我國風(fēng)電利用技術(shù)現(xiàn)狀及其前景分析

劉志超，王洪彬，沙浩，楊金澍，曹生現(xiàn)

（1.天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津市 南開區(qū)300072；2.東北電力大學(xué)自動化學(xué)院，吉林省 吉林市132012）

0 引言

隨著中國風(fēng)電裝機容量不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大，“十三五”期間我國的風(fēng)電新增裝機容量將達(dá)8000 萬kW 以上，2020年全國風(fēng)電裝機將超過2.1 億kW，但我國風(fēng)電存在的棄風(fēng)問題仍顯嚴(yán)峻。風(fēng)電的高效利用技術(shù)是解決棄風(fēng)的重要途經(jīng)[1-7]，目前國外的風(fēng)電利用技術(shù)包括成熟的壓縮空氣儲能技術(shù)[8-10]、風(fēng)-光儲能技術(shù)[11]、以風(fēng)-光-水互補發(fā)電系統(tǒng)的組合互補技術(shù)[12]、風(fēng)電制氫產(chǎn)電雙儲技術(shù)等[13]，并著重考慮風(fēng)電多能組合技術(shù)的經(jīng)濟性與社會效益[14-15]。

與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國風(fēng)電發(fā)展與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)匹配具有一定的特殊性，且風(fēng)電棄風(fēng)利用技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用相對滯后。本文通過對我國目前風(fēng)電利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜合研究，并對其發(fā)展前景進行分析，以期為我國不同地區(qū)確立風(fēng)電資源的利用方式提供依據(jù)，以提升風(fēng)電能源的消納能力。

1 我國風(fēng)電利用技術(shù)現(xiàn)狀與存在的問題

我國在風(fēng)電利用方面主要集中研究的是集群 風(fēng)電并網(wǎng)運行、與其他能源組成互補、風(fēng)電的大規(guī)模直接利用及分布式風(fēng)電接入與控制等技術(shù)。

1.1 集群風(fēng)電并網(wǎng)運行技術(shù)

在當(dāng)前大規(guī)模風(fēng)電集群發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)功率預(yù)測、并網(wǎng)控制及風(fēng)電調(diào)度是其中的核心技術(shù)。

在風(fēng)功率預(yù)測方面，我國已經(jīng)有很多科研院校與研究機構(gòu)進行了研究，并且從我國風(fēng)力資源的特點及我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式出發(fā)，在預(yù)測方法上包括針對風(fēng)速的預(yù)測和針對風(fēng)電發(fā)電功率的預(yù)測[16]。在預(yù)測尺度上，主要是對風(fēng)電的時間尺度與空間尺度進行的研究，其預(yù)測方法包括基于數(shù)據(jù)挖掘的風(fēng)電預(yù)測、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法的風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)等時間尺度預(yù)測方法，以及包括基于單個風(fēng)電場與集群風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)、單一風(fēng)機與風(fēng)電場風(fēng)電功率的預(yù)測技術(shù)等空間尺度預(yù)測方法[17]。在預(yù)測時間上，分別從短期、中期、中長期、長期等角度建立了相應(yīng)的風(fēng)功率預(yù)測模型，如基于數(shù)值天氣預(yù)報的短期風(fēng)電功率物理預(yù)測法和基于歷史風(fēng)速、風(fēng)電功率、風(fēng)機艙外溫度、風(fēng)向等參數(shù)與風(fēng)電功率的統(tǒng)計學(xué)的短期預(yù)測法等，及基于多重離群點平滑轉(zhuǎn)換自回歸模型的短期風(fēng)電功率預(yù)測等方法，同時結(jié)合風(fēng)電場的氣壓、氣溫、濕度等天氣影響因素與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性函數(shù)建立的中期、長期風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)[18-20]。目前我國研發(fā)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)已經(jīng)在電網(wǎng)側(cè)與發(fā)電側(cè)實行了大規(guī)模覆蓋，但對于一些山脊、海上等風(fēng)機安裝地形復(fù)雜與極端天氣情況下的風(fēng)電預(yù)測技術(shù)與方法仍需進一步完善。

