孔祥威，顧為東

(江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013)

風(fēng)電三種利用模式分析

孔祥威，顧為東

(江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013)

本文分析了風(fēng)電的三種利用模式，詳細(xì)闡述了非并網(wǎng)風(fēng)電理論，探討了風(fēng)電等可再生能源通過多能源協(xié)同供電應(yīng)用于高耗能產(chǎn)業(yè)，即非并網(wǎng)風(fēng)電的內(nèi)涵。研究分布式發(fā)電和非并網(wǎng)風(fēng)電理論的關(guān)系，分布式發(fā)電作為非并網(wǎng)風(fēng)電的一種表現(xiàn)形式，將非并網(wǎng)風(fēng)電與現(xiàn)存電力系統(tǒng)構(gòu)建為一個完善的電力系統(tǒng)框架。

非并網(wǎng)；多能源協(xié)同；分布式發(fā)電；智能負(fù)載

1 前言

我國擁有豐富的風(fēng)能資源。全國風(fēng)能詳查和評價結(jié)果顯示，全國陸上50 m高度層年平均風(fēng)功率密度大于等于300 W/m2的風(fēng)能資源理論儲量約7.3×109kW。其中，可開發(fā)利用風(fēng)能儲量（不包括海上）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國煤炭、石油、天然氣等化石能源之和。然而，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的同時，大量風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定與安全帶來的矛盾日益凸顯，風(fēng)電限電棄風(fēng)的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。

豐富的風(fēng)能資源是我國目前發(fā)展新能源、可再生能源潛在的最大比較優(yōu)勢。大規(guī)模的可再生能源利用已提上議事日程。2013年，中國(不包括臺灣地區(qū))，新增裝機(jī)容量16 088.7 MW，同比增長24.1%；累計(jì)裝機(jī)容量91 412.89 MW，同比增長21.4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一。

風(fēng)能的自身波動和間歇特性導(dǎo)致風(fēng)電場發(fā)出的電能也隨之波動，接入電網(wǎng)時會直接破壞電網(wǎng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可調(diào)性，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全。

風(fēng)電輸出功率的大幅度波動和間歇等特性，不僅造成電壓波動、閃變、頻率和相位偏差、諧波等10余項(xiàng)指標(biāo)影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全；還決定了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，必須依靠以煤電為主的發(fā)電裝備隨時進(jìn)行深度調(diào)峰，否則電網(wǎng)將面臨“崩潰”。

如何提高風(fēng)電等新能源的利用率成為一個亟待解決的問題。本文首先介紹傳統(tǒng)的風(fēng)電利用模式，在此基礎(chǔ)上，提出了非并網(wǎng)風(fēng)電模式。分析非并網(wǎng)風(fēng)電模式的基本特點(diǎn)、內(nèi)在機(jī)理，并對風(fēng)能等可再生能源的利用探明一個方向。

2 中國風(fēng)電為什么不能大規(guī)模上網(wǎng)

與歐美等發(fā)達(dá)國家不同，我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主。2012年我國煤炭發(fā)電量3.68×1012kW?h，占總發(fā)電量的73.9%。而歐美國家的能源結(jié)構(gòu)是以石油、天然氣等為主，其中美國27%是天然氣發(fā)電；英國燃?xì)獍l(fā)電比例更是高達(dá)60%；北歐國家水電占90%。

因此，這些國家的電網(wǎng)對風(fēng)電并網(wǎng)容納能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國，這是因?yàn)槿細(xì)?、燃油發(fā)電和水電的調(diào)峰能力強(qiáng)，在一定范圍內(nèi)能有效減少風(fēng)電波動對電網(wǎng)的危害。如歐洲的西班牙，近十年來大力發(fā)展風(fēng)電，裝機(jī)容量突破2×107kW，居全球第4位。他們在迅速發(fā)展風(fēng)電的同時，大力配套發(fā)展具有深度調(diào)峰能力的燃油/燃?xì)鈾C(jī)組、聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，可深度調(diào)節(jié)機(jī)組達(dá)3.5×107kW，滿足了風(fēng)電調(diào)峰需求。

