孔祥威，顧為東

(江蘇省宏觀經濟研究院，南京210013)

風電三種利用模式分析

孔祥威，顧為東

(江蘇省宏觀經濟研究院，南京210013)

本文分析了風電的三種利用模式，詳細闡述了非并網(wǎng)風電理論，探討了風電等可再生能源通過多能源協(xié)同供電應用于高耗能產業(yè)，即非并網(wǎng)風電的內涵。研究分布式發(fā)電和非并網(wǎng)風電理論的關系，分布式發(fā)電作為非并網(wǎng)風電的一種表現(xiàn)形式，將非并網(wǎng)風電與現(xiàn)存電力系統(tǒng)構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；智能負載

1 前言

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

豐富的風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))，新增裝機容量16 088.7 MW，同比增長24.1%；累計裝機容量91 412.89 MW，同比增長21.4%。新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界第一。

風能的自身波動和間歇特性導致風電場發(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)性和可調性，嚴重危及電網(wǎng)安全。

風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余項指標影響電網(wǎng)的供電質量和嚴重危及電網(wǎng)安全；還決定了大規(guī)模風電并網(wǎng)，必須依靠以煤電為主的發(fā)電裝備隨時進行深度調峰，否則電網(wǎng)將面臨“崩潰”。

如何提高風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)的風電利用模式，在此基礎上，提出了非并網(wǎng)風電模式。分析非并網(wǎng)風電模式的基本特點、內在機理，并對風能等可再生能源的利用探明一個方向。

2 中國風電為什么不能大規(guī)模上網(wǎng)

與歐美等發(fā)達國家不同，我國能源結構以煤炭為主。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構是以石油、天然氣等為主，其中美國27%是天然氣發(fā)電；英國燃氣發(fā)電比例更是高達60%；北歐國家水電占90%。

因此，這些國家的電網(wǎng)對風電并網(wǎng)容納能力遠遠高于我國，這是因為燃氣、燃油發(fā)電和水電的調峰能力強，在一定范圍內能有效減少風電波動對電網(wǎng)的危害。如歐洲的西班牙，近十年來大力發(fā)展風電，裝機容量突破2×107kW，居全球第4位。他們在迅速發(fā)展風電的同時，大力配套發(fā)展具有深度調峰能力的燃油/燃氣機組、聯(lián)合循環(huán)機組，可深度調節(jié)機組達3.5×107kW，滿足了風電調峰需求。

中國的能源資源問題不能脫離中國的實際，不同國家、不同地區(qū)的地理條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組，其鍋爐燃燒系統(tǒng)滯后（反應慢）、效率低、經濟性差，不宜做深度調峰。以1 000 MW某超超臨界機組為例，風電充足時，參與調峰的火電機組輸出功率下降，每度電耗煤迅速上升；當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，煤電機組參與深度調峰，將使煤耗上升、發(fā)電機組效率下降和故障概率增加，長期以往還將嚴重縮短發(fā)電設備壽命。

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構，這一特性也就決定了我國目前電網(wǎng)結構不具備大規(guī)模深度調峰的能力，國外傳統(tǒng)的風電并網(wǎng)模式不符合我國大規(guī)模風電并網(wǎng)的國情。中國還是一個發(fā)展中國家，國情決定我們應做到發(fā)展新能源與經濟效益的統(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，而隨著電力技術的發(fā)展，各個相互獨立的電力系統(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。這些獨立供電系統(tǒng)通過蓄電池后為負載供電，利用效率降低30%左右，投資卻增加約一倍，如圖1所示(以風電為例)。

圖1 離網(wǎng)型風電模式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，其獨立運行，經過蓄電池以后，通過逆變器輸出電能為負載所用。

并網(wǎng)型風電發(fā)出的電能，通過一系列的苛刻條件，并入大電網(wǎng)為負載供電。并網(wǎng)型風電模式風機結構復雜，風電對電網(wǎng)污染嚴重。在沒有燃氣發(fā)電、水電等調峰時，風電在電網(wǎng)中貢獻率一般難以超過10%。并網(wǎng)型風電模式如圖2所示(以風電為例)。

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

智能微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。

4 非并網(wǎng)風電模式

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

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

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

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

非并網(wǎng)型風電模式利用風/網(wǎng)協(xié)同供電，風電、網(wǎng)電相互獨立、互不干擾，協(xié)同為負載供電。風機結構優(yōu)化，成本降低，實現(xiàn)風電高效、低成本全部利用。

