中國(guó)已成全球風(fēng)電發(fā)展主角

風(fēng)電是全球最具規(guī)模化開發(fā)前景的可再生能源。

中國(guó)政府高度重視風(fēng)電發(fā)展，把加快發(fā)展風(fēng)電作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)能源生產(chǎn)方式變革的重大戰(zhàn)略舉措，“十一五”以來實(shí)施了《可再生能源法》，制定了鼓勵(lì)風(fēng)電發(fā)展的區(qū)域電價(jià)、費(fèi)用分?jǐn)偂?yōu)先并網(wǎng)等一系列支持政策和配套措施，推動(dòng)了風(fēng)電高速度、大規(guī)模、高水平發(fā)展。

2006年以來，全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)5000萬千瓦左右，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電從200萬千瓦到5000萬千瓦的巨大跨越，用5年半時(shí)間走過了美國(guó)、歐洲15年的風(fēng)電發(fā)展歷程。2012年6月，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電達(dá)到5258萬千瓦，超過美國(guó)躍居世界第一。國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度范圍達(dá)到5026萬千瓦成為全球風(fēng)電規(guī)模最大、發(fā)展最快的電網(wǎng)。

截至2013年底，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)7548萬千瓦，其中國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度范圍7037萬千瓦，占93%;2006年—2013年裝機(jī)年均增長(zhǎng)67.7%。2013年，全國(guó)風(fēng)電發(fā)電量超過1401億千瓦時(shí)，其中國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度范圍風(fēng)電發(fā)電量1290億千瓦時(shí);2006年—2013年發(fā)電量年均增長(zhǎng)77.1%。預(yù)計(jì)2020年全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)容量將達(dá)到2億千瓦。

依靠大電網(wǎng)，蒙東、蒙西、甘肅和吉林風(fēng)電日發(fā)電量占用電量的比例最高分別達(dá)到94%、31%、33%和32%，風(fēng)電出力占用電負(fù)荷比例最大分別達(dá)到111%、36%、36%和34%，與丹麥、西班牙相當(dāng)。

十年前，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)還處于艱難的起步階段，而今天，在全球風(fēng)電發(fā)展格局中，中國(guó)已成主角。曾幾何時(shí)，諾大一個(gè)中國(guó)僅有幾個(gè)風(fēng)電示范項(xiàng)目，而今天，平均每小時(shí)就有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在神州大地矗立;曾幾何時(shí)，中國(guó)最大的風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)不足1萬千瓦，而今天，已建成新疆哈密、甘肅酒泉、蒙西、蒙東、河北、吉林等八個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地。

并網(wǎng)消納與安全運(yùn)行已成主要瓶頸

但是中國(guó)地域廣闊，能源資源分布及其不平衡，全國(guó)80%以上的煤炭、石油、天然氣、水電、風(fēng)電、太陽能資源分布在西北部地區(qū)，其中陸上風(fēng)能資源主要集中在“三北”和青藏高原地區(qū)，而人口稠密的東南部地區(qū)風(fēng)能資源稀缺。“三北”地區(qū)風(fēng)能資源占全國(guó)90%以上，用電負(fù)荷集中在華東、華中、華南和華北等東南部地區(qū)，占全國(guó)用電量80%以上。風(fēng)電規(guī)劃建設(shè)與用電市場(chǎng)需求逆向分布的趨勢(shì)非常明顯。

“三北”地區(qū)電源結(jié)構(gòu)以火電為主，水電等快速靈活調(diào)節(jié)電源較少，僅占0.5%—1.2%，冬季供熱期系統(tǒng)調(diào)峰尤為困難不利于風(fēng)電消納。相比而言，西班牙靈活調(diào)節(jié)電源比例高達(dá)34%，是風(fēng)電的1.7倍;美國(guó)高達(dá)49%，是風(fēng)電的14倍。靈活電源比例較高是西班牙等國(guó)家風(fēng)電利用水平高的主要原因。

另一方面，與風(fēng)電呈爆發(fā)式增長(zhǎng)相對(duì)的是，風(fēng)電機(jī)組類型多，風(fēng)能資源歷史數(shù)據(jù)少，且開發(fā)主要集中在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、以欠靈活調(diào)節(jié)的煤電為主的“三北”地區(qū)，局部地區(qū)風(fēng)電出力受限和風(fēng)電機(jī)組大面積脫網(wǎng)事故時(shí)有發(fā)生，并網(wǎng)消納與安全運(yùn)行已成為中國(guó)風(fēng)電發(fā)展的主要瓶頸，突破風(fēng)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)是培育和發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重大需求。

實(shí)現(xiàn)風(fēng)電可監(jiān)測(cè)、可調(diào)度、可控制

針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和有效消納面臨的巨大挑戰(zhàn)，國(guó)網(wǎng)公司投入研發(fā)人員百余人，投入研究經(jīng)費(fèi)近4億元。通過自主創(chuàng)新和協(xié)同攻關(guān)，采用“基礎(chǔ)研究、系統(tǒng)開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、應(yīng)用推廣”的技術(shù)路線，在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度、試驗(yàn)檢測(cè)、并網(wǎng)仿真方面取得了技術(shù)突破，形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。

