王旭榮，周 巖，牛哲薈，陳寧磊，宋艷蘋，胡明江，范曉偉

（河南城建學院能源與建筑環(huán)境工程學院，河南 平頂山 467036）

河南作為我國中東部地區(qū)電力能源消費的重要區(qū)域，不僅擁有大量的礦物開采冶煉企業(yè)、制造加工企業(yè)、商業(yè)中心等用電量達數(shù)萬千瓦級的企業(yè)用戶，還面臨著新型城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設中快速增長的居民用電需求。然而，目前河南省的能源供給仍以煤炭為主，存在化石能源消耗占比大、用能成本高、能源浪費嚴重等問題。2017年印發(fā)的《河南省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》指出，到2020年全省非化石能源消費比達到7%以上。2023年印發(fā)的《河南省新能源和可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出，到2025年，可再生能源發(fā)電裝機容量達到5 500萬kW 以上，占全省發(fā)電總裝機容量的40%左右，以沿黃淺山丘陵和中東部平原地區(qū)為重點，加快建設4個高質量的百萬千瓦風電基地。

巴志剛［1］對河南省的風能密度進行了估算，統(tǒng)計了近40個站點的風資源觀測數(shù)據(jù)，并分析了地形對風能資源的影響程度。盧明華等［2］調研了河南省重點地區(qū)的風能資源，按照風能密度進行了分類。張紅衛(wèi)等［3］根據(jù)河南省1971—2000年的風速氣象資料，對河南省的風能資源時空分布進行了分析，得出了河南省風速較大區(qū)域主要集中在豫北、豫中、豫東的平原地帶的結論。張帥領等［4］研究了河南省平原與山地風資源及發(fā)電差異性，對平原風電和山地風電進行了對比分析，總結了平原風電的優(yōu)劣勢。劉馳等［5］分析了河南省風電建設對環(huán)境產(chǎn)生的影響并提出了一系列防治措施。李艷等［6］在研究中國陸域近地層風能資源的下墊面人為改變的影響時，指出城市化的不斷推進對下墊面的變化有一定影響。帕爾哈提·波拉提［7］基于典型平原風電場的風能資源特征，研究了風電機組的選型與布置區(qū)域。史磊［8］對平原和山地風電場的宏、微觀選址問題進行了綜合分析和研究。胡偉成［9］針對山地風能資源評估及風電場微觀選址，提出了一種耦合氣象資料的精細化計算流體動力學模型。

學者對河南省風能資源和風力發(fā)電開發(fā)的分析存在時效性差、數(shù)據(jù)不完全、分析不系統(tǒng)等問題?！笆奈濉逼陂g是河南省實現(xiàn)碳達峰剛性目標的關鍵期，風力發(fā)電裝機容量將大幅提升，調研河南省風能資源分布特征及風電開發(fā)利用，有助于合理評估河南省風資源的賦存狀況。

1 河南省風資源分布情況

河南省處于我國中東部，東經(jīng)110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′，東西長580 km，南北寬550 km，總面積16萬km2。河南省由太行山、伏牛山、大別山－桐柏山環(huán)繞，整體地勢西高東低，地形以平原為主。河南省山地、平原、丘陵分別占總面積的26%、56%和18%。地理位置和地形地貌決定了河南省風能資源分布的特點。根據(jù)河南省1981—2010年各觀測站點的風速數(shù)據(jù)資料，制作了河南省全域10 m高度處的累年平均風速熱力圖（見圖1）。

