盛大凱，仇衛(wèi)東，齊立忠

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

我國風電建設(shè)“十一五”期間快速發(fā)展，裝機規(guī)模連續(xù)5年實現(xiàn)翻番［1］。至2010年底，我國風電裝機總?cè)萘窟_到44.7 GW。與此同時，我國風電的開發(fā)中也暴露出片面追求發(fā)展速度、裝機規(guī)模等問題，超常規(guī)發(fā)展過程中積累的矛盾和問題開始顯現(xiàn)。近期風機脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生，對風電場和電網(wǎng)的安全運行都帶來了嚴重影響，也給風電的發(fā)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(fā)展的“五個轉(zhuǎn)變”并頒布了18項風電技術(shù)標準，從戰(zhàn)略規(guī)劃和技術(shù)標準2個層面開始著手重新謀劃風電發(fā)展方式?！拔鍌€轉(zhuǎn)變”即:從風電大國向風電強國轉(zhuǎn)變;從追求速度向追求質(zhì)量轉(zhuǎn)變;從追求裝機容量向追求發(fā)電量轉(zhuǎn)變;從集中大規(guī)模開發(fā)向大規(guī)模開發(fā)與分散開發(fā)并舉轉(zhuǎn)變;從以陸上風電為主向陸上和海上風電全面發(fā)展轉(zhuǎn)變。

如何將“五個轉(zhuǎn)變”落到實處，已經(jīng)成為風電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)共同的課題。

1 科學規(guī)劃是前提

我國一次能源分布與生產(chǎn)力發(fā)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(guī)模集中開發(fā)的地區(qū)，一般電網(wǎng)規(guī)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(guī)模越大，配套的送出工程規(guī)模也越大［2-3］。

風力發(fā)電的隨機性和間歇性決定了其并網(wǎng)必將給電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。并且風電規(guī)模越大，相應帶來的挑戰(zhàn)也越大［4］。

負荷預測、電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃構(gòu)成電力系統(tǒng)規(guī)劃，風電作為電源的一種，理應納入電力規(guī)劃統(tǒng)籌布局并形成滾動修訂機制。

第一，要把風電開發(fā)與電網(wǎng)規(guī)劃有機銜接。要認真研究風電開發(fā)地區(qū)、風電消納地區(qū)以及2個地區(qū)之間的電網(wǎng)狀況，使風電開發(fā)時序和規(guī)模與電網(wǎng)規(guī)劃互相融合，實現(xiàn)風電、電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。要根據(jù)風電的建設(shè)規(guī)模和在系統(tǒng)中的作用分別接入跨區(qū)輸電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)、省域電網(wǎng)、市域供電網(wǎng)、縣域配電網(wǎng)。

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

第二，風電規(guī)劃要與電源規(guī)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(tǒng)運行要求，配套建設(shè)具有調(diào)峰功能的電源。

隨著風電的大規(guī)模開發(fā)，風電的反調(diào)峰特性大大增加了電力系統(tǒng)調(diào)峰的難度。近一段時間以來，由于系統(tǒng)的調(diào)峰容量不足，一些地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)了負荷低谷時段不得不棄風的現(xiàn)象。如果配合風電開發(fā)建設(shè)具有快速啟停能力、可做調(diào)峰的水力、燃氣、燃油發(fā)電等電源，增加系統(tǒng)調(diào)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(fā)電側(cè)負荷側(cè)峰谷電價政策，鼓勵有基本條件的區(qū)域創(chuàng)造條件與風電開發(fā)配套建設(shè)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(xiàn)削峰填谷的可行性。

抽水蓄能技術(shù)目前已在電力系統(tǒng)中得到長期和大范圍的應用，其做為系統(tǒng)的調(diào)峰電源，對于平抑系統(tǒng)發(fā)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(guī)劃要與負荷預測有機銜接。必須把風電電量消納規(guī)劃作為風電開發(fā)規(guī)劃的重要內(nèi)容，要在風電遠距離輸送大范圍消納的同時研究開發(fā)就地就近的電力負荷和先進的電能轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

理論上，大規(guī)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(shù)開發(fā)的同時也要研究與之配套的政策措施。

目前，正在研發(fā)超導儲能、超級電容儲能、飛輪儲能和蓄電池等儲能技術(shù)。儲能系統(tǒng)具有動態(tài)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(wěn)定水平。

第四，在規(guī)劃布點時對分布式風電開發(fā)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(wǎng)，不需要建設(shè)大規(guī)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(qū)等低風速地區(qū)具有較好的發(fā)展前景。

要因地制宜，綜合考慮可開發(fā)風資源、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負荷性質(zhì)等因素確定風電規(guī)模，實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)與分散開發(fā)并舉。