在風(fēng)電的并網(wǎng)控制方面，我國主要研究的是對風(fēng)電機組層面的控制及對風(fēng)電場、風(fēng)電集群層面的控制。其中在風(fēng)電機組層面，主要是對風(fēng)機調(diào)頻控制的研究，如風(fēng)機變槳控制、轉(zhuǎn)子超速控制與慣性控制等方面，但相關(guān)研究仍有不足，體現(xiàn)為：在風(fēng)電的主動調(diào)頻過程中，所需建立模型的風(fēng)電場短期預(yù)測信息考慮仍顯不足，同時常規(guī)的區(qū)域控制偏差控制方法是一種滯后校正控制，從而不利于風(fēng)電的安全穩(wěn)定[21]。對風(fēng)電場、風(fēng)電集群層面的控制的研究，主要是對風(fēng)電場或集群與傳統(tǒng)電源的省區(qū)發(fā)電協(xié)調(diào)控制。如在風(fēng)電的有功調(diào)度控制方面，可以對風(fēng)機的發(fā)電狀態(tài)進行分群設(shè)置，進而對風(fēng)電場、單機與機群等進行有功功率的多目標(biāo)優(yōu)化，同時還可以根據(jù)風(fēng)電接入電力系統(tǒng)建立相應(yīng)關(guān)鍵指標(biāo)的決策機制進行系統(tǒng)優(yōu)化等[22-23]。在風(fēng)電的集群控制方面，我國已經(jīng)研發(fā)并于甘肅電網(wǎng)投入使用了以公共連接點電壓穩(wěn)定為目標(biāo)的風(fēng)電場電壓無功綜合控制系統(tǒng)，對風(fēng)電電網(wǎng)調(diào)度管理有實際指導(dǎo)價值。而在風(fēng)電的無功控制系統(tǒng)研究方面，國內(nèi)主要集中在對風(fēng)電場無功的優(yōu)化選址、機組的控制策略等方面。總體而言，我國對風(fēng)機調(diào)頻控制相對成熟，在單機、機組、風(fēng)電場層面均有系統(tǒng)性應(yīng)用，但我國在風(fēng)電場與集群方面的有功、無功控制技術(shù)尚顯薄弱，雖然已經(jīng)開展了相應(yīng)的研究工作并積累了一定經(jīng)驗，但在大型風(fēng)電多工況自適應(yīng)調(diào)頻控制的有功控制技術(shù)的應(yīng)用研究較少；同時由于我國風(fēng)機廠商設(shè)備型號與技術(shù)參數(shù)不一，造成風(fēng)電場與集群的自動控制性能不足等問題。

在風(fēng)電調(diào)度方面，我國主要采用的是自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)技術(shù)，目前常用的控制算法為比例-積分-微分控制方法、基于微分博弈理論的控制方法及模型預(yù)測控制(model predictive control，MPC)方法，但由于風(fēng)電的波動性與間歇性特點，仍會在大規(guī)模風(fēng)電接入對交直流互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊[24]。對此，仍需促進我國風(fēng)電集中送出調(diào)度運行技術(shù)的開發(fā)，并提高風(fēng)電市場消納的能力與技術(shù)。

與陸上風(fēng)電相比，我國海上風(fēng)電近年來發(fā)展勢頭迅猛，但相應(yīng)的技術(shù)研究相對滯后，其高壓直流電輸送、遠(yuǎn)程集群控制技術(shù)仍未成熟[25]，同時缺少相關(guān)的規(guī)程規(guī)范與關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 與其他能源組成互補技術(shù)

風(fēng)電與其他能源組成的互補技術(shù)，是將不同種能源發(fā)電方式進行互補發(fā)電，以提高可再生能源用電的穩(wěn)定需求，具有較好的環(huán)境效益。

我國在大規(guī)模互補發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)光互補系統(tǒng)是應(yīng)用較早的互補技術(shù)，其規(guī)模覆蓋幾十千瓦至數(shù)百兆瓦，并具有較好的功率控制幅度[26]，如40 MW 和20 MW 的風(fēng)電、光伏的風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的瞬時送出有功功率波動幅度可達(dá)35 MW，并且已經(jīng)建立了較好的風(fēng)光互補發(fā)電能量優(yōu)化與協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。風(fēng)水互補系統(tǒng)具有系統(tǒng)功率穩(wěn)定、經(jīng)濟效益較好的優(yōu)勢[27]，但風(fēng)水協(xié)同運行仍需考慮風(fēng)險承擔(dān)能力、投入資源程度及資源利用率3 個因素[28]。目前國內(nèi)開展了包括大唐多倫20MW 風(fēng)水互補電源項目、國家電投云南大荒山286 MW 風(fēng)水互補示范項目等。在風(fēng)水互補技術(shù)的研究方面，主要是對組合系統(tǒng)的綜合效益進行的優(yōu)化分析，并且分別建立了抽蓄電站和風(fēng)電的聯(lián)合運行模型，并基于多目標(biāo)最優(yōu)化模型等方法，計算分析了風(fēng)水互補系統(tǒng)運行年限內(nèi)的最大綜合效益。我國在小型風(fēng)光互補與風(fēng)水互補技術(shù)的應(yīng)用方面，主要是建立了村級風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)與太陽能風(fēng)能無線電話離轉(zhuǎn)臺電源系統(tǒng)等，解決了部分農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電需求。

