“碳中和”背景下的风电发展

任建明

（广东电网有限责任公司阳江供电局，广东 阳江529500）

2020年9月，中国提出“2030年碳达峰，2060年碳中和”的目标，通过新能源发电、植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的CO2或温室气体排放量，达到相对“零排放”。做好“碳达峰、碳中和”工作已经成为“十四五”的重点任务之一。然而多年来我国发电结构一直以火电、煤电为主，对化石能源产生了长期的依赖，而对化石能源的大力开发，给多地带来了严重的环境污染问题。

我国总体上能源资源丰富且具有多样性。其中，风能以其资源丰富、分布广泛、发电清洁等优势，得到国家政策的大力支持，因而我国的风电技术取得了长足进步，风机装机容量显著提高，为我国绿色电力事业的发展奠定基础。此外，“碳达峰、碳中和”目标的设立将进一步刺激我国能源结构的深度调整和转型，促进风能等新能源的开发利用。

然而，由于风力资源天然具有波动性和随机性，直接导致风机出力具有不确定性，因此风机直接并网难以避免地会对电网产生包括频率波动，电压波动等不良影响，危及电网安全稳定运行。在风电发展的历史进程中，风机并网、含高比例可再生能源电网运行等巨大挑战将是我们面临的巨大挑战。因此，本文旨从发展现状、风电技术以及未来面临的挑战3个角度，详细梳理了风电发展的蓝图，为风电发展提供了理论指导和发展方向。

1 发展现状

我国位于西伯利亚以南，太平洋以西，路上风力资源和海上风能资源均相当丰富。我国主要风能资源分布如表1所示。

表1 我国风能资源分布

全国平均风能密度达100 W/m2，风能资源总储量约3.2×106MW，我国风能主要分布在三北地区（东北、华北、西北）和沿海及其岛屿地区，这些地区每年风速在3 m/s以上的时间近4000 h左右，一些地区年平均风速可达6～7 m/s以上，具有很大的开发利用价值[1]。

近年来，我国风电发展势头强劲。据中国电力企业联合会统计，2020年上半年风电并网运行情况如图1所示。2020年上半年我国累计风电并网容量为21675万kW，其中陆上风电累计装机2.1亿kW、海上风电累计装机699万kW；全国风电发电量2379亿kWh，同比增长10.9%；全国风电平均利用小时数1123 h，其中利用小时数较高的地区是云南、四川和广西[2]，如图2、图3、图4所示。

图1 我国2020年上半年风电并网运行统计数据

图2 我国2021年1—2月发电装机容量统计数据

图3 我国2021年1—2月新增发电装机容量统计数据

图4 我国2021年1—2月平均利用小时数统计数据

2 风力发电技术

风电的发展，首要任务是从技术上解决风电发展难题。风力发电技术包括研究风机技术、风电功率预测技术、风电并网技术和储能技术等，如图5所示。

图5 风力发电技术

2.1 风机技术

随着风电的发展以及考虑实际电网安全经济运行，风机单机容量需求越来越大，同时要满足风机能够安全并网，具有较强的鲁棒性和可靠性。因此，如何研制高可靠性的大容量风电机组是业界需要考虑的问题。其中，双馈异步风力发电机和永磁直驱同步风力发电机是当前主流的发电机，同时也是当前的研究热点。表1从结构和性能上对两种主流风力发电机进行对比。

由表1可以发现，双馈异步风力发电机在性能方面总体上不如永磁直驱同步风力发电机，但由于其发展较早，技术相对成熟，同时双馈异步风力发电机具有尺寸小、造价低等特点，因而仍然在电网中使用较为频繁。此外，随着电力电子元器件的容量越来越大，双馈发电机组的励磁系统调节能力越来越强，双馈机的单机容量将进一步提高[4]。

表1 主流风力发电机结构、性能比较

永磁直驱同步风力发电机虽然造价贵，但其具有更高的发电效率和更强的电网兼容性，理论上说，对电网以及用户更加友好。从发展的眼光来看，随着永磁材料的发展和电机小型化发展，在未来，永磁直驱同步风力发电机将更加具有竞争优势，获得更广泛的应用。

