任建明

（廣東電網(wǎng)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(fā)電、植樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)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(jīng)成為“十四五”的重點任務之一。然而多年來我國發(fā)電結構一直以火電、煤電為主，對化石能源產(chǎn)生了長期的依賴，而對化石能源的大力開發(fā)，給多地帶來了嚴重的環(huán)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(fā)電清潔等優(yōu)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(yè)的發(fā)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(diào)整和轉型，促進風能等新能源的開發(fā)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(wǎng)難以避免地會對電網(wǎng)產(chǎn)生包括頻率波動，電壓波動等不良影響，危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。在風電發(fā)展的歷史進程中，風機并網(wǎng)、含高比例可再生能源電網(wǎng)運行等巨大挑戰(zhàn)將是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，本文旨從發(fā)展現(xiàn)狀、風電技術以及未來面臨的挑戰(zhàn)3個角度，詳細梳理了風電發(fā)展的藍圖，為風電發(fā)展提供了理論指導和發(fā)展方向。

1 發(fā)展現(xiàn)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(qū)（東北、華北、西北）和沿海及其島嶼地區(qū)，這些地區(qū)每年風速在3 m/s以上的時間近4000 h左右，一些地區(qū)年平均風速可達6～7 m/s以上，具有很大的開發(fā)利用價值[1]。

近年來，我國風電發(fā)展勢頭強勁。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，2020年上半年風電并網(wǎng)運行情況如圖1所示。2020年上半年我國累計風電并網(wǎng)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(fā)電量2379億kWh，同比增長10.9%；全國風電平均利用小時數(shù)1123 h，其中利用小時數(shù)較高的地區(qū)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(wǎng)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖2 我國2021年1—2月發(fā)電裝機容量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖3 我國2021年1—2月新增發(fā)電裝機容量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖4 我國2021年1—2月平均利用小時數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2 風力發(fā)電技術

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

圖5 風力發(fā)電技術

2.1 風機技術

隨著風電的發(fā)展以及考慮實際電網(wǎng)安全經(jīng)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(wǎng)，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(yè)界需要考慮的問題。其中，雙饋異步風力發(fā)電機和永磁直驅同步風力發(fā)電機是當前主流的發(fā)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(fā)電機進行對比。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，雙饋異步風力發(fā)電機在性能方面總體上不如永磁直驅同步風力發(fā)電機，但由于其發(fā)展較早，技術相對成熟，同時雙饋異步風力發(fā)電機具有尺寸小、造價低等特點，因而仍然在電網(wǎng)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(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(fā)電機結構、性能比較

永磁直驅同步風力發(fā)電機雖然造價貴，但其具有更高的發(fā)電效率和更強的電網(wǎng)兼容性，理論上說，對電網(wǎng)以及用戶更加友好。從發(fā)展的眼光來看，隨著永磁材料的發(fā)展和電機小型化發(fā)展，在未來，永磁直驅同步風力發(fā)電機將更加具有競爭優(yōu)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(wǎng)的不安全運行，因此業(yè)界希望能夠實時跟蹤風電出力，即實現(xiàn)風電功率的準確、可靠、快速預測。發(fā)展風電功率預測技術，加強風電功率預測可信度，可實現(xiàn)對風電出力的實時態(tài)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(tǒng)本身是一個復雜，自產(chǎn)大量數(shù)據(jù)的人工系統(tǒng)，因此在可以預見的未來，人工智能與大數(shù)據(jù)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(fā)展。

2.3 風電并網(wǎng)技術

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

2.4 儲能技術

隨著風電等波動性電源并網(wǎng)比例不斷提升，傳統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷”運行方式已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)“發(fā)輸配用”同時性的要求，“源-網(wǎng)-荷-儲”的電力系統(tǒng)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(wěn)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?，F(xiàn)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(tǒng)優(yōu)化配置。儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置包括空間分布的優(yōu)化以及儲能容量的優(yōu)化。已有的文獻從蓄電池儲能容量優(yōu)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(tǒng)容量配置[16]等方面進行研究。通過優(yōu)化儲能配置，能在保證達到風電消納目標的前提下，提高經(jīng)濟效益。

3 風電發(fā)展的挑戰(zhàn)

3.1 新能源發(fā)展戰(zhàn)略——完善并落實

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

在風電接入電網(wǎng)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(wǎng)，避免大規(guī)模棄風棄光。

3.2 風力發(fā)電技術——從引進到引領

長久以來，我國的風力發(fā)電技術在技術創(chuàng)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(fā)展受制于人。因此，要發(fā)展好風電，必須發(fā)展好風電技術，打破國外技術壟斷，實現(xiàn)從引進到引領。

3.3 電力市場——以消費促發(fā)展

國際電力市場風電交易規(guī)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(fā)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(yè)不易對市場的供求信息進行準確判斷。另一方面，在現(xiàn)行的電力市場機制下，風電市場并未完全發(fā)展好，而國內(nèi)的風電設備市場趨于飽和，形成供需不平衡狀態(tài)，阻礙了風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

因此，在電力市場方面，國家可以通過優(yōu)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(wěn)發(fā)展。

4 結束語

在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的支持下，經(jīng)過多年來風電技術專家和電網(wǎng)工作人員的共同努力下，我國風電發(fā)展已經(jīng)取得了舉世矚目的成績。在“2060年實現(xiàn)碳中和”的目標下，風電發(fā)展的事業(yè)仍然任重而道遠。所以要不斷完善行業(yè)的技術標準，提升風電企業(yè)技術和管理水平，加強與國際領先企業(yè)或者研究院的交流與合作；不斷調(diào)整發(fā)展風電技術，主要集中在儲能技術和風電的并網(wǎng)消納技術方面，減少棄風現(xiàn)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(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。