“碳中和”背景下的風電發展

任建明

（廣東電網有限責任公司陽江供電局，廣東 陽江529500）

2020年9月，中國提出“2030年碳達峰，2060年碳中和”的目標，通過新能源發電、植樹造林、節能減排等形式，抵消自身產生的CO2或溫室氣體排放量，達到相對“零排放”。做好“碳達峰、碳中和”工作已經成為“十四五”的重點任務之一。然而多年來我國發電結構一直以火電、煤電為主，對化石能源產生了長期的依賴，而對化石能源的大力開發，給多地帶來了嚴重的環境污染問題。

我國總體上能源資源豐富且具有多樣性。其中，風能以其資源豐富、分布廣泛、發電清潔等優勢，得到國家政策的大力支持，因而我國的風電技術取得了長足進步，風機裝機容量顯著提高，為我國綠色電力事業的發展奠定基礎。此外，“碳達峰、碳中和”目標的設立將進一步刺激我國能源結構的深度調整和轉型，促進風能等新能源的開發利用。

然而，由于風力資源天然具有波動性和隨機性，直接導致風機出力具有不確定性，因此風機直接并網難以避免地會對電網產生包括頻率波動，電壓波動等不良影響，危及電網安全穩定運行。在風電發展的歷史進程中，風機并網、含高比例可再生能源電網運行等巨大挑戰將是我們面臨的巨大挑戰。因此，本文旨從發展現狀、風電技術以及未來面臨的挑戰3個角度，詳細梳理了風電發展的藍圖，為風電發展提供了理論指導和發展方向。

1 發展現狀

我國位于西伯利亞以南，太平洋以西，路上風力資源和海上風能資源均相當豐富。我國主要風能資源分布如表1所示。

表1 我國風能資源分布

全國平均風能密度達100 W/m2，風能資源總儲量約3.2×106MW，我國風能主要分布在三北地區（東北、華北、西北）和沿海及其島嶼地區，這些地區每年風速在3 m/s以上的時間近4000 h左右，一些地區年平均風速可達6～7 m/s以上，具有很大的開發利用價值[1]。

近年來，我國風電發展勢頭強勁。據中國電力企業聯合會統計，2020年上半年風電并網運行情況如圖1所示。2020年上半年我國累計風電并網容量為21675萬kW，其中陸上風電累計裝機2.1億kW、海上風電累計裝機699萬kW；全國風電發電量2379億kWh，同比增長10.9%；全國風電平均利用小時數1123 h，其中利用小時數較高的地區是云南、四川和廣西[2]，如圖2、圖3、圖4所示。

圖1 我國2020年上半年風電并網運行統計數據

圖2 我國2021年1—2月發電裝機容量統計數據

圖3 我國2021年1—2月新增發電裝機容量統計數據

圖4 我國2021年1—2月平均利用小時數統計數據

2 風力發電技術

風電的發展，首要任務是從技術上解決風電發展難題。風力發電技術包括研究風機技術、風電功率預測技術、風電并網技術和儲能技術等，如圖5所示。

圖5 風力發電技術

2.1 風機技術

隨著風電的發展以及考慮實際電網安全經濟運行，風機單機容量需求越來越大，同時要滿足風機能夠安全并網，具有較強的魯棒性和可靠性。因此，如何研制高可靠性的大容量風電機組是業界需要考慮的問題。其中，雙饋異步風力發電機和永磁直驅同步風力發電機是當前主流的發電機，同時也是當前的研究熱點。表1從結構和性能上對兩種主流風力發電機進行對比。

由表1可以發現，雙饋異步風力發電機在性能方面總體上不如永磁直驅同步風力發電機，但由于其發展較早，技術相對成熟，同時雙饋異步風力發電機具有尺寸小、造價低等特點，因而仍然在電網中使用較為頻繁。此外，隨著電力電子元器件的容量越來越大，雙饋發電機組的勵磁系統調節能力越來越強，雙饋機的單機容量將進一步提高[4]。

表1 主流風力發電機結構、性能比較

永磁直驅同步風力發電機雖然造價貴，但其具有更高的發電效率和更強的電網兼容性，理論上說，對電網以及用戶更加友好。從發展的眼光來看，隨著永磁材料的發展和電機小型化發展，在未來，永磁直驅同步風力發電機將更加具有競爭優勢，獲得更廣泛的應用。

