我國風電高效利用技術趨勢及發展建議
一、前言
近幾年，我國風電發展迅速，裝機規模不斷增大[1,2]。截至2017年，我國風電累計裝機容量已連續8年位居世界第一，全國累計并網容量約為1.64×108kW，與2007年相比，增長了約29倍。2017年全國風電上網電量達3.057×1011kW·h，占當年全部發電量的4.8%[3]，風電已成為我國第三大電源。風能開發與利用是我國能源轉型的核心內容和應對氣候變化的重要途徑。
我國風能資源集中地區電源結構以火電為主，受本地負荷水平以及常規機組調峰能力等因素影響[4]，消納空間有限。隨著風電的快速發展，風電消納矛盾逐漸顯現。2011年，甘肅棄風電量達到1.04×109kW·h，之后棄風情況加劇，2016年棄風電量攀升至4.97×1010kW·h，棄風率達17.1%[5]，棄風問題引起社會各界廣泛關注。隨后，國家出臺一系列政策措施促進風電的高效消納，棄風現象有所緩解。2017年全國棄風電量為4.19×1010kW·h，棄風率達12%，比2016年減少了5%，但消納難題仍然是制約我國風電行業持續健康發展的重要因素之一。
我國政府承諾到2020年、2030年非化石能源消費占一次能源消費比重將分別達到15%和20%。國家能源局于2016年11月發布的《風電發展“十三五”規劃》指出，到2020年年底，風電累計并網裝機容量將達到2.1×108kW以上，年發電量達到4.2×1011kW·h，約占全國總發電量的6%。此外，根據國家可再生能源中心發布的《中國風電發展路線圖2050》，2050年風電裝機將達1×109kW，能夠滿足全國17%的電力需求[6]。未來我國風電行業仍將維持較高速度增長。由于風能資源的隨機波動性，發電設備的弱支撐和低抗擾性，隨著風電在電力系統中比例越來越高，風電等新能源的高效消納和電力系統安全穩定運行都將面臨更大挑戰。
為推進和保障我國風電行業持續規?；】蛋l展，實現未來我國風電高比例發展目標，使風電成為對我國能源結構調整、應對氣候變化有重要貢獻的新能源，亟需解決風電高效消納利用難題。
二、我國風電利用技術現狀及存在的問題
為促進風電的高效利用,過去幾年間我國多措并舉，取得了一定的成績，但在風電并網運行、風電多種利用、多能互補利用、分布式開發利用等方面仍存在一些問題。
（一）風電并網運行
在風電功率預測方面，國內高校和科研機構在 風電功率預測領域開展了大量研究工作，針對我國 風電發展模式和特點，從超短期、短期、中長期等 多時間尺度建立了較為完善的風電功率預測體系。 預測模型涵蓋基于多數據源的統計方法 [7]，基于 微尺度氣象和計算流體力學的物理方法 [8]，并創 造性地提出自適應組態組合預測方法 [9]，能夠充 分利用碎片化的多元歷史數據，結合局地氣候特征， 自適應選擇多樣本空間下的最優耦合方式，有效提 高了預測精度和算法的普適性。目前，我國已自主 研發出電網側和電站側的風電功率預測系統，并在 主要風電并網運行省區實現了應用覆蓋。但在復雜 地型、極端天氣以及海上風電功率預測等方面，預 測技術和方法仍需不斷完善，功率預測也以確定性 預測為主。
在風電集群控制方面，研發了以公共連接點電壓穩定為目標的風電場電壓無功綜合控制系統；研制了風電場有功協調控制系統，已成功應用于甘肅電網，對該地區電網調度部門提高風電的管理和控制水平及風電利用率具有顯著意義。國內研究機構在IEC61850的基礎上，開展了基于IEC61400-25的風電場綜合監控技術研究，并基于成熟的變電站自動化系統平臺技術，開發了可擴展性較強的風電場綜合監控系統平臺?？傮w來看，我國對于新能源電站有功、無功控制技術研究已經積累了一定經驗并研發應用了控制系統，有功控制研究主要集中在控制策略、控制方法評價等方面，在大型新能源電站多工況自適應調頻控制、基于多源數據融合的大型新能源電站有功分層控制技術方面研究較少；無功控制研究集中于風電機組的控制策略、無功的優化選址以及風電場當地控制策略等方面；研發應用的控制系統存在不同風電廠家接口不規范、在線控制調節響應不一致等問題。此外，風電場/集群主動支撐電網運行控制性能還需提升。