為提高風(fēng)電消納問題，近年來國內(nèi)提出了風(fēng)-火電聯(lián)合外送技術(shù)[29]，通過火電機組的深度調(diào)峰技術(shù)，即包括火電機組鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃、提高火電機組的負(fù)荷相應(yīng)速度、節(jié)能降耗、NOx排放及相應(yīng)機組設(shè)備配備、一次調(diào)頻和邏輯保護等技術(shù)，實現(xiàn)了對風(fēng)電機組快速變負(fù)荷的消納與輸出。其中，風(fēng)火聯(lián)合外送中火電輸電波動幅度越大，則火電機組的協(xié)作價值越高，分配的利潤比例也越高。此外，還包括多種能源聯(lián)合互補發(fā)電技術(shù)，包括水-火-風(fēng)協(xié)調(diào)技術(shù)、風(fēng)電-火電-抽水蓄能技術(shù)等[30-31]，并建立了國家級清潔能源示范工程的。但是，目前仍然缺少多種電源復(fù)雜特性的電網(wǎng)調(diào)度與靈活性控制方法，同時，多時間尺度的全局優(yōu)化與性能實時控制能力仍顯不足。

1.3 風(fēng)電的大規(guī)模直接利用技術(shù)

風(fēng)電制氫是國外研究與示范應(yīng)用的重點方向。國內(nèi)在風(fēng)電制氫領(lǐng)域仍處于研究前期與示范階段，如國網(wǎng)上海市電力公司東海風(fēng)電場的“風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究”項目，制氫功率100kW、燃料電池發(fā)電30 kW 的中節(jié)能風(fēng)電公司張北分公司風(fēng)電場項目，以及中德合作示范的河北沽源10 MW 電解水制氫系統(tǒng)等。在風(fēng)電制氫技術(shù)的研究方面，主要是對電解水制氫系統(tǒng)、風(fēng)電場耦合制氫技術(shù)、氫氣的儲存運輸技術(shù)的集成研究[32]，包括以電解水制氫設(shè)備為產(chǎn)出模型研究，氫儲能系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制策略等內(nèi)容，但是系統(tǒng)的經(jīng)濟性能有待考核。

在風(fēng)電供暖方面，國內(nèi)已經(jīng)在吉林、新疆、內(nèi)蒙古等地開展了風(fēng)電清潔供熱示范項目。風(fēng)電供暖理論也逐漸完善，目前國內(nèi)已經(jīng)建立了調(diào)度模型，并用于儲熱提升風(fēng)電消納的規(guī)劃設(shè)計，如在電供熱系統(tǒng)中加入2000MW·h 的儲熱裝置，可將棄風(fēng)電量減小為1813MW·h。但是風(fēng)電供暖的熱-電協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)方面仍存在不足，同時棄風(fēng)供暖的經(jīng)濟效益欠佳，現(xiàn)有棄風(fēng)供暖運行和結(jié)算模式對棄風(fēng)供暖的經(jīng)濟效益計算結(jié)果表明，風(fēng)電采暖不利于其他風(fēng)電場和電網(wǎng)經(jīng)濟效益，同時隨著電采暖比重增加，綁定風(fēng)電場和電采暖聯(lián)合利益、四方主體總利益以及全社會碳減排量均減小，利益甚至為負(fù)[33-34]。

風(fēng)電的大規(guī)模直接利用技術(shù)還包括壓縮空氣儲能[35]、飛輪儲能[36]、超級電容器儲能[37]，化學(xué)蓄能中的鉛酸蓄電池、鋰離子電池和液流電池儲能技術(shù)，風(fēng)電-高溫燃料電池發(fā)電互補系統(tǒng)[38]，以及新型電轉(zhuǎn)氣技術(shù)等[39]，但大多受到技術(shù)成熟度、經(jīng)濟成本等瓶頸限制。

1.4 分布式風(fēng)電接入與控制技術(shù)

