國外分散式風力發電關鍵技術研究及對我國的啟示

趙 君

(國網黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030)

試驗研究

國外分散式風力發電關鍵技術研究及對我國的啟示

趙 君

(國網黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030)

美國、德國、西班牙和丹麥等國的分散式風力發電發展迅速，關鍵因素是分散式風力發電的技術相對成熟，并制定了一系列政策和激勵措施。通過對這些國家分散式風力發電發展的關鍵技術進行深入研究，借鑒其在該領域的先進經驗，總結我國分散式風電發展中存在的技術問題，對促進我國分散式風電項目的開發以及技術的進步具有重要意義。

分散式；風力發電；電網接入

風電的大規模集中開發和分布式利用已是國內外廣泛關注的兩種風能開發形式。“十一五”期間，我國風電發展的主要模式是大規模集中開發并網，大規模風電的迅猛開發也帶動了風電產業的快速進步，但同時也帶來了風電消納的難題，“棄風率”居高不下。

在這種情形下，分散式接入模式應運而生，并且逐漸廣泛地得到了應用。分散式風電系統具有規模小、見效快且能源利用率高的優勢。所以我國“十二五”期間將“建設大基地，融入大電網”模式改為了“集中+分散”的方式，鼓勵靠近負荷中心開發風場，分散接入。從技術和政策層面來說，我國對大規模風電并網和分布式電源接入都有了相應技術規定和營運模式，而對以“就地消納、多點接入、集中監控”為特點的分散式風電還缺乏相關技術標準及系統性的研究。

1 分散式風力發電技術

1.1分散式風力發電的定義[1]

分散式接入風電項目是指位于用電負荷中心附近，不以大規模遠距離輸送電力為目的，所產生的電力就近接入電網，并在當地消納的風電項目。

分散式接入風電項目應具備以下幾個條件：

a. 應充分利用電網現有的變電站和線路，原則上不新建高壓送出線路和110 kV、66 kV變電站，并盡可能不新建其他電壓等級的輸變電設施；

b. 接入當地電力系統110 kV或66 kV降壓變壓器及以下電壓等級的配電變壓器；

c. 在一個電網接入點接入的風電裝機容量上限以不影響電網安全運行為前提合理確定，統籌考慮各電壓等級的接入總容量，并鼓勵多點接入；

d. 除示范項目外，單個項目總裝機容量不超過50 MW。

1.2分散式風力發電的優點[2-15]

分散式風力發電最明顯的優點就是不用像大規模風電場一樣新建高電壓、遠距離輸電線路，由于其容量小，本地消納的壓力要小得多，還有如下幾方面的優點。

a.對電力用戶：①提高了電力供應的可靠性；②在電力用戶附近，恰當的地點安裝合適的風電機組，更加充分地利用了風能資源，不用新建長距離輸電線路，進而大幅度減小了線路的損耗，提高了能量轉換的效率；③依靠先進的電力電子設備進行有效地控制，滿足了電力用戶對電能質量的要求；④為我國輸電線路、配電設施延伸不到的偏遠地區，提供電力供應；⑤為電力用戶使用電力提供多種選擇的途徑。

b.對風電開發商：①因為分散式風力發電選址靈活、體積小、投資小、建設周期短，風電開發商能夠對投資形式進行有效評估，從而可以減小投資的風險；②以相對低的資金成本進入競爭的電力市場；③由于分散式風力發電屬于可再生能源，可以享受可再生能源的一些優惠政策；④建在電力用戶附近，一定程度地節約了輸電線路和設備的資金花費；⑤緊密配合負荷增長，擴建周期短，避免了無謂的資金花費。

c.對電網公司：①風電機組就地安裝，靠近電力用戶，節省了遠距離傳輸的輸電線路和配電系統的投資；②在沒有輸配電網絡的偏遠地區，電網公司架設輸電線路和配電設施的成本極高，所以分散式風力發電為電網公司緩解了壓力；③分散式風力發電亦可以作為今后應對電網大面積停電的一種重要措施。通過設置和調節應用于分散式風力發電的風機可以具有容易自啟動、恢復速度快等特點，當電力系統發生大面積停電事故后，這些發電機可作為電網“黑啟動”的電源，減少停電造成的損失，因此，分散式風電是大電網的有益補充。