在風電優化調度方面，采用的主要調度模型和方法包括：考慮自動發電控制（AGC）備用的優化調度方法、考慮風電接入系統的旋轉備用容量優化調度方法和以風險概率為約束的新能源隨機優化調度方法等[10,11]。國內已開發了新能源優化調度支持系統，并應用于我國23個省級（區）的電力調度控制中心。但在適應大規模風電集中送出的調度運行技術和促進風電消納的電力市場及輔助服務技術等方面仍需加強。
相對于陸上風電而言，我國海上風電的研究工作明顯滯后，海上風電并網的影響、高壓直流送出、遠程集群控制等還處于研發初級階段，相關技術標準和規程規范等還在制定中。
（二）風電多種利用
在風電制氫方面，目前國外多個國家均投入大量資金用于風電制氫相關技術研究和示范工程建設。其中，美國能源部“Wind2H2”計劃研究內容包括：可再生能源功率控制、氫儲能技術、風–氫系統容量化配置、風電上網和電解水制氫的功率分配問題、技術經濟分析與成本效益分析、電解技術對風–氫系統的影響及系統的規?；彤a業化。國內風電制氫系統關鍵技術研究還處于起步階段，包括了風電場耦合制氫系統、風電制氫在海上風電場環境下的可行性等，并開展了多項風電制氫項目示范，風電制氫為風電的綜合利用提供了一個方向，需要突破風電間歇性功率波動對制氫系統的影響問題、風電耦合氫能系統的集成控制和優化運行以及氫氣的儲運技術[12]等，另外其經濟效益問題也有待進一步深入研究。
在風電供暖方面，國內已有部分風電開發企業開展了小規模風電供暖示范工程，風電供暖理論也在完善之中，主要技術難點在于熱–電協調優化調度?，F有電采暖運行模式多采用綁定結算模式，未考慮協調優化和調度控制。文獻[13]提出了電儲熱–棄風聯動的實時運行模式，該模式基于風電歷史運行和棄風數據，優化出電儲熱最優電加熱功率和儲熱容量，在運行時調度機構基于風電功率預測和電力系統實時運行狀態，評估得到日前和實時棄風電力曲線，并下發電儲熱；在結算時實時記錄風電場棄風電力和電儲熱用電電力，確保電儲熱用的是該風電場的棄風電，維護各方利益。國內在熱–電協調優化與調度策略研究方面也已開展了棄風供熱項目試點。
目前在考慮風電消納的熱–電聯合運行監控系統研發方面，已有一些實際應用的軟件系統，例如吉林電網供熱機組在線實時監測系統、江蘇電網供熱機組可調出力監測系統等。但是，熱–電聯合運行監控軟件的開發和應用還處于初級階段，大多數監控系統還處于開發研究和試驗階段。
（三）多能互補利用
多能互補是按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源相互補充，以緩解能源供需矛盾，合理保護和利用自然資源，同時獲得較好的環境效益的用能方式[14,15]。風光水氣火儲等不同電源具有時空互補特性，《電力發展“十三五”規劃》明確指出，多能互補是提高風電等新能源消納能力的重要手段，包含小型的多能互補系統及電力系統級多能互補兩個方面。
目前，我國在小型含風電的互補發電系統應用較多的是風水互補發電和風光互補發電，運行的互補發電系統有：村級風光互補發電站、用于氣象站的風能太陽能混合發電站、太陽能風能無線電話離轉臺電源系統等，這些發電系統可以解決一些偏遠地區的供電、供能問題。