2 規(guī)范設(shè)計是基礎(chǔ)

在風電場開發(fā)建設(shè)過程中，設(shè)計、制造、施工、運行是一個工作流程，其中設(shè)計決定著建設(shè)的內(nèi)容和標準，是基礎(chǔ)性和根本性的節(jié)點。因此，要規(guī)范設(shè)計，按照風電運行與電網(wǎng)運行的特點確定設(shè)計方案，科學合理的配備技術(shù)手段，這是落實風電發(fā)展“五個轉(zhuǎn)變”的基礎(chǔ)。

國家電網(wǎng)公司近期連續(xù)下發(fā)了《風電并網(wǎng)運行反事故措施要點》、《關(guān)于切實加強風電場接入系統(tǒng)管理工作的通知》、《風電場電氣系統(tǒng)典型設(shè)計》，為風電場電氣系統(tǒng)建設(shè)和運行提供了一整套標準化的解決方案。典型設(shè)計的推廣可以有效提高設(shè)計的規(guī)范化和電網(wǎng)的智能化，不僅可以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，又能夠有效提高風電場上網(wǎng)電量，實現(xiàn)風電與電網(wǎng)的友好對接和協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.1 提高“風電功率預測”精度，為風電調(diào)度提供依據(jù)

我國目前大多數(shù)風電場都沒有安裝風電功率預測系統(tǒng)，給電網(wǎng)調(diào)度風電帶來了很大困難。風電功率預測系統(tǒng)的主要功能是將風力預測數(shù)據(jù)上傳調(diào)度主管部門，根據(jù)風電功率預測系統(tǒng)數(shù)據(jù)制定合理的發(fā)電計劃，合理調(diào)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(tǒng)，如圖1所示。丹麥國家電網(wǎng)調(diào)度中心負責全國的電力調(diào)度，調(diào)度中心每天提前獲得次日的天氣預報數(shù)值，并進行比較，最終得到相對客觀的數(shù)據(jù)，隨后安排次日的調(diào)度任務，并下達給相關(guān)風電場。次日，調(diào)度中心根據(jù)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(tǒng)Fig.1 Forecasting system for wind power

近期，國家能源局也已下發(fā)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(wǎng)運行的風電場必須建立起風電預測預報體系和發(fā)電計劃申報工作機制，未按要求報送風電預測預報結(jié)果的風電場不得并網(wǎng)運行。

風電功率預測系統(tǒng)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(chǔ)數(shù)據(jù)不足、對風電場氣象信息監(jiān)測和收集技術(shù)不夠成熟，制約著風電功率預測的精度。

目前，各風電所在網(wǎng)省公司及其調(diào)度管理部門對風電功率預測工作高度重視，正在開展相關(guān)研究及技術(shù)攻關(guān)。2011年8月19日，吉林電網(wǎng)已率先完成大規(guī)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(tǒng)向智能調(diào)度支持系統(tǒng)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(diào)度水平具有重要意義。

2.2 強調(diào)風機具備“低電壓穿越”能力，支撐風電、電網(wǎng)穩(wěn)定運行

從幾次事故看，多數(shù)風機脫網(wǎng)都與自身不具備低電壓穿越能力有關(guān)。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(wǎng)，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(wǎng)發(fā)生故障或擾動，引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在設(shè)定的跌落范圍內(nèi)，風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。其主要目的是在電網(wǎng)故障或事故時，風電機組能保持一段時間不脫網(wǎng)，至少不加重電網(wǎng)事故或故障。

歐美各國依據(jù)各自電網(wǎng)網(wǎng)架、電源結(jié)構(gòu)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(shù)要求是，電網(wǎng)電壓跌落深度為15%額定電壓時，風機能夠保持625 ms不脫網(wǎng)，電壓恢復至90%額定電壓的時間要求是在3 s以內(nèi);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(shù)在運風電機組不具備低電壓穿越625 ms的能力，生產(chǎn)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(fā)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(gòu)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(guān)技術(shù)規(guī)定，且大多為分布式電源，與我國風電集中大規(guī)模開發(fā)，遠距離外送有著明顯差異。由于風電的大規(guī)模集中式開發(fā)對電網(wǎng)的沖擊和影響遠大于分散式接入電網(wǎng)，因此，有必要對我國風電的大規(guī)模集中接入模式下的風電機組低電壓穿越能力相關(guān)技術(shù)要求進行重新審視。