分布式風(fēng)電是除大規(guī)模利用之外風(fēng)電的另一種利用形式，通常采用35 kV 及以下電壓并網(wǎng)，并就近滿足用電負(fù)荷，是一種可作為偏遠(yuǎn)或孤島地區(qū)電源供應(yīng)的主要方式，其接入方式為多點接入。我國對分布式風(fēng)電的開發(fā)利用仍處于初級階段，微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)有所應(yīng)用，如在浙江省北麂島開發(fā)的分布式風(fēng)-柴發(fā)電系統(tǒng)和吉林省遼源市東豐縣的“風(fēng)氣互補”新能源開發(fā)項目等，仍然以項目示范為主。

分布式風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)為分布式風(fēng)能資源評估技術(shù)、風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)、風(fēng)電儲能技術(shù)及控制系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)等。在風(fēng)能資源評估與風(fēng)功率預(yù)測方面，分布式風(fēng)電沿襲的是大規(guī)模集中式風(fēng)電技術(shù)，因此缺乏一定的適應(yīng)性[40]。在風(fēng)電儲能方面，風(fēng)電常與電池儲能系統(tǒng)相結(jié)合，可在風(fēng)機旁就地布置，進而聯(lián)合協(xié)調(diào)控制各儲能電池，但因多臺風(fēng)機或儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制較為復(fù)雜，整體協(xié)調(diào)控制要求高，需要匹配多臺獨立的測控系統(tǒng)，因此單位容量投資成本高，并且不利于設(shè)備維護，用戶用電滿意度較低。在風(fēng)電控制系統(tǒng)的監(jiān)控方面，我國對分布式風(fēng)電的信息采集與監(jiān)控技術(shù)水平較低，相關(guān)研究也較少，存在一定的系統(tǒng)優(yōu)化運行難題。

1.5 我國風(fēng)電利用技術(shù)對比分析

通過前述風(fēng)電利用方式的研究，可以看出當(dāng)前風(fēng)電棄風(fēng)利用方式較多，但仍受到利用技術(shù)的經(jīng)濟性、轉(zhuǎn)化方式的技術(shù)限制，如風(fēng)電制氫、供暖技術(shù)等，同時風(fēng)光互補、風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)等多元互補技術(shù)也由于地理位置的限制而不具普適性。

表1為當(dāng)前我國風(fēng)電利用的主要技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對比。

表1 我國風(fēng)電利用的主要技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對比Tab.1 Comparison of research and development status of wind power utilization technology in China

2 我國風(fēng)電利用技術(shù)的發(fā)展前景與建議

2.1 風(fēng)電利用技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1.1 風(fēng)電集中式與分布式并重發(fā)展

我國當(dāng)前鼓勵風(fēng)電向集中式和分布式并重的方向發(fā)展。分布式風(fēng)電與集中式風(fēng)電模式相對應(yīng)，現(xiàn)有的大型風(fēng)電場可以將幾十千瓦到幾萬千瓦的獨立風(fēng)力發(fā)電機組直接接入配電網(wǎng)的，所產(chǎn)電

能就近消納，從而避免了風(fēng)電上網(wǎng)與運輸存儲的難題。從根本上看，分散式風(fēng)電通過配電網(wǎng)的接入與就近消納，是一種分布式的發(fā)電方式，可使風(fēng)能資源就近開發(fā)利用。分布式風(fēng)電的主要優(yōu)勢在于所發(fā)電量全部上網(wǎng)，棄風(fēng)極小；而集中式大規(guī)模風(fēng)電符合我國可再生能源規(guī)劃與一次能源結(jié)構(gòu)要求，推進陸地風(fēng)電大規(guī)模集中式發(fā)展的同時，推進大規(guī)模海上風(fēng)電的集中式發(fā)展模式。

2.1.2 促進多能互補利用技術(shù)推廣

風(fēng)電等可再生能源具有波動性、隨機性、間接性的特點，因此單一風(fēng)電能源利用難以滿足用戶負(fù)荷穩(wěn)定的需求，多種能源互補發(fā)電是風(fēng)電穩(wěn)定輸電的較好利用方式，可根據(jù)供應(yīng)側(cè)的資源條件與需求側(cè)的用能特性，因地制宜、綜合利用，協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，促進風(fēng)電能源的清潔高效生產(chǎn)。在未來的風(fēng)電發(fā)展中，我國將加強對多種電源、多時間尺度的互補發(fā)電系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)、調(diào)峰系統(tǒng)、電網(wǎng)接入與控制技術(shù)等方面的研究，使風(fēng)光互補、風(fēng)水互補、風(fēng)火互補及微電網(wǎng)的多能互補方式得到進一步的推廣應(yīng)用。