在電力系統級的多能互補方面，國內提出了 基于可靠性和設備調控能力的電力系統靈活性指 標 [16]，采用確定性的電力系統規劃準則，提出了 側重于風光互補的多點布局規劃設計方法等 [17]， 分析了風電與其他電源聯合運行的可靠性和經濟性 等，并開展了國家風光儲輸等多項多能互補集成優 化工程的建設。目前還缺乏考慮多種電源復雜特性 的電力系統靈活性分析方法，電網調度與控制尚未 充分考慮多種電源、多時間尺度的全局優化與實時 控制，現有控制系統難以充分利用動態變化的調峰 能力來最大化消納風電等新能源。
（四）分布式開發利用
分布式開發利用是風電除大規模集中開發遠距離外送消納外的另一種形式。一般通過35kV及以下電壓等級接入電網，位于用戶附近，以就地消納為主，并采用多點接入，統一監控的并網方式。國內風電分布式開發利用尚處于示范應用階段，落后于國外風電大國。目前已建成示范工程，但大多沿襲集中式風電場開發經驗或沒有充分考慮當地配電網承載能力，帶來了投資較高、影響電網和用戶供電質量等問題。
分布式風電的關鍵技術主要有適用于分布式利 用的資源評估技術、優化規劃技術、功率預測技術、 信息采集與監控技術等。在資源評估方面，風電分 布式開發靠近用戶側，需要考慮障礙物的影響，同 時風電分布式開發地理位置較為分散，不可能每個 開發地點都安裝測風塔，因此分析風電分布式開發 的固有特點，研究綜合利用遠距離測風塔、氣象站 及衛星氣象數據的風電分布式開發的風能資源評估 方法，可以為風電分布式開發的前期規劃奠定基礎。 在功率預測方面，國內目前基本都是針對大規模集 中式風電場，在分布式風電出力預測方面還需要進 行深入研究，提高預測精度。此外，國內對風電分 布式開發的并網規劃技術、信息采集與監控技術研 究較少 [18]。
微電網是分布式風電應用的有效形式之一。近幾年，我國建起數個以風電為主、多能源互補的分布式微電網系統，如以大型風電機組為主的分布式智能微網示范項目——江蘇大豐商業園區分布式微電網示范項目，為園區提供了37%的電力供應；舟山東福山島風光儲柴微網發電系統，全島負荷用電基本由風電等新能源提供。獨立供電系統在不同運行方式下的電能質量能夠達到國標要求，為偏遠地區供電提供了一種新模式。但目前存在系統雙向互動、優化運行等方面的技術瓶頸。
三、未來我國風電高效利用技術趨勢
大力發展風電等新能源，是構建我國清潔低碳、安全高效的能源體系的必由之路。為支撐未來我國風電的大規模開發和高效利用，需要不斷完善大規模風電并網運行技術、市場機制下的風電多能互補以及分布式利用等技術，不斷探索風電多種利用形式，順應“互聯網+”趨勢，研究建立基于大數據技術的輔助風電運行管理平臺等。
（一）安全可靠的大規模風電并網運行技術
1.風電大規模并網集群控制與優化調度技術
我國風能資源與負荷中心逆向分布的特點，決定了未來我國風電仍以遠距離大規模送出并網為主。風電大規模集群并網控制技術將向智能化、自動化方向發展。通過建成大規模風電集群控制技術支持系統，做到基于多源數據融合的大型新能源電站有功分層控制，實現風電集群控制的智能化、自動化，進一步提高大型風電基地的運行控制水平。通過發展風電主動支撐及協調控制技術，實現風電并網從被動適應到主動支撐的轉變。
風電功率預測是實現優化調度的基礎，功率預測技術還需補充和完善概率預測和誤差評估體系。同時建立適用于我國氣候和地形特點的數值天氣模式和風能資源評估軟件，發展多時空尺度、多預測對象的新一代功率預測方法，進一步提升新能源資源評估觀測以及發電功率預測的分辨率和精度。風電優化調度將向不確定性調度、在線風險預警、主動防御方向發展。通過突破風電與電化學儲能、抽水蓄能、熱力、油氣等多種形式儲能優化配置及聯合運行調度技術、風電基地特高壓跨區外送調度運行關鍵技術等，最終建立適合多種能源應用的市場機制下的新能源優化調度體系，實現最大化消納風電，在提高風電等新能源利用率的同時降低運行成本。