d.對社會大眾的好處：①緩解了日益緊張的化石能源的壓力，削減了溫室氣體的排放，既滿足了人們持續增長的電力需求，又響應了環境保護的號召；②需要專業人才，可以一定程度地緩解就業壓力；③亦可以是分布式發電或微網的一部分，在發展過程中可以與其他能源發電項目有效結合，進一步提高供電的可靠性； ④對電能供應的可靠性和電能質量有更高要求，所以促進了我國風機產業的發展和技術升級，進一步提高了整個國家的勞動生產率。

2 國外分散式風電得以發展的主要因素

根據中國可再生能源學會風能專業委員會統計數據，2016年，全國新增裝機容量2 337萬kW，同比下降24%;截止2016年末，全國累計裝機容量達到1.69億kW。已經超越了美國，居世界首位，成為全球風電規模最大、發展最快的電網[16]。

可見，我國風電在規模化發展取得了突出的成績，但在分散式風力發電方面相比美國、德國、西班牙、丹麥等分散式風力發電激勵政策相對完善的國家，我國還處于起步階段，所以我們應該對以上國家的激勵政策進行深入研讀，以促進我國的分散式風力發電快速發展。

分散式風力發電項目在美國、德國、西班牙和丹麥這些國家得以快速發展，有其各自的特點，亦有其共性，對其共性進行總結主要包括以下幾方面。

a.在這些國家分散式風力發電項目都得到社會各界的大力支持，特別是地方政府降低門檻，允許個人投資建設分散式風力發電項目，全民辦風電的隊伍進一步擴大，這將是分散式風電項目的主力軍。

b.分散式風力發電項目的開發流程簡單，從風電項目的評估到商業運行的周期較短。

c.分散式風力發電項目的規模多樣，從50 kW的小型家用風機到兆瓦級的大型并網型風機，以固定電價來滿足政府、商業、工業、居民等不同種類用戶的電力需求。

d.分散式風力發電項目入網門檻低，可直接通過當地配網實現電網接入。

e.國家制訂了鼓勵開發分散式風力發電項目的一系列政策和措施。

f.風機制造商致力于新型風機的研發，應用于分散式風力發電的風電機組技術相對成熟。

g.金融機構、能源供給企業以及政府都能為分散式風電項目的建設提供資金支持。

3 我國分散式風電發展存在的技術問題

a.風能資源評估與選址技術

對于分散式風電項目的開發，風資源評估具有舉足輕重的意義，因此怎樣高效判斷特定區域的風資源狀況是非常重要的工作，其中最為關鍵的環節就是計算資源概率密度分布，并且將計算結果作為關鍵的指標，以此作為依據來分析并衡量此區域的風資源特點及現狀。

美國以及西班牙等國家已經廣泛開展了風資源評估工作，所涉及到的衡量指標也眾多，主要有季風圖以及額定誤差值等，得到的相關數據結果極其細致且精確。此外，風資源評估運用的手段及技術也相對比較完善，充分考慮了基地條件以及電力系統條件等，為相關項目開發提供了全面系統的數據。但是我國在風資源評估方面卻仍然有待加強。

風機容量和配置都會直接影響電網的穩定性，并且還會對電力系統短路電流以及電壓分布造成一定程度的影響。通過選擇適宜的安裝位置能夠有效降低電力系統的損害，同時提升整個系統的負荷率。假若安裝位置不科學，也必然會帶來不利的影響，使得配電網的可靠性大大降低。