2.1.3 發(fā)展高效率低成本的風(fēng)電利用技術(shù)

風(fēng)電制氫技術(shù)是未來風(fēng)電發(fā)展的重要方向。隨著電解水制氫成本的降低、儲氫材料技術(shù)的進步，風(fēng)電制氫將有望成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要匹配技術(shù)，進而通過風(fēng)電規(guī)模化制氫與能量管理系統(tǒng)的結(jié)合，為風(fēng)電的規(guī)模化消納提供有力技術(shù)保證。同時，風(fēng)電供暖也是未來風(fēng)電消納的重要技術(shù)手段，通過對城市供熱系統(tǒng)調(diào)峰能力的研究，優(yōu)化熱-電聯(lián)合運行策略，實施風(fēng)電供暖系統(tǒng)的優(yōu)化控制，可有效提高風(fēng)電利用效率。此外，風(fēng)電的其他儲能方式也是未來風(fēng)電利用的重要手段，隨著壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能及新型電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的提高與成本的降低，這些技術(shù)將為風(fēng)電的消納與利用提供重要的技術(shù)選擇。

2.2 風(fēng)電利用技術(shù)的發(fā)展建議

2.2.1 促進風(fēng)電等新能源激勵政策建設(shè)

我國應(yīng)加強發(fā)電、并網(wǎng)、用電等完整風(fēng)電系統(tǒng)的激勵政策建設(shè)：強化發(fā)電側(cè)的電源調(diào)峰能力建設(shè)，建立完善的火電機組靈活性改造和運行優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新，加快建立火電企業(yè)調(diào)峰輔助服務(wù)補償機制，制定電網(wǎng)側(cè)跨省跨區(qū)送電政策，完善大規(guī)模集群風(fēng)電控制技術(shù)，發(fā)揮大電網(wǎng)的多種電源平衡能力；在用電側(cè)，推進煤電的清潔化轉(zhuǎn)化，提高風(fēng)電利用比例，引入市場調(diào)節(jié)機制，優(yōu)化風(fēng)電調(diào)峰調(diào)頻與分布式技術(shù)發(fā)展策略。

2.2.2 加快風(fēng)電等新能源消納市場機制的建設(shè)

提高優(yōu)先消納風(fēng)電等可再生能源，強化省間調(diào)度能力，促進跨省送電政策的實施，構(gòu)建全國統(tǒng)一電力市場。同時完善新能源交易機制，構(gòu)建風(fēng)電等新能源的省間輸送補償機制，提高峰值期風(fēng)電的消納補貼，促進用戶參與電力需求側(cè)響應(yīng)和市場交易。

2.2.3 加強風(fēng)電接網(wǎng)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

國家應(yīng)建立統(tǒng)一的風(fēng)電發(fā)展管理體系，整合各方面國家資源，設(shè)計風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、扶植政策，通過對國內(nèi)發(fā)電、電網(wǎng)、風(fēng)機制造、技術(shù)研發(fā)、氣象等部門的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，為風(fēng)電發(fā)展創(chuàng)造優(yōu)良環(huán)境。同時，政府還應(yīng)完善我國的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)、檢測與認(rèn)證體系，確保風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)符合我國風(fēng)電資源與相應(yīng)環(huán)境，并加強與國際風(fēng)電檢測認(rèn)證體系接軌，逐步推進風(fēng)機與風(fēng)電利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段我國風(fēng)電發(fā)展存在一定的不匹配問題，與之相應(yīng)出現(xiàn)諸多利用技術(shù)。綜述了我國風(fēng)電利用技術(shù)的現(xiàn)狀與存在問題，指出了我國風(fēng)電向集中式和分布式并重、促進多能互補利用技術(shù)推廣、發(fā)展高效率低成本的風(fēng)電利用技術(shù)方向發(fā)展的趨勢，最后從加強新能源激勵政策、新能源消納市場機制、風(fēng)電接網(wǎng)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方向提出了建議。

致 謝

本文中風(fēng)電運行資料搜集工作是在華能國際電力股份有限公司河北清潔能源分公司寧志剛、宋子順、盧峻峰、喬少帥等工作人員的大力支持下完成的，在此向他(她)們表示衷心的感謝。