實現風電發展“五個轉變”的有效途徑

盛大凱，仇衛東，齊立忠

(國網北京經濟技術研究院，北京市，100052)

0 引言

我國風電建設“十一五”期間快速發展，裝機規模連續5年實現翻番［1］。至2010年底，我國風電裝機總容量達到44.7 GW。與此同時，我國風電的開發中也暴露出片面追求發展速度、裝機規模等問題，超常規發展過程中積累的矛盾和問題開始顯現。近期風機脫網事故頻繁發生，對風電場和電網的安全運行都帶來了嚴重影響，也給風電的發展方式敲響了警鐘。國家能源局于2011年8月5日提出了風電發展的“五個轉變”并頒布了18項風電技術標準，從戰略規劃和技術標準2個層面開始著手重新謀劃風電發展方式。“五個轉變”即:從風電大國向風電強國轉變;從追求速度向追求質量轉變;從追求裝機容量向追求發電量轉變;從集中大規模開發向大規模開發與分散開發并舉轉變;從以陸上風電為主向陸上和海上風電全面發展轉變。

如何將“五個轉變”落到實處，已經成為風電企業、電網企業共同的課題。

1 科學規劃是前提

我國一次能源分布與生產力發展很不平衡，其中陸上風電資源與電力負荷大多呈逆向分布。具備風電大規模集中開發的地區，一般電網規模偏小，無法就地消納，需要遠距離輸送、大范圍消納。并且風電規模越大，配套的送出工程規模也越大［2-3］。

風力發電的隨機性和間歇性決定了其并網必將給電力系統的調峰、調頻、安全穩定運行帶來挑戰。并且風電規模越大，相應帶來的挑戰也越大［4］。

負荷預測、電源規劃、電網規劃構成電力系統規劃，風電作為電源的一種，理應納入電力規劃統籌布局并形成滾動修訂機制。

第一，要把風電開發與電網規劃有機銜接。要認真研究風電開發地區、風電消納地區以及2個地區之間的電網狀況，使風電開發時序和規模與電網規劃互相融合，實現風電、電網協調發展。要根據風電的建設規模和在系統中的作用分別接入跨區輸電網、區域電網、省域電網、市域供電網、縣域配電網。

其中，建設大型風電基地，就必須接入與之相適應的大型電網。目前，我國規劃在內蒙古、甘肅、河北、吉林、新疆、山東、江蘇沿海等省區建設8個千萬kW級風電基地。與之相配套，電網也配套規劃了特高壓電網、風火打捆交流外送或直流外送線路、超高壓電網等輸電方式解決大規模風電外送和消納問題。

第二，風電規劃要與電源規劃有機銜接。在電源布局上要綜合考慮風電運行特性與電力系統運行要求，配套建設具有調峰功能的電源。

隨著風電的大規模開發，風電的反調峰特性大大增加了電力系統調峰的難度。近一段時間以來，由于系統的調峰容量不足，一些地區電網出現了負荷低谷時段不得不棄風的現象。如果配合風電開發建設具有快速啟停能力、可做調峰的水力、燃氣、燃油發電等電源，增加系統調峰容量，對于提高風電消納能力具有重要作用。

要適時啟動發電側負荷側峰谷電價政策，鼓勵有基本條件的區域創造條件與風電開發配套建設抽水蓄能電站，深入研究蓄能電站與風電出力配合運行實現削峰填谷的可行性。

抽水蓄能技術目前已在電力系統中得到長期和大范圍的應用，其做為系統的調峰電源，對于平抑系統發電曲線，減小峰谷差作用明顯，可有效提高風電消納空間。

第三，風電規劃要與負荷預測有機銜接。必須把風電電量消納規劃作為風電開發規劃的重要內容，要在風電遠距離輸送大范圍消納的同時研究開發就地就近的電力負荷和先進的電能轉換產品。

理論上，大規模的蓄能裝置將是風電消納的有效途徑。要加大研制蓄能裝置的力度，在技術開發的同時也要研究與之配套的政策措施。

目前，正在研發超導儲能、超級電容儲能、飛輪儲能和蓄電池等儲能技術。儲能系統具有動態吸收能量并適時釋放的特點，能有效彌補風電的間歇性、波動性缺點，改善風電場輸出功率的可控性，提升穩定水平。

第四，在規劃布點時對分布式風電開發給予應有的重視。

分布式風電靠近負荷中心，可以以低電壓等級分散接入電網，不需要建設大規模的送出工程，不需要長距離輸電，在江蘇、安徽、云南及沿海、南方地區等低風速地區具有較好的發展前景。

要因地制宜，綜合考慮可開發風資源、電網結構、負荷性質等因素確定風電規模，實現大規模開發與分散開發并舉。

2 規范設計是基礎

在風電場開發建設過程中，設計、制造、施工、運行是一個工作流程，其中設計決定著建設的內容和標準，是基礎性和根本性的節點。因此，要規范設計，按照風電運行與電網運行的特點確定設計方案，科學合理的配備技術手段，這是落實風電發展“五個轉變”的基礎。