風電的這種非并網(wǎng)模式，將發(fā)電與負載直接耦合為一個“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)這一限制風電大規(guī)模應用的瓶頸，也避免了風電并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

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

3)由于沒有了上網(wǎng)條件的束縛，風力機可以采用一些低成本、高效能的設備，也可以簡化甚至省去成本高、結構復雜的設備。

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

高耗能產業(yè)通過必要的技術創(chuàng)新與集成，能夠適應風電(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)模風電(太陽能等)不經過常規(guī)電網(wǎng)，就能夠高效、低成本、低故障率全部利用。因此“智能負載”是“非并網(wǎng)風電”理論的核心，通過智能負載，發(fā)電量與用電量通過電網(wǎng)達到了“均衡化”，對電網(wǎng)也起到非常好的調峰作用，這是“非并網(wǎng)風電”理論的內涵。在中國，電解鋁、海水淡化、鹽化工氯堿、油田抽油、電解水制氫、風煤多能源系統(tǒng)等都屬于高耗能產業(yè)，都可以改造成“智能負載”[6～9]。

非并網(wǎng)風電的本質為多能源系統(tǒng)供電，消除了風電波動對電網(wǎng)的影響，避免了并網(wǎng)型風電波動對電網(wǎng)的沖擊，進而影響電網(wǎng)的效率和安全性。其目標為高耗能產業(yè)直接供電，互不干擾，減少了對電網(wǎng)的沖擊，降低了風機制造成本。

非并網(wǎng)風電理論得到了國內外專家的普遍認同。國際可再生能源機構總干事海倫?佩露斯：“我深信，非并網(wǎng)風電將會在未來的可再生能源領域發(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”。世界風能協(xié)會名譽主席普利本?麥加德：顧為東博士提出了非并網(wǎng)風電系統(tǒng)理論，使非并網(wǎng)風電在世界聲名大振，他開辟了世界大規(guī)模風電多元化應用的新領域，是這個領域的開拓者和先鋒(EI：20100212619377)。世界風能協(xié)會主席艾利奧?凱恩：非并網(wǎng)風電是可再生能源領域中的全新概念，它把風能和其他不同的能源聯(lián)系在一起。非并網(wǎng)風電有很大的發(fā)展機會，不僅在發(fā)達國家如此，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岡：大規(guī)模風電非并網(wǎng)世界上還沒有先例，會使中國在風電發(fā)展方面成為世界先進的國家。世界風能理事會理事長阿瑟勞斯?澤爾沃斯：在全球范圍內，非并網(wǎng)是風電一種重要的應用，而且這種應用不是小規(guī)模的，而是大規(guī)模的。非并網(wǎng)風電的研究與開發(fā)，揭示了我們人類大規(guī)模風電多元化應用的開端，我們將看到越來越多非并網(wǎng)風電在工業(yè)方面的應用(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)的經濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。這些小的機組包括燃料電池，小型燃氣輪機，小型光伏發(fā)電，小型風光互補發(fā)電，或燃氣輪機與燃料電池的混合裝置。

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

5 結語

本文以風電為例，分析了風電利用的三種模式，提出了非并網(wǎng)風電理論。將風電進一步衍生，提出了非并網(wǎng)風電的本質為多能源協(xié)同供電。研究了分布式發(fā)電和非并網(wǎng)風電理論的關系，分布式發(fā)電作為非并網(wǎng)風電理論的一種表現(xiàn)形式，豐富了非并網(wǎng)風電的理論，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)和分布式發(fā)電的基礎上，構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)風電系統(tǒng)開發(fā)與應用[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)風電系統(tǒng)理論與實踐[M].南京：江蘇人民出版社，2014.

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

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

[5] 顧為東.風力發(fā)電非并網(wǎng)系統(tǒng)的模型試驗[J].江蘇大學學報（自然科學版），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

國家科技支撐計劃“兆瓦級非并網(wǎng)風電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導性示范”（2013BAB08B04）

孔祥威，1970年出生，男，江蘇南京市人，主要研究方向為非并網(wǎng)風電與產業(yè)化應用研究；E-mail：kxw@zjzw.net