2.3 實現(xiàn)風電“有功、無功功率控制”，為提高風電場上網(wǎng)電量創(chuàng)造條件

目前，風電運行中普遍存在以下共性問題:大規(guī)模集中接入，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱，電網(wǎng)送出能力有限;大規(guī)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(zhuǎn)備用安排困難;風電場運行單位多，風電調(diào)度運行指揮難度大;風電造成電網(wǎng)電壓波動非常頻繁，無功設(shè)備投切頻繁。

與水電、火電等常規(guī)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(jié)構(gòu)，系統(tǒng)備用容量和調(diào)峰手段有限，風電的大規(guī)模集中開發(fā)將使電網(wǎng)調(diào)度更為困難。

配置風電場有功功率、無功功率控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(wǎng)帶來的調(diào)整壓力，實現(xiàn)各風電場的協(xié)調(diào)控制，為大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后的安全穩(wěn)定問題提供有利條件。圖3為風電場有功率控制系統(tǒng)。

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

風電場有功功率、無功功率控制系統(tǒng)特別適用于風電場群的優(yōu)化調(diào)度，最大限度地協(xié)調(diào)控制整個風電場群的出力，提高風電場發(fā)電量創(chuàng)造條件。

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

3 有序建設(shè)是關(guān)鍵

2010年，我國的海上風電建設(shè)開始起步。根據(jù)有關(guān)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(fā)前景廣闊。

與陸上風電相比，海上風電運行環(huán)境復雜，技術(shù)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(fā)電量大幅度。

3.1 重點進行“海上風電”關(guān)鍵技術(shù)的研究，為規(guī)模開發(fā)海上風電進行技術(shù)儲備

首先要充分認清海上風電對設(shè)備、設(shè)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(shù)的基礎(chǔ)上，加快國內(nèi)海上風機的研發(fā)和生產(chǎn)，提高國產(chǎn)風機技術(shù)水平和單機容量。目前我國1.5 MW機組技術(shù)比較成熟，但急需提高風電機組的技術(shù)水平和單機容量，更好地利用海上優(yōu)良的風資源，提高海上風電開發(fā)效益。

第三，應加快海上風電相風機吊裝、大件運輸、基礎(chǔ)施工、運行維護等相關(guān)施工技術(shù)的研究，為海上風電的大規(guī)模實施創(chuàng)造條件。海上風電的關(guān)鍵技術(shù)包括風電場選址、風機基礎(chǔ)設(shè)計及施工技術(shù)、風機安裝技術(shù)、風電場升壓站電氣設(shè)計技術(shù)、風電場電纜敷設(shè)技術(shù)、風電場送出方案研究以及風機制造技術(shù)。

3.2 加快海上風電相關(guān)技術(shù)標準的制訂，規(guī)范海上風電建設(shè)

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

工程建設(shè)，標準先行。主管部門要盡快組織相關(guān)單位開展或完善海上風電開發(fā)的規(guī)范、標準，使海上風電的建設(shè)有規(guī)可循。

3.3 積極推進“海上風電”設(shè)計技術(shù)研究，為海上風電建設(shè)提供設(shè)計技術(shù)支撐

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

要適時啟動“海上風電”典型設(shè)計，特別是電氣系統(tǒng)、基礎(chǔ)構(gòu)造等方面的深入研究，為海上風電建設(shè)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(fā)展

我國已經(jīng)成為陸上風電大國，有很多管理、建設(shè)方面的成功經(jīng)驗，也不同程度地暴露了一些問題和不足，及時總結(jié)陸上風電建設(shè)的經(jīng)驗教訓，避免“跑馬圈地”、“4.95”現(xiàn)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(jīng)投入運行，其二期工程也在建設(shè)中，預計2012年建成投產(chǎn)。在海上風電的建設(shè)中，既要借鑒國際成功先例，又要及時總結(jié)國內(nèi)的建設(shè)成果，試點先行、穩(wěn)步推進我國海上風電的健康發(fā)展。

4 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)年高速增長之后，我國風電裝機總?cè)萘恳盐痪邮澜缡孜唬瑹o論是從國家產(chǎn)業(yè)政策角度，還是陸上風資源開發(fā)角度，都已進入發(fā)展瓶頸期，未來陸上風電的發(fā)展方向?qū)淖⒅匕l(fā)展速度、數(shù)量逐步過渡到注重發(fā)展質(zhì)量、風電發(fā)電量、風電效益上來。先期發(fā)展過程中被忽視的風電技術(shù)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(diào)度管理、新能源儲能技術(shù)等將日益得到重視和完善，使得風電發(fā)展逐步走向科學、有序、合理的發(fā)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(zhàn)［J］.電力建設(shè)，2010，31(1):101-104.

［3］肖創(chuàng)英，汪寧渤，丁坤，等.甘肅酒泉風電功率調(diào)節(jié)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(wǎng)風電預測預報系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009(16):88-90.