中國的能源資源問題不能脫離中國的實(shí)際，不同國家、不同地區(qū)的地理?xiàng)l件和資源分布都不一樣，不能完全生搬硬套外國模式。而我國以煤電為主的火電機(jī)組，其鍋爐燃燒系統(tǒng)滯后（反應(yīng)慢）、效率低、經(jīng)濟(jì)性差，不宜做深度調(diào)峰。以1 000 MW某超超臨界機(jī)組為例，風(fēng)電充足時，參與調(diào)峰的火電機(jī)組輸出功率下降，每度電耗煤迅速上升；當(dāng)輸出功率下降到額定功率的80%時，每度電耗煤增加6 g；下降到50%時，每度電耗煤增加24 g，煤電廠處于虧損狀態(tài)；下降到30%時，每度電耗煤將增加約36 g，煤電廠嚴(yán)重虧損。同時，每度電耗煤的增加也帶來二氧化碳、二氧化硫等排放污染物大幅增加。因此，煤電機(jī)組參與深度調(diào)峰，將使煤耗上升、發(fā)電機(jī)組效率下降和故障概率增加，長期以往還將嚴(yán)重縮短發(fā)電設(shè)備壽命。

中國的國情是“富煤、少油、缺氣”，決定我國將在較長時間保持以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)，這一特性也就決定了我國目前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不具備大規(guī)模深度調(diào)峰的能力，國外傳統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)模式不符合我國大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的國情。中國還是一個發(fā)展中國家，國情決定我們應(yīng)做到發(fā)展新能源與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，不能顧此失彼、為發(fā)展而發(fā)展。

3 傳統(tǒng)風(fēng)電利用模式

自從愛迪生發(fā)明電燈以后，所有的用電形式都稱為離網(wǎng)型，而隨著電力技術(shù)的發(fā)展，各個相互獨(dú)立的電力系統(tǒng)相互聯(lián)系起來，逐漸有了電網(wǎng)的概念。為了區(qū)別于電網(wǎng)，之前的獨(dú)立供電系統(tǒng)稱之為離網(wǎng)型電力系統(tǒng)，比如漁船、蒙古包等。這些獨(dú)立供電系統(tǒng)通過蓄電池后為負(fù)載供電，利用效率降低30%左右，投資卻增加約一倍，如圖1所示(以風(fēng)電為例)。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)電模式Fig.1 Off-grid wind power integration

離網(wǎng)型電力系統(tǒng)與大電網(wǎng)無聯(lián)系，其獨(dú)立運(yùn)行，經(jīng)過蓄電池以后，通過逆變器輸出電能為負(fù)載所用。

并網(wǎng)型風(fēng)電發(fā)出的電能，通過一系列的苛刻條件，并入大電網(wǎng)為負(fù)載供電。并網(wǎng)型風(fēng)電模式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電對電網(wǎng)污染嚴(yán)重。在沒有燃?xì)獍l(fā)電、水電等調(diào)峰時，風(fēng)電在電網(wǎng)中貢獻(xiàn)率一般難以超過10%。并網(wǎng)型風(fēng)電模式如圖2所示(以風(fēng)電為例)。

圖2 并網(wǎng)型風(fēng)電模式Fig.2 Grid-connected wind power integration

智能微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。

4 非并網(wǎng)風(fēng)電模式

非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電直接應(yīng)用于一系列通過技術(shù)創(chuàng)新、能較好應(yīng)用風(fēng)電特性的產(chǎn)業(yè)。大規(guī)模風(fēng)電的終端負(fù)荷不再是電網(wǎng)，其與蓄電池配套的小型獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)也不同，而是將風(fēng)電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，以期解決無法上網(wǎng)的風(fēng)電的利用問題，如圖3所示[1～3]。

圖3 非并網(wǎng)型風(fēng)電模式Fig.3 Non-grid-connected wind power integration

非并網(wǎng)風(fēng)電理論由顧為東博士于1986年發(fā)表的“利用風(fēng)能資源開發(fā)蘇北灘涂”論文中提出，并首次提出了非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)互補(bǔ)供電用于氯堿生產(chǎn)模型，并進(jìn)行了原理性驗(yàn)證，其原理如圖4所示[4，5]。