2.2 風電功率預測技術

由于風力的波動性會導致電網的不安全運行，因此業界希望能夠實時跟蹤風電出力，即實現風電功率的準確、可靠、快速預測。發展風電功率預測技術，加強風電功率預測可信度，可實現對風電出力的實時態勢感知，從而提高風電的消納能力。

風電功率預測按照時間分類，通常可分為超短期預測、短期預測以及中長期預測。不同時間尺度的風電功率預測比較如表2所示。

表2 不同時間尺度的風電功率預測比較

由于電力系統本身是一個復雜，自產大量數據的人工系統，因此在可以預見的未來，人工智能與大數據技術將更多地應用到風電功率預測中，進一步有力地推動風電的發展。

2.3 風電并網技術

風電場并網通常分為交流并網和直流并網兩種途徑。目前關于風電并網可行技術及研究熱點包括：交流并網技術、傳統直流并網技術和柔性直流并網技術，其中傳統的交流并網方式相對更加成熟，目前仍然占據主要地位。未來，電力電子技術的發展將推動直流并網技術的應用。

2.4 儲能技術

隨著風電等波動性電源并網比例不斷提升，傳統的“源-網-荷”運行方式已經無法滿足電力系統“發輸配用”同時性的要求，“源-網-荷-儲”的電力系統結構己被廣泛認可。儲能以其能量的時空遷移特性和電能流動的雙向性，被公認是解決風電等可再生能源不穩定性和提高其消納的有效途徑。

關于儲能研究大體可以分為兩類。

研究高效的儲能方式。現有的儲能方式包括壓縮空氣、抽水、飛輪等方式的機械儲能，以及各類電池儲能的化學儲能和超導和超級電容的電磁儲能等類型。不同儲能方式的不同的特點，可以適應不同的應用場合。研究高效的儲能方式能夠提高儲能效率，降低成本。

研究儲能系統優化配置。儲能系統優化配置包括空間分布的優化以及儲能容量的優化。已有的文獻從蓄電池儲能容量優化模型[13]、蓄電池容量確定方法[14]、混合儲能控制策略[15]、儲能系統容量配置[16]等方面進行研究。通過優化儲能配置，能在保證達到風電消納目標的前提下，提高經濟效益。

3 風電發展的挑戰

3.1 新能源發展戰略——完善并落實

我國在國家層面已提出“碳中和”的綠色發展目標，電力行業也大力推動高比例可再生能源電網的理論和應用研究，為風電的發展鋪路。需要繼續有條不紊地制定和完善新能源發展政策，為科研工作者營造良好的研究環境，給風電企業良好的營商環境。

在風電接入電網的過程，切勿急功近利，不能為了達到某個比例目標而盲目新增裝機或上網，避免大規模棄風棄光。

3.2 風力發電技術——從引進到引領

長久以來，我國的風力發電技術在技術創新方面還比較薄弱，在風電場風機設備的建造在很大程度上仍需要引進國外的技術，導致我國的風電發展受制于人。因此，要發展好風電，必須發展好風電技術，打破國外技術壟斷，實現從引進到引領。

3.3 電力市場——以消費促發展

國際電力市場風電交易規則包括競價機制、懲罰機制、綠色交易憑證[18]。我國的電力市場仍然是以計劃手段為主，風電場的發輸配電計劃均由政府制定，較難反映電價與市場供求的關系，導致風電企業不易對市場的供求信息進行準確判斷。另一方面，在現行的電力市場機制下，風電市場并未完全發展好，而國內的風電設備市場趨于飽和，形成供需不平衡狀態，阻礙了風電產業的發展。

因此，在電力市場方面，國家可以通過優惠的政策支持，完善電價獎懲機制，建立一個公平、合理、有序的風電市場，從而以消費推動風電的平穩發展。

4 結束語

在國家可持續發展戰略的支持下，經過多年來風電技術專家和電網工作人員的共同努力下，我國風電發展已經取得了舉世矚目的成績。在“2060年實現碳中和”的目標下，風電發展的事業仍然任重而道遠。所以要不斷完善行業的技術標準，提升風電企業技術和管理水平，加強與國際領先企業或者研究院的交流與合作；不斷調整發展風電技術，主要集中在儲能技術和風電的并網消納技術方面，減少棄風現象；健全和完善電力市場，使風電在一個機制靈活、有效率的電力市場中運行，從而使電價充分反映市場的供求關系，通過市場競爭形成更加合理的風電資源配置，推動風電事業健康穩定發展。