國家電網公司近期連續下發了《風電并網運行反事故措施要點》、《關于切實加強風電場接入系統管理工作的通知》、《風電場電氣系統典型設計》，為風電場電氣系統建設和運行提供了一整套標準化的解決方案。典型設計的推廣可以有效提高設計的規范化和電網的智能化，不僅可以保障電網安全穩定運行，又能夠有效提高風電場上網電量，實現風電與電網的友好對接和協調發展。

2.1 提高“風電功率預測”精度，為風電調度提供依據

我國目前大多數風電場都沒有安裝風電功率預測系統，給電網調度風電帶來了很大困難。風電功率預測系統的主要功能是將風力預測數據上傳調度主管部門，根據風電功率預測系統數據制定合理的發電計劃，合理調度風電，減少棄風。

西班牙、丹麥等歐洲風電強國的風電場大多安裝了風電功率預測系統，如圖1所示。丹麥國家電網調度中心負責全國的電力調度，調度中心每天提前獲得次日的天氣預報數值，并進行比較，最終得到相對客觀的數據，隨后安排次日的調度任務，并下達給相關風電場。次日，調度中心根據預測與實際的差距，通知風電場改進預測方法，提高預測精度［5］。

圖1 風功率預測系統Fig.1 Forecasting system for wind power

近期，國家能源局也已下發文件《風電廠功率預測預報管理暫行辦法》，要求至2012年1月1日，所有已并網運行的風電場必須建立起風電預測預報體系和發電計劃申報工作機制，未按要求報送風電預測預報結果的風電場不得并網運行。

風電功率預測系統的核心問題是預測精度。我國對風電功率預測起步較晚，預測所需的基礎數據不足、對風電場氣象信息監測和收集技術不夠成熟，制約著風電功率預測的精度。

目前，各風電所在網省公司及其調度管理部門對風電功率預測工作高度重視，正在開展相關研究及技術攻關。2011年8月19日，吉林電網已率先完成大規模風電場功率預測及運行控制試點項目，并通過驗收，使得風電功率預測系統向智能調度支持系統移植，旨在解決風電預測的適應性和預測精度問題，對提高風電調度水平具有重要意義。

2.2 強調風機具備“低電壓穿越”能力，支撐風電、電網穩定運行

從幾次事故看，多數風機脫網都與自身不具備低電壓穿越能力有關。西北“4.17”事故中有部分完成低電壓穿越改造的風電機組未脫網，也佐證了風機具備低電壓穿越能力的必要性和迫切性。

低電壓穿越是指當電網發生故障或擾動，引起風電場并網點的電壓跌落時，在設定的跌落范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行。其主要目的是在電網故障或事故時，風電機組能保持一段時間不脫網，至少不加重電網事故或故障。

歐美各國依據各自電網網架、電源結構及接入條件不同，對風機的低電壓穿越能力要求有所不同。美國對于風機的低電壓穿越的參數要求是，電網電壓跌落深度為15%額定電壓時，風機能夠保持625 ms不脫網，電壓恢復至90%額定電壓的時間要求是在3 s以內;丹麥對低電壓穿越能力的要求更高。圖2為美國對電壓穿越的要求。

圖2 低電壓穿越要求Fig.2 Low voltage ride-through

目前，我國大多數在運風電機組不具備低電壓穿越625 ms的能力，生產廠商已按要求進行在運風機的低電壓穿越能力改造工作。2010年底，我國3大風機制造商研發出具備低電壓穿越能力的風電機組，并有部分機型已通過風電檢測機構的風機低電壓穿越能力測試。

歐美高于目前我國對風機低電壓穿越性能的相關技術規定，且大多為分布式電源，與我國風電集中大規模開發，遠距離外送有著明顯差異。由于風電的大規模集中式開發對電網的沖擊和影響遠大于分散式接入電網，因此，有必要對我國風電的大規模集中接入模式下的風電機組低電壓穿越能力相關技術要求進行重新審視。

2.3 實現風電“有功、無功功率控制”，為提高風電場上網電量創造條件

目前，風電運行中普遍存在以下共性問題:大規模集中接入，電網網架結構相對薄弱，電網送出能力有限;大規模風電場群多處于同一風力資源帶，具有很強的同時性，風電尖峰負荷大;風電功率預測難度大，旋轉備用安排困難;風電場運行單位多，風電調度運行指揮難度大;風電造成電網電壓波動非常頻繁，無功設備投切頻繁。

與水電、火電等常規電源相比，目前還沒有辦法對風電場有功無功出力進行計劃安排和控制，另外，我國以煤電為主的電源結構，系統備用容量和調峰手段有限，風電的大規模集中開發將使電網調度更為困難。

配置風電場有功功率、無功功率控制系統可以實現風電場有功無功功率的可控在控，減輕風電場功率頻繁變化給電網帶來的調整壓力，實現各風電場的協調控制，為大規模風電接入電網后的安全穩定問題提供有利條件。圖3為風電場有功率控制系統。