在選址手段方面，我國和國外還存在明顯差距，風資源評估的精準度很大程度上影響了分散式風電基地的科學性。需要注意的是，由于風資源評估是存在區別的，當前國內并未形成全面系統的評估體系，自然也無法很真實地判斷分散式風電基地的狀況，造成評估結果存在一定的誤差。一般是通過氣象臺的相關統計數據來衡量風資源，然而數據無法準確反映出本地區的風資源現狀，僅僅是發揮參考的作用。因此，現階段國內在分散式風電場的選址方面仍然有待加強，應采取有效措施，有效提升風資源評估能力。

b.風功率預測技術與電力調度

目前，國外開發的風功率預測系統很多，如丹麥Ris國家實驗室的Prediktor預測系統、德國的AWPT預測系統以及西班牙的LocalPred預測系統等。這些預測系統均是根據氣象部門提供風向和風速等數據進行風功率預測的。丹麥Ris國家實驗室的Precliktor預測系統，就是利用HIRLAM提供風電場所屬位置的風速情況，綜合考慮風電場附近障礙物、粗糙度變化等因素后用WASP進行精度更高的風速預測，然后由發電量計算模塊Ris Park根據預測的風速計算出該風電場的風電預測功率。西班牙的LocalPred預測系統采用了高分辨率中尺度氣象模式MM5(或NWP模式)的氣象數據，通過統計模塊(MOS)對預測風速進行訂正，最后利用歷史氣象數據建立起來的功率輸出模型進行風功率預測。

目前，我國的風電功率預測主要是利用氣象數據的風速預測和統計方法，預測技術比較局限，預測精度也不甚理想。文獻[17]介紹了一種利用時間序列法的短期風速預測技術，但并沒有給出風電場輸出功率的預測。而文獻[18]則主要是利用了時間序列法和神經元網絡法進行風功率預測，能夠實現提前一個觀測時間段的風速以及風功率預測。文獻[19]基于神經網絡法和時間序列法兩種方法對風速預測進行了深入的研究，文章中的時序神經網絡模型其實質還是以時間序列為基礎，此方法不適用于較長時間的預測。所以我國的風功率預測的技術水平遠遠落后于美國、歐洲。

只有保證電力系統運行發用電的實時平衡，才能實現系統的安全與穩定。風電場并網后，由于目前的預測技術無法完全預測風電出力的波動，存在一定的誤差。所以為了調峰，調度機構就必須為波動的風電留出相當的備用容量，這樣就給電力調度機構帶來了麻煩。隨著電力系統中風電的比重日益增大，提高風功率預測能力，將是減少系統備用容量，減輕電力調度的最有效的途徑。也是分散式風電大規模發展的必要條件之一。

c.分散式風電的無功優化技術

近些年，我國在風電場無功優化算法的研究方面也取得了一定的成果，無功優化算法主要是人工智能方法和數學規劃方法。因為無功優化技術的非線性和復雜性，想要實現實時控制是非常不容易的，所以目前還沒有比較理想的解決措施。負荷是影響傳統配電網中無功優化效果最主要的不確定因素，配網中風電出力的波動性亦是一個影響較大的不確定因素。所以，無功優化方案和模型中要綜合考慮風電出力波動性和負荷的變化等這些不確定因素的影響。為了考慮負荷變化的影響，傳統的無功優化算法一般是假定一定時間內的負荷是固定不變的，然后把負荷預測的曲線分解成多個時段，用動態優化方法進行求解。而風電出力的波動比負荷的變化更加頻繁，而目前的風功率預測技術和精度還不甚理想，所以采用動態無功補償的方法來平抑風速的波動比較困難。

d.發展模式及電網接納能力

與西班牙、丹麥、德國等歐洲國家相比，我國風電的發展模式具有大規模集中開發、高電壓等級遠距離輸送等特點。千萬kW風電基地以高電壓等級的輸電線路集中送出。規模稍小(10萬kW以內)的風電場則以110 kV(或220 kV)電壓等級接入本地區電網，幾乎沒有直接接入35 kV及以下配電網的，這與歐洲國家風電場多接入配電網的模式有很大差別，所以分散式風電在我國現在的并網方式下要發展還需要相當長的時間。