研發(fā)并投運(yùn)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電可監(jiān)測(cè)、可調(diào)度、可控制。

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是風(fēng)電納入調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。中國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅速，歷史數(shù)據(jù)少，風(fēng)電場(chǎng)地形復(fù)雜，氣候類型多樣;國(guó)外已有統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法需大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于微觀氣象學(xué)的物理方法僅適用于單一氣候類型的平坦地形風(fēng)電場(chǎng)，均無法全面滿足國(guó)內(nèi)風(fēng)電預(yù)測(cè)的要求。

通過深入研究風(fēng)電功率預(yù)測(cè)理論與方法，提出了基于計(jì)算流體力學(xué)的物理預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)精細(xì)化模擬，解決了歷史數(shù)據(jù)少、地形復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)難題。提出了物理與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法，提高了預(yù)測(cè)方法的氣候適應(yīng)性、預(yù)測(cè)精度和算法的普適性。根據(jù)這兩種預(yù)測(cè)方法，建立了多種預(yù)測(cè)模型，并給出了模型的選擇方法和原則，開發(fā)了國(guó)內(nèi)首套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

目前風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于吉林、江蘇、甘肅和新疆等16個(gè)省(區(qū))，預(yù)測(cè)容量超過5000萬千瓦，在預(yù)測(cè)精度上達(dá)到或超過國(guó)際先進(jìn)水平，且具有更強(qiáng)的普適性。通過預(yù)測(cè)將隨機(jī)性的風(fēng)電功率變?yōu)榭尚懦隽Γ娲Ｒ?guī)電源參與系統(tǒng)電力平衡，可提高電力系統(tǒng)風(fēng)電接納能力5%以上。

優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)，確保風(fēng)電最大化消納

大規(guī)模風(fēng)電的消納是世界性難題，世界各國(guó)一直都在進(jìn)行艱苦努力和探索，不斷開展核心技術(shù)攻關(guān)。中國(guó)風(fēng)電消納問題尤為突出：一方面，風(fēng)資源集中、規(guī)模大，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，就地消納能力有限;而國(guó)外風(fēng)電資源相對(duì)分散，80%以上風(fēng)電接入10千伏以下配電系統(tǒng)，能夠就地消納。另一方面，中國(guó)風(fēng)電集中的“三北”地區(qū)電源結(jié)構(gòu)單一，抽水蓄能、燃?xì)怆娬镜褥`活調(diào)節(jié)電源比重不足2%，特別是冬季供熱機(jī)組比重大，基本沒有調(diào)峰能力;而歐美等國(guó)快速跟蹤負(fù)荷的燃?xì)怆娬炯俺樗钅鼙戎卮蟆ｏL(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性，需要電力系統(tǒng)有足夠的運(yùn)行靈活性。

本項(xiàng)目提出了時(shí)序遞進(jìn)的風(fēng)電運(yùn)行不確定區(qū)間調(diào)度方法，基于周風(fēng)電功率預(yù)測(cè)，將風(fēng)電納入開機(jī)安排，滾動(dòng)優(yōu)化火電機(jī)組開機(jī)，為風(fēng)電消納留出最大空間。在滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行約束下，實(shí)現(xiàn)了波動(dòng)性風(fēng)電在運(yùn)行區(qū)間內(nèi)最大化消納和系統(tǒng)運(yùn)行安全。根據(jù)該方法，研發(fā)了風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)，解決了目前風(fēng)電出力不能科學(xué)納入電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃、火電運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差、風(fēng)電利用率低的問題。

風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)已應(yīng)用于吉林、新疆、西北等多個(gè)電網(wǎng)，提高了風(fēng)電受限地區(qū)的風(fēng)電利用率10%以上，是風(fēng)電富集省(區(qū))消納風(fēng)電至關(guān)重要的調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。

建立一體化風(fēng)電并網(wǎng)仿真平臺(tái)

風(fēng)電并網(wǎng)仿真是通過建立風(fēng)電仿真模型和模擬風(fēng)電運(yùn)行過程，分析風(fēng)電與電網(wǎng)的相互影響，是風(fēng)電發(fā)展中需要首先突破的基礎(chǔ)問題。

中國(guó)風(fēng)電機(jī)組型號(hào)多且特性差異大，建立普適性的通用模型十分困難;大規(guī)模時(shí)空不確定性風(fēng)電集中接入末端電網(wǎng)，原有仿真手段無法滿足風(fēng)電并網(wǎng)研究的需要。

本項(xiàng)目提出了風(fēng)電機(jī)組通用化建模方法，建立通用化模型結(jié)構(gòu)和子模塊模型庫，通過關(guān)鍵參數(shù)實(shí)測(cè)與辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)各種型號(hào)風(fēng)電機(jī)組特性準(zhǔn)確模擬。建立了包含風(fēng)電機(jī)組通用化模型和時(shí)序生產(chǎn)模擬方法的一體化風(fēng)電并網(wǎng)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空不確定性風(fēng)電與電網(wǎng)之間相互影響的全過程分析，滿足我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)仿真需要。