圖3 風電場有功功率控制系統Fig.3 Active power of wind farm control system

風電場有功功率、無功功率控制系統特別適用于風電場群的優化調度，最大限度地協調控制整個風電場群的出力，提高風電場發電量創造條件。

同時，應強化系統內火電、水電等其他電源的調度管理，尤其是調峰深度等的管理，提高其調峰應變能力，以增強系統應對風電調度的調峰能力，滿足風電各種發電模式下的運行控制要求。

3 有序建設是關鍵

2010年，我國的海上風電建設開始起步。根據有關部門的評估，我國近海海域風電裝機容量為100～200 GW，主要分布在遼寧、河北、天津、上海、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、海南等沿海省市，海上風電開發前景廣闊。

與陸上風電相比，海上風電運行環境復雜，技術要求高，施工難度大。海上風資源較陸上大，同高度風速較陸上大20%左右，風密度明顯上升，機組利用效率高，相應發電量大幅度。

3.1 重點進行“海上風電”關鍵技術的研究，為規模開發海上風電進行技術儲備

首先要充分認清海上風電對設備、設計、施工、運行、管理、維護等要求遠遠高于陸上風電，不能盲目涉入，應把海上風電選址工作做深做實。

第二，要在引進吸收國外海上風機制造技術的基礎上，加快國內海上風機的研發和生產，提高國產風機技術水平和單機容量。目前我國1.5 MW機組技術比較成熟，但急需提高風電機組的技術水平和單機容量，更好地利用海上優良的風資源，提高海上風電開發效益。

第三，應加快海上風電相風機吊裝、大件運輸、基礎施工、運行維護等相關施工技術的研究，為海上風電的大規模實施創造條件。海上風電的關鍵技術包括風電場選址、風機基礎設計及施工技術、風機安裝技術、風電場升壓站電氣設計技術、風電場電纜敷設技術、風電場送出方案研究以及風機制造技術。

3.2 加快海上風電相關技術標準的制訂，規范海上風電建設

我國海上風電正處于起步階段，缺少統一規范標準和廣泛認同的管理辦法，設計、施工大都無章可循。可以預見，隨著海上風電的大規模開發，海上風電的技術標準將會成為焦點問題之一。

工程建設，標準先行。主管部門要盡快組織相關單位開展或完善海上風電開發的規范、標準，使海上風電的建設有規可循。

3.3 積極推進“海上風電”設計技術研究，為海上風電建設提供設計技術支撐

海上風電大多采用輕型直流等輸電技術將海上風電送至陸上電網，同時海上風電電氣系統的建設需考慮到海上特殊地理環境和氣象條件等，其設計相較陸上風電也有所不同。因此，需配合海上風電的開發，積極推進海上風電相關設計技術的研究，為海上風電標準化設計提供技術支撐。

要適時啟動“海上風電”典型設計，特別是電氣系統、基礎構造等方面的深入研究，為海上風電建設提供標準化解決方案。

3.4 嚴格審批，循序漸進，確保“海上風電”健康發展

我國已經成為陸上風電大國，有很多管理、建設方面的成功經驗，也不同程度地暴露了一些問題和不足，及時總結陸上風電建設的經驗教訓，避免“跑馬圈地”、“4.95”現象在海上風電重演。

我國第1個大型海上風電項目——上海東海大橋100 MW海上風電項目已經投入運行，其二期工程也在建設中，預計2012年建成投產。在海上風電的建設中，既要借鑒國際成功先例，又要及時總結國內的建設成果，試點先行、穩步推進我國海上風電的健康發展。

4 結語

經過數年高速增長之后，我國風電裝機總容量已位居世界首位，無論是從國家產業政策角度，還是陸上風資源開發角度，都已進入發展瓶頸期，未來陸上風電的發展方向將從注重發展速度、數量逐步過渡到注重發展質量、風電發電量、風電效益上來。先期發展過程中被忽視的風電技術問題如風電功率預測、低電壓穿越、有功和無功功率控制、風電調度管理、新能源儲能技術等將日益得到重視和完善，使得風電發展逐步走向科學、有序、合理的發展軌道上來。

［1］何祚麻.解決中國能源短缺問題的重要途徑［J］.福州大學學報:哲學社會科學版，2005，19(1):5-7.

［2］汪寧渤，馬彥宏，夏懿.甘肅酒泉10 GW風電基地面臨的巨大挑戰［J］.電力建設，2010，31(1):101-104.

［3］肖創英，汪寧渤，丁坤，等.甘肅酒泉風電功率調節方式研究［J］，中國電機工程學報，2010，30(10):1-6.

［4］ Torben S N，Alfred K J，Henrik M，et al.A new reference for wind power forecasting.Wind Energy，1999(1):29-34.

［5］馬彥宏，汪寧渤，劉福潮，等.甘肅電網風電預測預報系統［J］.電力系統自動化，2009(16):88-90.