歐洲有些國家風電的發展模式由陸地小規模開發轉向海上規模化發展。因為這些國家內陸的分散式風電已經將近飽和，不得不向遠離負荷中心的近海地區轉移。根據德國風能協會(BWE)預計，2020年德國在波羅的海和北海等海上區域規劃的風電裝機容量將達到1 000萬kW，這些風電將利用直流輸電線路送至南部地區的負荷中心。西班牙北部和南部沿海地區的風資源是未來幾年的主要開發方向，風電場以規模化開發為主，但東部的巴塞羅那和中部的馬德里是主要的負荷中心，絕大部分風電需要跨區輸送。所以我國的由大規模向分散式的發展模式和思路，剛好與歐洲一些國家相反。發展的經驗亦可以相互借鑒。

近些年我國風電的規模化開發，就地消納存在困難時，輸送容量不足的問題已逐步顯現，需要逐步建設區域間輸送網絡實現風電跨區消納。而且不僅是我國，世界各國均是如此，如德國北海岸地區風能資源豐富，而南部地區是負荷中心，所以存在風電無法就地消納的問題。目前，由于德國南北電網聯絡線的限制，北電無法南送，導致北部地區的風電場在部分時段會按照調度命令關停掉部分風電機組。德國2015年的風電發展規劃目標是裝機容量達36 000 MW，新建850 km、改造更新400 km的380 kV線路，增加輸電線路長度約5%。南北走向的輸電走廊可以充分利用南部負荷中心來消納北部富余的風電。所以我國要發展大規模分散式風電需要加強網架結構，增加輸電線路，以滿足部分地區消納能力不足的問題。

e.風電上網電價與相關政策[20]

目前，風電發展較早的國家針對風電的電價政策主要包括固定電價政策、電價補貼政策以及綠色能源許可證政策。德國實行固定電價政策；丹麥則是電價補貼政策；而西班牙采用固定電價和電價補貼兩種選擇，風電企業可以任意選擇，但其設定的電價使得固定電價的收益期望小于電價補貼，所以可以用此來引導風電企業，因此目前絕大部分的風電企業選擇了電價補貼。

針對風電，目前我國實行的是標桿上網電價的政策。國家發展改革委2009年發布的《關于完善風力發電上網電價政策的通知》中將我國的風能資源區分為4類，對應的風電標桿電價分別為每kWh 0.51元、0.54元、0.58元和0.61元。繼續實行風電費用分攤制度，通過全國征收的可再生能源電價附加費來分攤風電上網電價高出當地燃煤機組標桿上網電價的部分。所以目前我國風電的電價政策與歐洲國家固定電價的政策是一致的，無需面對遠期市場價格波動的風險，全額保障性收購風電；風電出力的波動所帶來的平衡和調峰問題均由電網公司負責，而其成本最終由用戶分攤。

固定的風電標桿上網電價，可以保障風電場的利益，但風電場無法針對市場價格信號做出反應，沒有主觀靈活性，使得反調峰作用明顯。所以這種電價政策無法正確引導風電的市場行為。

因為風電的反調峰作用明顯，所以可以針對風電實行峰谷標桿上網電價，用市場價格信號來引導風電參與系統調峰。例如凌晨風資源較好，正是負荷較低時刻。若此時電力市場的電價較低，風電場完全可以合理“棄風”，從而引導風電參與調峰。

4 結論

本文介紹了分散式風力發電技術和優點，對美國、德國、西班牙、丹麥等國分散式風電得以迅速發展進行了深入的分析，在此基礎上，對我國分散式風電發展存在的技術問題進行了總結，我國分散式風電發展還需要解決以下幾個問題。

a.提高風能資源評估能力，進而提高分散式風電場選址的合理性和準確性。

b.提高風電功率預測技術，進而減輕電力調度的壓力。

c.提高分散式風電場無功優化能力，以減少對電網的負面影響。

d.加快轉變我國由“集中開發”向“分散接入”的發展思路，進一步促進我國分散式風電的快速發展。

e.針對分散式風電制定更加合理的價格政策，如實行針對風電的峰谷標桿上網電價，以市場價格信號引導風電場參與調峰。

[1] 國家能源局.分散式接入風電項目開發建設指導意見[A]．國能新能[2011]374號文件.