2.大規模海上風電并網技術
海陸并舉已成為我國風電發展的必然趨勢。隨著未來我國海上風電規模的不斷增加，海上風電并網運行的相關問題也將逐步凸顯，這必將成為行業關注的熱點和研究的重點。直流匯集及并網技術以其獨特的優勢將成為未來海上風電并網的主要選擇之一。
通過開展適應于海上風電規劃技術、資源評估與預測技術以及大型海上風電基地交直流混聯匯集及送出的直流電網拓撲優化、協調運行控制、故障保護等關鍵技術研究，全面建成大規模海上新能源接入直流電網協調運行和控制保護技術體系，突破交直流混合電網接口技術瓶頸，實現海上風電接入電網，促進海上風能資源的規?；咝Ю?。
（二）高效率低成本的風電多種利用技術
1.經濟高效的風電制氫技術
未來，在風電制氫方面，隨著新型低成本儲氫材料以及規模儲氫技術的進步，風電制氫儲運問題有望得到有效解決，制氫成本有望越來越低，為風電制氫的產業化發展提供了可能。
未來，通過突破高電壓大功率氫儲能系統的協調控制技術、氫儲能系統成套技術方案、風電–氫儲能聯合優化運行控制調度系統以及配合風電并網接入的能量管理策略與協調優化控制策略，破解風電制氫技術瓶頸，使風電制氫逐漸成為風電開發利用的重要形式，實現規?；瘧?，提高風電消納能力。
2.市場機制下的風電供暖技術
風電供暖技術發展的關鍵在于突破熱–電聯合優化運行策略與控制技術，通過統籌考慮大容量儲熱單元流程結構、運行特性、集成設計原理和優化方法、大容量儲熱單元優化配置和運行機制，深入挖掘城市供熱系統調峰能力，突破熱–電聯合優化運行策略與控制技術，促進風電供熱規?；l展，提高風電利用率。
（三）能源互聯下的多能互補技術
在未來能源互聯網發展背景下，多能互補技術為風電的高效利用提供了一種很好的選擇，其關鍵在于利用不同能源資源在能量/功率上的時空互補特性，通過多能源電力系統的協調規劃、協調優化調度與控制體系建立多能源互補體系。
通過分析包括風光互補、風水互補、風火互補、微電網多能互補等方式的不同運行特性，開展含分布式風電的多能互補開發利用形式及優化規劃技術研究，在此基礎上充分考慮我國資源中心和負荷中心逆向分布以及我國能源結構的特點，通過多能互補發電系統的體系結構配置技術，以及考慮多種電源、多時間尺度的互補發電系統的能量管理控制技術，充分挖掘系統調峰能力，實現互補發電設備的動態優化組合，降低系統運行成本，提高整個能源系統的運行效率。
（四）分布式接入與控制技術
有序接入、協調控制和能量優化管理是未來風電分布式利用的關鍵問題，通過分布式發電運行集中監視與運行控制技術、基于區域分布式發電的虛擬電廠的能量管理技術，以及多微電網的集群協調控制技術等方面研究，實現未來分布式供電與微電網向即插即用、高效運行、靈活互動方向發展。
研究分布式發電運行集中監視與控制技術，建立相應的集中監控平臺和運行管理系統，采取多種形式在分布式發電與監控中心之間建立穩定的通信聯系。在對分布式發電進行遠程監控的基礎上，通過多元分布式發電接入的雙向自適應保護及控制技術、基于多分布式發電/儲能及微電網的供電網絡快速重構技術、多能聯供交直流混合的協調控制與智能化調度技術、分布式發電與微能網群控群調技術和多元化用戶互動技術等，破解多元分布式發電安全接入與微電網控制難題，實現分布式能源靈活高效利用，有力支撐我國分布式能源發展。
（五）基于大數據的風電輔助支撐技術
未來，隨著“云計算”“互聯網”“物聯網”的快速發展，大數據引起了越來越多的人關注，風電行業應順應未來科技發展趨勢，充分利用在風電場的設計、運行、調度等各個方面增長迅速的風電大數據，建立包含氣象影響要素、風電機組類型、風電場運行、調度運行等信息的完備風電數據結構。