圖1 河南省10 m高度處的累年平均風速分布

由圖1可知，河南省風速分布具有很強的空間特征。風能資源較好的地區(qū)出現(xiàn)在豫西的三門峽地區(qū)、豫南的信陽地區(qū)及豫東北、豫中、豫東地區(qū)；風能資源較差的地區(qū)出現(xiàn)在豫西南的伏牛山脈以及桐柏山脈、鶴壁和濮陽以西的太行山－王屋山地區(qū)。累年平均風速最大值出現(xiàn)在嵩山觀測站，高達4.92 m／s。累年平均風速為2.0～3.0 m／s的觀測站分布在黃淮海平原，如許昌站、開封站、蘭考站。黃淮海平原風速分布穩(wěn)定，適合建設大規(guī)模的低速風電場。累年平均風速為1.5～2.0 m／s的觀測站多出現(xiàn)在山區(qū)向平原過渡地帶，如禹州站、汝州站。這些地區(qū)受地形影響，存在“狹管效應”。狹窄區(qū)域的氣流流速會突然加快，有較大的利用價值［10］。此外，河南省風速隨季節(jié)變化的特征明顯，呈現(xiàn)出1～3月風速遞增至全年最大值、4～8月遞減至全年最小值、9～12月再次遞增的趨勢。

風功率密度計算公式為

式中：Vn、V1分別為Zn、Z1高度處的風速（m／s）；α為冪指數(shù)，本文選取0.16；p為風功率密度（W／m2）；ρ為空氣密度（kg／m3），本文取ρ＝1.225e－0.0001Z。

根據(jù)目前主流風機輪轂高度，通過式（1）、式（2），計算得到河南省70 m高度處的累年平均風能密度分布圖（見圖2）。

圖2 河南省70 m高度處的累年平均風能密度分布

由圖2可知，河南省70 m高度處的累年平均風能密度變化范圍為1～55 W／m2。風能密度以三門峽的豫西黃土丘陵區(qū)、蘭考地區(qū)、環(huán)信陽邊界地區(qū)為最好。豫西南伏牛山脈、豫北王屋山脈的風能密度分布最差，不適合開發(fā)風電場。豫東北的風能密度分布最為穩(wěn)定，在整個區(qū)域內風能密度幾乎無變化?？傮w來看，河南省風能資源較為匱乏，但得益于大平原地形，風能密度分布穩(wěn)定，加上便捷的運輸條件，適合開發(fā)大規(guī)模的低風速風電場。山區(qū)多為各種山脈匯交的區(qū)域，各種隘口多，“狹管效應”明顯，適合開發(fā)各種山區(qū)風電場。

2 河南省風電規(guī)模及分布

2013—2022年河南省并網(wǎng)風電累計裝機容量及增速如圖3所示。河南省風力發(fā)電建設起步較晚。自2008年位于三門峽的17臺1.5 MW風電機組成功并網(wǎng)發(fā)電開始，至2022年底，河南省風電裝機容量達1 903萬kW，占全省裝機容量的15.93%，位列全國第8位。隨著環(huán)保意識增強、政府政策導向、技術不斷成熟、成本降低，風力發(fā)電在河南省呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，尤其是“十三五”期間，風力發(fā)電量得到了較大幅度的提升，年均增長達66.1%，其中2018年、2019年河南省連續(xù)兩年風電新增并網(wǎng)規(guī)模全國第一。此外，河南省平原地區(qū)大部分屬于低風速風區(qū)，低風速可開發(fā)容量位列全國第一，這是河南省低風速風電市場爆發(fā)的另一原因。

圖3 2013—2022年河南省累計并網(wǎng)風電裝機容量及增速

河南省共計332座風電場，總裝機容量為8 628.8 MW。將各風電場信息按照不同建設時期分別進行展示（見圖4），圖中每個氣泡代表一個風電場，氣泡越大代表裝機容量越大。