[2] 于海洋，武國良，陳 光，等．國外分散式風力發電政策研究及對中國的啟示[J]．黑龍江電力，2013，35(3)：235-238．

[3] America Wind Energy Association．AWEA year end 2010 market report[R]．2011．

[4] Jiyuan Fan Stuart Borlase. The Evolution of Distribution[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2009, 7(2): 63-68.

[5] Charles Kubert，Mark Sinclair．Supporting on—site distributed wind generation projects[R]．Clean Energy States Alliance，2010．

[6] Ali Ipakchi, Farrokh Albuyeh.Grid of the Futher-Are We Ready to Transition to a Smart Grid[J]IEEE Power & Energy Magazine,2009,(7):52-62.

[7] Martin Braun, Gunter Arnold, Hermann Laukamp. Plugging into the Zeitgeist [J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2009, 7(3): 63-76.

[8] A Dowrueng, J zum Hingst, A Mbuy, et al. Decentralised Energy Management System with Comprehension of Fluctuated Renewable Energy Resources[C]. Capri:2009 International Confernce on Clean Electrical Power, 2009,316-319.

[9] Kristin Dietrich, Florian Leuthold, Hannes Weight. Will the Market Get it Right?-The Placing of New Power Plants in Germany[C]. Leven:2009 CIGRE/IEEE PES International Conference on the European Energy Market, EEM2009, 2009,1-10.

[10] 范 必．促進風電產業健康發展的思考[J]．中國電力，2009，32(12)：7-10．

[11] 霍 震．德國分布式能源系統的最新進展和實踐經驗[J]．電力需求側管理，2010，12(4)：78-80．

[12] 張保會．分散式能源發電接入電力系統科學技術問題的研究[J]．電力自動化設備，2007，27(12)：1-4．

[13] 張節潭，程浩忠，姚良忠，等．分布式風電源選址定容規劃研究[J]．中國電機工程學報，2009，29(16)：1-7．

[14] 王長貴．新能源和可再生能源的現狀和展望[C]．太陽能光伏發展論壇論文集，烏魯木齊：新疆維吾爾族自治區發展計劃委員會，2003(9)：4-17．

[15] 李俊峰，施鵬飛，高 虎．中國風電發展報告[R]．2013:102-110．

[16] 國家能源局.風電發展“十二五“規劃[A]．國能新能[2012]195號文件.

[17] 楊秀媛，肖 洋，陳樹勇. 風電場風速和發電功率預測研究[J]．中國電機工程學報，2005，25(11):1-5.

[18] 丁 明，張立軍，吳義純. 基于時間序列分析的風電場風速預測模型[J]．電力自動化設備，2005，25(8):32-34.

[19] 吳國暢，肖 洋，翁莎莎. 風電廠短期風速預測探討[J].吉林電力，2005 (6):21-24.

[20] 趙珊珊，張東霞，印永華，等.風電的電價政策及風險管理政策 [J] . 電網技術，2011,35(5)：142-145.

Research on Foreign Distributed Wind Power KeyTechnology and Enlightenment for China

ZHAO Jun

(State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.，Haerbin，Heilongjiang 150030，China)

The distributed wind power project in the United States, Germany, Spain and Denmark develops better than other countries. A key factor of the rapidly development of these coutries’ distributed wind power is that they made a series policy and incentive measures. In this paper, the reason of rapid development of the country is analyzed. The policies and regulations of distributed wind power are also analyzed. Advanced experience in this field is summerized. The pupose of the work we did in this paper is to promote the development of China’s distributed wind power development.

distributed；wind power；connected grid

TM614

A

1004-7913(2017)08-0011-05

趙 君(1964)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統分析及科研等方面的工作。

2017-05-22)