通過建立風電并網消納大數據技術支撐平臺、風能資源評估與風電功率預測大數據分析平臺、風電運行對環境生態影響的大數據分析平臺，以及風電大數據運維管理平臺等，在全社會共享風電開發與運行信息資源，做到風電場海量數據在線稽查、風電實時消納全景展示、棄風精細化統計等，從而優化風電運行，推進能源市場化改革，促進風電的高比例、安全、可靠、高效運行。
四、相關建議
為促進風電的高效利用，除在技術上進行不斷創新突破之外，還需要注重風電和其他能源的協調規劃、風電等新能源激勵政策、消納市場機制和技術標準體系等的不斷完善。提出如下四點建議。
（一）大力推進風電與大能源電力系統共贏發展
在發電側做到一體化協同發展，在發展集中式風電基地同時，重視分布式風電的發展；在發電裝機總量增加同時，加快電源結構調整和儲能技術的發展；用能產業布局要與能源資源稟賦特點結合。為有效支撐上述工作，需要高度重視能源電力行業統一規劃，強化區域能源規劃，統籌常規能源電源與風電等新能源電源的統一、協同規劃布局，實現電源與電網的協調發展。
（二）建立均衡發展的風電等新能源激勵政策體系
建立涵蓋包括發電、并網、用電在內的完整的激勵政策體系。在電源側，加強調峰能力建設，加快完善火電機組靈活性改造和參與調峰的補償政策。在電網側，在突破大規模風電場集群控制能力的基礎上，加快跨省跨區通道建設，擴大新能源配置范圍，統籌發揮大電網配置及平衡能力。在用戶側，推進電能替代，兼顧分布式發展，用市場辦法引導用戶參與調峰調頻、主動響應新能源出力變化，健全鼓勵用戶購買新能源的電價政策。
（三）加快建立完善風電等新能源消納的市場機制
強化風電等新能源優先消納。省內優先調度新能源，打破省內火電發電計劃；打破省間壁壘，區域內實行跨省輔助服務。加快構建全國統一電力市場。構建以中長期交易為主、臨時交易為補充的交易體系。啟動跨區跨省現貨市場。放開電力用戶跨省跨區購買新能源的選擇權。盡快完善市場規則、新能源交易機制。建立新能源接受省與輸出省利益補償機制。鼓勵用戶積極參與電力需求側響應和市場交易。研究完善上網側峰谷分時電價機制。將新能源上網電價與政府補貼分離，上網電價部分通過市場方式定價，補貼部分通過政府定價。
（四）完善風電行業管理和技術標準規范體系
建立統一的風電發展管理體系，重點整合各方面的國家資源，開展國家風電發展戰略、規劃和扶持政策的設計，建立部門間綜合協調機制，統籌電網、發電、氣象、技術研發、規范標準、裝備制造等各個部門，協調資金和技術力量等資源的分配，負責重要工程的組織與實施，為風電發展創造良好的發展環境。其次，政府應在每五年發展規劃中，結合風電技術的發展變化，開展一定規模的先進技術示范項目，展示技術、資源、電網與市場的有效融合。
完善中國的風電標準、檢測和認證體系。首先，不斷完善風電機組、風電場標準、檢測和認證體系。其次，修訂中國現用的國際電工委員會（IEC）等標準，使之符合中國風電資源和環境條件。同時，隨著風電利用形式和策略的多樣化，相應標準需要及時更新。此外，制定與之對應的標準、設計和認證指南作為標準實施的補充，為風電設備研發及認證工作提供具體的實施辦法。最后，建立與國際接軌的檢測和認證體系，完成必要的基礎設施建設，逐步推行對整機及關鍵零部件的強制性檢測和認證。
五、結語
本文闡述了目前我國風電利用方面的現狀及存在的問題，并提出了未來風電高效利用的關鍵技術：大規模風電并網集群控制與優化調度技術、大規模海上風電并網技術、風電綜合利用技術、能源互聯網下多能互補技術、即插即用靈活控制的分布式接入技術等。最后從風電與大能源電力系統發展、市場機制建立、行業管理和技術標準制定等方面提出了促進風電高效利用的相關建議。
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