借助該仿真平臺(tái)，完成了13個(gè)省(區(qū))風(fēng)電接納能力和251個(gè)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)專題研究，為我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

風(fēng)電試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究，助推風(fēng)電產(chǎn)業(yè)升級(jí)

風(fēng)能資源的復(fù)雜特性決定了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)無法在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確模擬，風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)檢測(cè)必須基于實(shí)際運(yùn)行工況。

中國(guó)風(fēng)電機(jī)組制造商和型號(hào)眾多，制造商普遍不具備試驗(yàn)檢測(cè)能力和手段，無法開展提升風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的研發(fā)工作，研發(fā)試驗(yàn)和檢測(cè)需求爆發(fā)式呈現(xiàn)，亟需建立功能完善、靈活高效的整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。

本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)了集風(fēng)電機(jī)組通用基礎(chǔ)、切換靈活的集電系統(tǒng)和高兼容性的高速海量數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)于一體的張北風(fēng)電試驗(yàn)基地，該基地在國(guó)際上首次采用了風(fēng)電機(jī)組通用基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)接法蘭相配合的技術(shù)，解決了國(guó)外已有風(fēng)電試驗(yàn)基地更換風(fēng)電機(jī)組必須拆除基礎(chǔ)的難題，使不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組可在同一基礎(chǔ)上快速、靈活的安裝和更換。基地還采用了切換靈活的集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)狀態(tài)自動(dòng)切換和核心試驗(yàn)設(shè)備共享，極大提高了試驗(yàn)檢測(cè)效率。

研發(fā)并應(yīng)用于張北風(fēng)電試驗(yàn)基地的固定式35千伏/6兆伏安電網(wǎng)運(yùn)行模擬裝置代表了國(guó)際先進(jìn)水平。該裝置采用閥控技術(shù)，可以遠(yuǎn)程控制電抗器的切換，可設(shè)置特定的電壓跌落及恢復(fù)過程，克服了國(guó)外試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)化程度低、測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試曲線單一的缺陷，實(shí)現(xiàn)了各種電壓故障曲線的高效真實(shí)模擬，滿足了額定容量不大于6兆瓦風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越高效測(cè)試的需求。

為滿足各地區(qū)風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)需要，項(xiàng)目設(shè)計(jì)并研制了限流和短路電抗一體化、多分接頭空心電抗器和氣體絕緣開關(guān)柜相結(jié)合的移動(dòng)低電壓穿越測(cè)試裝置，體積減小為國(guó)外同類裝置的1/3，解決了各種復(fù)雜地形和交通條件下風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與檢測(cè)難題。

建成了中國(guó)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)試驗(yàn)檢測(cè)裝置和試驗(yàn)體系，建立了國(guó)家能源大型并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心張北風(fēng)電試驗(yàn)基地，該基地是目前國(guó)內(nèi)唯一的風(fēng)電公共試驗(yàn)研發(fā)平臺(tái)，至2012年底，風(fēng)電機(jī)組快速增長(zhǎng)與檢測(cè)能力不足的矛盾基本緩解;為國(guó)內(nèi)150余個(gè)型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組提供了技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)檢測(cè)服務(wù)，覆蓋國(guó)內(nèi)所有的量產(chǎn)機(jī)型，指導(dǎo)了產(chǎn)品研發(fā)和改進(jìn)。

總體風(fēng)電利用率提高10%以上

中國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅猛，但風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)要求缺失及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，眾多技術(shù)和運(yùn)行管理問題不斷顯現(xiàn)，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。

本項(xiàng)目研發(fā)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使國(guó)內(nèi)風(fēng)電受限地區(qū)總體風(fēng)電利用率提高了10%以上，相當(dāng)于每年多接納風(fēng)電電量50多億千瓦時(shí)，間接經(jīng)濟(jì)效益超過25億元;應(yīng)用風(fēng)電并網(wǎng)仿真平臺(tái)廣泛開展的電力系統(tǒng)風(fēng)電接納能力評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)分析，解決了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn);建成的技術(shù)水平世界一流、規(guī)模最大的風(fēng)電試驗(yàn)基地，為風(fēng)電研發(fā)提供了高效的公共試驗(yàn)研發(fā)平臺(tái)，促進(jìn)了中國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造水平的提升，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組成功打入國(guó)際市場(chǎng)，累計(jì)出口銷售額超過50億元;建立的以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》為核心的標(biāo)準(zhǔn)體系，填補(bǔ)了中國(guó)風(fēng)電在多個(gè)方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空白，項(xiàng)目支撐和推動(dòng)了中國(guó)向國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)提交了成立“大容量新能源發(fā)電并網(wǎng)與運(yùn)行”技術(shù)委員會(huì)的提議，提升了中國(guó)在國(guó)際風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的話語權(quán)和影響力。

當(dāng)前，中國(guó)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)和運(yùn)行技術(shù)已取得了重大突破，特高壓輸電技術(shù)也已成熟，大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的條件已經(jīng)具備。