圖4 I風(fēng)、I市協(xié)同供電示意圖Fig.4 IWind、IGridsynergistic supply sketch map

非并網(wǎng)型風(fēng)電模式利用風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電，風(fēng)電、網(wǎng)電相互獨(dú)立、互不干擾，協(xié)同為負(fù)載供電。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成本降低，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電高效、低成本全部利用。

風(fēng)電的這種非并網(wǎng)模式，將發(fā)電與負(fù)載直接耦合為一個“新系統(tǒng)”，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差、相位差、頻率差難以控制的問題，繞開電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

2)突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使大規(guī)模風(fēng)電在非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中100%利用。

3)由于沒有了上網(wǎng)條件的束縛，風(fēng)力機(jī)可以采用一些低成本、高效能的設(shè)備，也可以簡化甚至省去成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備。

非并網(wǎng)風(fēng)電理論的關(guān)鍵是將高耗能產(chǎn)業(yè)通過必要的技術(shù)創(chuàng)新和改造后，能夠適應(yīng)風(fēng)電和電網(wǎng)波動，成為理想的、具有深度調(diào)峰能力的“智能負(fù)載”，其本質(zhì)為多能源協(xié)同供電，所謂“智能負(fù)載”是指該負(fù)載能夠根據(jù)供電量的大小，智能工作在相應(yīng)的負(fù)荷下，其生產(chǎn)效率不發(fā)生改變，也就是說該智能負(fù)載能夠適應(yīng)風(fēng)電和網(wǎng)電供電負(fù)荷的波動。這種適應(yīng)性為風(fēng)電等不穩(wěn)定電源直接對負(fù)載進(jìn)行供電提供了理論支撐，提高了電網(wǎng)的利用率，同時也是“智能負(fù)載”對電網(wǎng)起到了理想的調(diào)峰作用。

高耗能產(chǎn)業(yè)通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，能夠適應(yīng)風(fēng)電(太陽能等)和電網(wǎng)輸出功率大幅度波動，使大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電(太陽能等)不經(jīng)過常規(guī)電網(wǎng)，就能夠高效、低成本、低故障率全部利用。因此“智能負(fù)載”是“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論的核心，通過智能負(fù)載，發(fā)電量與用電量通過電網(wǎng)達(dá)到了“均衡化”，對電網(wǎng)也起到非常好的調(diào)峰作用，這是“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論的內(nèi)涵。在中國，電解鋁、海水淡化、鹽化工氯堿、油田抽油、電解水制氫、風(fēng)煤多能源系統(tǒng)等都屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，都可以改造成“智能負(fù)載”[6～9]。

非并網(wǎng)風(fēng)電的本質(zhì)為多能源系統(tǒng)供電，消除了風(fēng)電波動對電網(wǎng)的影響，避免了并網(wǎng)型風(fēng)電波動對電網(wǎng)的沖擊，進(jìn)而影響電網(wǎng)的效率和安全性。其目標(biāo)為高耗能產(chǎn)業(yè)直接供電，互不干擾，減少了對電網(wǎng)的沖擊，降低了風(fēng)機(jī)制造成本。

非并網(wǎng)風(fēng)電理論得到了國內(nèi)外專家的普遍認(rèn)同。國際可再生能源機(jī)構(gòu)總干事海倫?佩露斯：“我深信，非并網(wǎng)風(fēng)電將會在未來的可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為我們帶來一個100%由可再生能源提供動力的世界”。世界風(fēng)能協(xié)會名譽(yù)主席普利本?麥加德：顧為東博士提出了非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)理論，使非并網(wǎng)風(fēng)電在世界聲名大振，他開辟了世界大規(guī)模風(fēng)電多元化應(yīng)用的新領(lǐng)域，是這個領(lǐng)域的開拓者和先鋒(EI：20100212619377)。世界風(fēng)能協(xié)會主席艾利奧?凱恩：非并網(wǎng)風(fēng)電是可再生能源領(lǐng)域中的全新概念，它把風(fēng)能和其他不同的能源聯(lián)系在一起。非并網(wǎng)風(fēng)電有很大的發(fā)展機(jī)會，不僅在發(fā)達(dá)國家如此，在發(fā)展中國家也是如此(EI：20100212619357)。世界可再生能源理事會主席沃爾夫?qū)捍笠?guī)模風(fēng)電非并網(wǎng)世界上還沒有先例，會使中國在風(fēng)電發(fā)展方面成為世界先進(jìn)的國家。世界風(fēng)能理事會理事長阿瑟勞斯?澤爾沃斯：在全球范圍內(nèi)，非并網(wǎng)是風(fēng)電一種重要的應(yīng)用，而且這種應(yīng)用不是小規(guī)模的，而是大規(guī)模的。非并網(wǎng)風(fēng)電的研究與開發(fā)，揭示了我們?nèi)祟惔笠?guī)模風(fēng)電多元化應(yīng)用的開端，我們將看到越來越多非并網(wǎng)風(fēng)電在工業(yè)方面的應(yīng)用(EI：20090211852785)。

