外，其余均显著低于小风天气，说明太阳能资源较风资源丰富。
（4）秋、冬季是宁夏北部小风、寡照及小风寡照较长时间持续出现的多发季节。随持续时间增加各季节占比均规律变化，基本是春季占比明显下降，夏季占比缓慢下降，而秋、冬季占比逐步上升至较高状态。春季是风光资源互补能力较强的季节，夏季风光资源互补能力逐渐转弱，秋冬季是风光资源互补能力较弱的季节。
本文基于宁夏北部逐小时太阳辐射数据进行分析，此区域只有一个太阳辐射观测站，尽管在研究中分析出此站与其他气象站日照时数具有很好的相关性，可作代表站，但总辐照度数据还受纬度、海拔高度、沙尘、气溶胶等因素的影响，今后可以针对相关的影响因素进一步分析研究，以取得更准确的结果。另外，本文将100 m风机轮毂高度风速推算至10 m气象站观测高度特定风速阈值时，采用了风切变幂律公式，风切变指数
α取常用经验值1/7，虽然参照了Masters研究的不同地形的取值，但
α具有时空变化特征，受地形、海拔、空气温度、时间、季节等因素影响
[25-27]，因此小风天气判别通过推算应用10 m高度数值来分析存在不确定性。在风电资源开发应用中，可提前增设测风塔进行梯度观测，在有观测数据的条件下，可对一些关键参数（如
α取值）进行检验分析，以提升评估分析的准确性。
京公网安备11010202008535号
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