由圖4可知，在“十一五”期間，風電場建設項目分布在平頂山葉縣、三門峽、信陽等風能資源較好的地區(qū)，此時河南省風力發(fā)電處于試點開發(fā)，風力發(fā)電機裝機規(guī)模僅273 MW?！笆濉逼陂g，河南省重點在三門峽、南陽、信陽、駐馬店、平頂山等地區(qū)建設了分散式風電示范項目，以中型風電場為主，尚未建立大型風電場。此時風電場在三門峽所在的豫西黃土丘陵區(qū)較為集中，與風能密度的分布有較好的重疊。其次，沿著伏牛山脈形成了洛陽、嵩山、平頂山、南陽的風機帶。這些地區(qū)屬于平原－丘陵的過渡地帶，易產(chǎn)生“狹管效應”。另外，濮陽、鶴壁等地區(qū)，出現(xiàn)了一定規(guī)模的風電場。這些地區(qū)處于各種季風的重要風口，風資源與季節(jié)的關聯(lián)性較強，但風資源總體上穩(wěn)定?！笆濉逼陂g，河南省鼓勵符合條件的區(qū)域建設大型風電基地，重點推進在三門峽、南陽、信陽、駐馬店、平頂山、洛陽等地區(qū)建設風電項目，風電裝機容量出現(xiàn)跨越式發(fā)展。河南省首次建設了大型風電場，如華潤新能源唐河九龍250 MW 風電項目、華潤新能源內黃縣潤豐400 MW 風電項目及華潤濮陽500 MW 風電項目。這些大型風電場選址集中在擁有較好風資源條件的濮陽地區(qū)，其作為河南省的優(yōu)質平原地區(qū)，在運輸條件、施工建設難易度、經(jīng)濟效益等方面都是投資建設的首選。風資源一般的豫中和豫東平原地區(qū)也得到了風電開發(fā)，并出現(xiàn)了一批分散式風電場。“十四五”期間，河南省重點建設了低風速和分布式風力發(fā)電項目，列入計劃的風電場總裝機容量達到了8 629 MW，單個風電場容量多在10 MW 以下。

河南省70 m高度處的風能密度與各時期風電場分布情況如圖5所示。風電場建設位置、容量與風能密度大小吻合度較高，在風能密度高的地區(qū)，擁有大量的風電場。此外，風能密度較高的開封、新鄉(xiāng)、信陽南部等地，風電場的數(shù)量和容量較少，有進一步開發(fā)利用的空間。

圖5 河南省70 m高度處的風能密度與各時期風電場分布

3 河南省風電運行情況

2013—2022年河南省風電發(fā)電量及增速變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，河南省風電發(fā)電量由2013年的約7億kW·h迅速提高至2022年的約382億kW·h，占全省發(fā)電量的11.5%。其中“十三五”期間，河南省風電裝機規(guī)模出現(xiàn)了井噴式發(fā)展現(xiàn)象，風電發(fā)電量激增，年均增速在50%以上，2021年風電發(fā)電量增速達到了140%。

圖6 2013—2022年河南省風電發(fā)電量及增速

2012—2022年河南省與全國風電機組平均利用小時數(shù)的變化情況如圖7所示。全年利用小時數(shù)為對每日發(fā)電量與當日裝機容量的商進行全年求和。由圖7可知，2013年河南省風電年利用小時數(shù)為11年中最高，達到2 202 h，2019年的利用小時數(shù)最低，為1 480 h。此外，“十二五”期間，河南省風電機組平均利用小時數(shù)均高于全國平均值，而“十三五”期間均低于全國平均值，原因在于2017—2020年河南省新增裝機容量變化過快，年增速均在70%以上，而新增發(fā)電量增速受風電并網(wǎng)時間、風速、電網(wǎng)消納等因素影響，相對較低?！笆奈濉逼陂g，隨著河南省風電裝機容量增速放緩，風電年利用小時數(shù)將一直保持著與全國風電平均利用小時數(shù)差距較小的狀態(tài)，風資源利用較充分。

圖7 2012—2022年河南省和全國風電機組平均利用小時數(shù)

河南省和全國風電棄風率變化情況如圖8所示。2020年以前河南省風電棄風率均為0，后續(xù)年份棄風率小幅增長，2022年風電棄風率為1.8%，比上一年增加0.1%，河南省風電消納情況較好。對比而言，河南省風電利用率高于全國風電平均利用率，維持在較好的水平，尤其是“十二五”期間全國風電平均棄風率高達17%，出現(xiàn)明顯的棄風限電現(xiàn)象。棄風因素主要有：（1）自然資源條件，如風能的隨機性、波動性和間歇性等特點；（2）電力市場情況，如無配套調峰電源、跨區(qū)輸電能力不足、電力調度管理方式等；（3）其他因素，如風機并網(wǎng)技術水平不高、布局不均衡等。2016年，國家發(fā)改委、國家能源局等部門相繼出臺了《可再生能源發(fā)電全額保障性收購管理辦法》《解決棄水棄風棄光問題實施方案》《清潔能源消納行動計劃（2018—2020年）》《關于建立健全清潔能源消納長效機制的指導意見》。