2.2 风电功率预测技术

由于风力的波动性会导致电网的不安全运行，因此业界希望能够实时跟踪风电出力，即实现风电功率的准确、可靠、快速预测。发展风电功率预测技术，加强风电功率预测可信度，可实现对风电出力的实时态势感知，从而提高风电的消纳能力。

风电功率预测按照时间分类，通常可分为超短期预测、短期预测以及中长期预测。不同时间尺度的风电功率预测比较如表2所示。

表2 不同时间尺度的风电功率预测比较

由于电力系统本身是一个复杂，自产大量数据的人工系统，因此在可以预见的未来，人工智能与大数据技术将更多地应用到风电功率预测中，进一步有力地推动风电的发展。

2.3 风电并网技术

风电场并网通常分为交流并网和直流并网两种途径。目前关于风电并网可行技术及研究热点包括：交流并网技术、传统直流并网技术和柔性直流并网技术，其中传统的交流并网方式相对更加成熟，目前仍然占据主要地位。未来，电力电子技术的发展将推动直流并网技术的应用。

2.4 储能技术

随着风电等波动性电源并网比例不断提升，传统的“源-网-荷”运行方式已经无法满足电力系统“发输配用”同时性的要求，“源-网-荷-储”的电力系统结构己被广泛认可。储能以其能量的时空迁移特性和电能流动的双向性，被公认是解决风电等可再生能源不稳定性和提高其消纳的有效途径。

关于储能研究大体可以分为两类。

研究高效的储能方式。现有的储能方式包括压缩空气、抽水、飞轮等方式的机械储能，以及各类电池储能的化学储能和超导和超级电容的电磁储能等类型。不同储能方式的不同的特点，可以适应不同的应用场合。研究高效的储能方式能够提高储能效率，降低成本。

研究储能系统优化配置。储能系统优化配置包括空间分布的优化以及储能容量的优化。已有的文献从蓄电池储能容量优化模型[13]、蓄电池容量确定方法[14]、混合储能控制策略[15]、储能系统容量配置[16]等方面进行研究。通过优化储能配置，能在保证达到风电消纳目标的前提下，提高经济效益。

3 风电发展的挑战

3.1 新能源发展战略——完善并落实

我国在国家层面已提出“碳中和”的绿色发展目标，电力行业也大力推动高比例可再生能源电网的理论和应用研究，为风电的发展铺路。需要继续有条不紊地制定和完善新能源发展政策，为科研工作者营造良好的研究环境，给风电企业良好的营商环境。

在风电接入电网的过程，切勿急功近利，不能为了达到某个比例目标而盲目新增装机或上网，避免大规模弃风弃光。

3.2 风力发电技术——从引进到引领

长久以来，我国的风力发电技术在技术创新方面还比较薄弱，在风电场风机设备的建造在很大程度上仍需要引进国外的技术，导致我国的风电发展受制于人。因此，要发展好风电，必须发展好风电技术，打破国外技术垄断，实现从引进到引领。

3.3 电力市场——以消费促发展

国际电力市场风电交易规则包括竞价机制、惩罚机制、绿色交易凭证[18]。我国的电力市场仍然是以计划手段为主，风电场的发输配电计划均由政府制定，较难反映电价与市场供求的关系，导致风电企业不易对市场的供求信息进行准确判断。另一方面，在现行的电力市场机制下，风电市场并未完全发展好，而国内的风电设备市场趋于饱和，形成供需不平衡状态，阻碍了风电产业的发展。

因此，在电力市场方面，国家可以通过优惠的政策支持，完善电价奖惩机制，建立一个公平、合理、有序的风电市场，从而以消费推动风电的平稳发展。

4 结束语

在国家可持续发展战略的支持下，经过多年来风电技术专家和电网工作人员的共同努力下，我国风电发展已经取得了举世瞩目的成绩。在“2060年实现碳中和”的目标下，风电发展的事业仍然任重而道远。所以要不断完善行业的技术标准，提升风电企业技术和管理水平，加强与国际领先企业或者研究院的交流与合作；不断调整发展风电技术，主要集中在储能技术和风电的并网消纳技术方面，减少弃风现象；健全和完善电力市场，使风电在一个机制灵活、有效率的电力市场中运行，从而使电价充分反映市场的供求关系，通过市场竞争形成更加合理的风电资源配置，推动风电事业健康稳定发展。