分布式發(fā)電指的是在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機(jī)組(一般低于30 MW)，以滿足特定用戶的需要，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時滿足這兩個方面的要求。這些小的機(jī)組包括燃料電池，小型燃?xì)廨啓C(jī)，小型光伏發(fā)電，小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，或燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池的混合裝置。

分布式發(fā)電其實(shí)是多能源協(xié)同供電，自己發(fā)電自己用，不足的由網(wǎng)電補(bǔ)充，多余的電并入電網(wǎng)，本質(zhì)上是非并網(wǎng)理論的一種表現(xiàn)形式。

5 結(jié)語

本文以風(fēng)電為例，分析了風(fēng)電利用的三種模式，提出了非并網(wǎng)風(fēng)電理論。將風(fēng)電進(jìn)一步衍生，提出了非并網(wǎng)風(fēng)電的本質(zhì)為多能源協(xié)同供電。研究了分布式發(fā)電和非并網(wǎng)風(fēng)電理論的關(guān)系，分布式發(fā)電作為非并網(wǎng)風(fēng)電理論的一種表現(xiàn)形式，豐富了非并網(wǎng)風(fēng)電的理論，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)和分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個完整的電力系統(tǒng)框架。

[1] 顧為東.大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(19)：1-4.

[2] 顧為東.大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)理論與實(shí)踐[M].南京：江蘇人民出版社，2014.

[3] 顧為東.中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新戰(zhàn)略與風(fēng)電非并網(wǎng)理論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] 顧為東.利用風(fēng)能資源開發(fā)蘇北灘涂[J].江蘇工學(xué)院學(xué)報，1986，7(4)：82-87.

[5] 顧為東.風(fēng)力發(fā)電非并網(wǎng)系統(tǒng)的模型試驗(yàn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，30(3)：284-287.

[6] Gu Weidong，Yan Zhuoyong.Research on non-grid-connected wind power/water-electrolytic hydrogen production system[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012，1(37)：737-740.

[7] Li Chufu，He Xiaobin，Gu Weidong.Application of distributed wind(solar)/grid complement system for oil pumping machines in oilfields[C]//Proceedings of 2010 World Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference，2010：380-383.

[8] He Xiaobin，Li Chufu，Gu Weidong.Research on an innovative large-scale offshore wind power seawater desalination system[C]// Proceedings of 2010 World Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference，2010：1-4.

[9] Gu weidong，Yan Zhuoyong.Research on integrated system of large-scale non-grid-connected wind power and coal-to-SNG[C]// Proceedings of 2010 World Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference，2010：198-201.

Research on three kinds of wind power utilization mode

Kong Xiangwei，Gu Weidong
(Jiangsu Academy of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China)

This paper analyses the three modes of use of wind power，and detailedly elaborates the non-grid-connected wind power theory，discusses the wind power and other renewable energy through the multi energy cooperative power supply applied to high energy consuming industries，namely the connotation of non-grid-connected wind power.And it discusses the relationship between distributed generation and non-grid-connected wind power theory.As distributed generations is a form of non-grid-connected wind power，the non-grid-connected wind power and the existing power system will build a perfect framework of power system.

non-grid-connected；multi-energy synergistic；distributed generation；smart load

TK89

A

1009-1742（2015）03-0020-04

2014-10-20

國家科技支撐計(jì)劃“兆瓦級非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導(dǎo)性示范”（2013BAB08B04）

孔祥威，1970年出生，男，江蘇南京市人，主要研究方向?yàn)榉遣⒕W(wǎng)風(fēng)電與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究；E-mail：kxw@zjzw.net