圖8 2012—2022年河南省與全國風電棄風情況

4 風電技術發(fā)展趨勢

（1）風能資源精細化評估技術。

氣象條件是風電開發(fā)的重要參考因素，直接影響風電廠建設的投資效益以及風能的利用情況。當前風資源評估的技術支撐主要是大數(shù)據(jù)、云計算和深度學習。通過分析氣象站、風電場機組數(shù)據(jù)和理論模型之間的內在關聯(lián)，制定特征提取方法以及構建合適的神經(jīng)網(wǎng)絡結構。為了提高風能資源評估可信度，在不斷優(yōu)化算法的同時，還可引入山區(qū)等復雜地形的數(shù)據(jù)。隨著當前風電場總裝機容量和單機容量的不斷增大，研究尾流疊加模型和湍流擾動模型，考慮其對發(fā)電量評估和預測的影響，可以進一步提高風能資源評估的精度。

（2）風功率預測技術。

根據(jù)時間尺度的長短，風電功率預測技術可劃分為超短期、短期、中長期及長期預測技術。預測方法包括物理方法和統(tǒng)計方法。物理方法即利用數(shù)值天氣預報來獲得風電場所在區(qū)域的各項氣象數(shù)據(jù)（風速、風向、最高氣溫、平均氣溫和氣壓等），再根據(jù)風電場周圍的地形、障礙物、粗糙度等局部效應信息，計算得到各個風力發(fā)電機組輪轂高度處的風速、風向等數(shù)據(jù)，最后通過風力渦輪機制造商給出的功率曲線圖提前預測風電場的輸出功率。統(tǒng)計方法是在不考慮短時間內風速變化的情況下，利用過去一段時間內的歷史功率數(shù)據(jù)建立氣象數(shù)據(jù)與輸出功率之間的非線性映射關系，再利用氣象數(shù)據(jù)作為特征屬性預測風電場的短期功率輸出。當前短期預測的模型主要有持久化模型、自回歸模型、卡爾曼濾波器、自回歸滑動平均模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、徑向基函數(shù)網(wǎng)絡模型和基于歷史數(shù)據(jù)的預測模型等。目前較有代表性的預測系統(tǒng)有丹麥Prediktor系統(tǒng)、歐盟Anemos系統(tǒng)、西班牙LocalPred系統(tǒng)、德國Previento系統(tǒng)、中國電科院WPFSVer1.0預測系統(tǒng)等。

（3）多能互補技術。

基于風能的多能互補發(fā)電的方式主要為現(xiàn)有發(fā)電技術集成的“電互補”，即將現(xiàn)有太陽能發(fā)電（光伏、光熱）、水力發(fā)電、生物質發(fā)電（直接燃燒、生物質氣化）、儲能電站等和風力發(fā)電進行集成，可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出，降低新系統(tǒng)開發(fā)的技術和經(jīng)濟風險。當前多能源互補程度較低，存在能源浪費的情況，能源協(xié)調優(yōu)化控制能力仍有較大提升空間。

5 結論

河南省已投運的風電場中，半數(shù)以上為山地風電場，分布在豫西北、豫西南、豫南山區(qū)，其他分布在豫東平原低風速區(qū)域的平原風電場，風電場運行情況良好。此外，河南省風電資源仍有較大潛力未被挖掘，如風能密度高的開封、商丘、新鄉(xiāng)、濮陽等沿黃淺山丘陵和平原地區(qū)。而非平原地區(qū)可充分利用“狹管效應”，合理建設風電場，如信陽南部地區(qū)?！笆奈濉逼陂g，河南省可按照最大保護、最低影響、適度開發(fā)的原則繼續(xù)推動風能資源開發(fā)利用，預計到2025年，河南省風電累計并網(wǎng)容量達到2 700萬kW。