讓風電并網不再難

　　中國已成全球風電發展主角

　　風電是全球最具規模化開發前景的可再生能源。

　　中國政府高度重視風電發展，把加快發展風電作為優化能源結構、推動能源生產方式變革的重大戰略舉措，“十一五”以來實施了《可再生能源法》，制定了鼓勵風電發展的區域電價、費用分攤、優先并網等一系列支持政策和配套措施，推動了風電高速度、大規模、高水平發展。

　　2006 年以來，全國新增風電裝機5000萬千瓦左右，實現了風電從200萬千瓦到5000萬千瓦的巨大跨越，用5年半時間走過了美國、歐洲15年的風電發展歷程。2012年6月，全國并網風電達到5258萬千瓦，超過美國躍居世界第一。國家電網調度范圍達到5026萬千瓦，成為全球風電規模最大、發展最快的電網。

　　截至2013年底，全國并網風電裝機7548萬千瓦，其中國家電網調度范圍7037萬千瓦，占93%;2006年—2013年裝機年均增長67.7%。2013年，全國風電發電量超過1401億千瓦時，其中國家電網調度范圍風電發電量1290億千瓦時;2006年—2013年發電量年均增長77.1%。預計2020年全國風電并網容量將達到2億千瓦。

　　依靠大電網，蒙東、蒙西、甘肅和吉林風電日發電量占用電量的比例最高分別達到94%、31%、33%和32%，風電出力占用電負荷比例最大分別達到111%、36%、36%和34%，與丹麥、西班牙相當。

　　十年前，中國風電產業還處于艱難的起步階段，而今天，在全球風電發展格局中，中國已成主角。曾幾何時，諾大一個中國僅有幾個風電示范項目，而今天，平均每小時就有兩臺風機在神州大地矗立;曾幾何時，中國最大的風電場裝機不足1萬千瓦，而今天，已建成新疆哈密、甘肅酒泉、蒙西、蒙東、河北、吉林等八個千萬千瓦級風電基地。

　　并網消納與安全運行已成主要瓶頸

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

　　“三北”地區電源結構以火電為主，水電等快速靈活調節電源較少，僅占0.5%—1.2%，冬季供熱期系統調峰尤為困難不利于風電消納。相比而言，西班牙靈活調節電源比例高達34%，是風電的1.7倍;美國高達49%，是風電的14倍。靈活電源比例較高是西班牙等國家風電利用水平高的主要原因。

　　另一方面，與風電呈爆發式增長相對的是，風電機組類型多，風能資源歷史數據少，且開發主要集中在電網結構薄弱、以欠靈活調節的煤電為主的“三北”地區，局部地區風電出力受限和風電機組大面積脫網事故時有發生，并網消納與安全運行已成為中國風電發展的主要瓶頸，突破風電并網關鍵技術是培育和發展風電產業的重大需求。

　　實現風電可監測、可調度、可控制

　　針對風電并網穩定運行和有效消納面臨的巨大挑戰，國網公司投入研發人員百余人，投入研究經費近4億元。通過自主創新和協同攻關，采用“基礎研究、系統開發、試驗驗證、應用推廣”的技術路線，在風電功率預測、優化調度、試驗檢測、并網仿真方面取得了技術突破，形成擁有自主知識產權的核心技術。

　　研發并投運風電功率預測系統，實現了風電可監測、可調度、可控制。

　　風電功率預測是風電納入調度運行的基礎條件。中國風電發展迅速，歷史數據少，風電場地形復雜，氣候類型多樣;國外已有統計預測方法需大量歷史運行數據，基于微觀氣象學的物理方法僅適用于單一氣候類型的平坦地形風電場，均無法全面滿足國內風電預測的要求。

　　通過深入研究風電功率預測理論與方法，提出了基于計算流體力學的物理預測方法，實現了對大氣運動過程的動態精細化模擬，解決了歷史數據少、地形復雜的風電場功率預測難題。提出了物理與統計相結合的預測方法，提高了預測方法的氣候適應性、預測精度和算法的普適性。根據這兩種預測方法，建立了多種預測模型，并給出了模型的選擇方法和原則，開發了國內首套具有完全自主知識產權的風電功率預測系統。

　　目前風電功率預測系統已應用于吉林、江蘇、甘肅和新疆等16個省(區)，預測容量超過5000萬千瓦，在預測精度上達到或超過國際先進水平，且具有更強的普適性。通過預測將隨機性的風電功率變為可信出力，替代常規電源參與系統電力平衡，可提高電力系統風電接納能力5%以上。

　　優化調度計劃系統，確保風電最大化消納

　　大規模風電的消納是世界性難題，世界各國一直都在進行艱苦努力和探索，不斷開展核心技術攻關。中國風電消納問題尤為突出：一方面，風資源集中、規模大，遠離負荷中心，就地消納能力有限;而國外風電資源相對分散，80%以上風電接入10千伏以下配電系統，能夠就地消納。另一方面，中國風電集中的“三北”地區電源結構單一，抽水蓄能、燃氣電站等靈活調節電源比重不足2%，特別是冬季供熱機組比重大，基本沒有調峰能力;而歐美等國快速跟蹤負荷的燃氣電站及抽水蓄能比重大。風電的波動性和間歇性，需要電力系統有足夠的運行靈活性。

　　本項目提出了時序遞進的風電運行不確定區間調度方法，基于周風電功率預測，將風電納入開機安排，滾動優化火電機組開機，為風電消納留出最大空間。在滿足電力系統安全穩定運行約束下，實現了波動性風電在運行區間內最大化消納和系統運行安全。根據該方法，研發了風電優化調度計劃系統，解決了目前風電出力不能科學納入電網調度計劃、火電運行經濟性差、風電利用率低的問題。

　　風電優化調度計劃系統已應用于吉林、新疆、西北等多個電網，提高了風電受限地區的風電利用率10%以上，是風電富集省(區)消納風電至關重要的調度技術支持系統。

　　建立一體化風電并網仿真平臺

　　風電并網仿真是通過建立風電仿真模型和模擬風電運行過程，分析風電與電網的相互影響，是風電發展中需要首先突破的基礎問題。

　　中國風電機組型號多且特性差異大，建立普適性的通用模型十分困難;大規模時空不確定性風電集中接入末端電網，原有仿真手段無法滿足風電并網研究的需要。

　　本項目提出了風電機組通用化建模方法，建立通用化模型結構和子模塊模型庫，通過關鍵參數實測與辨識，實現各種型號風電機組特性準確模擬。建立了包含風電機組通用化模型和時序生產模擬方法的一體化風電并網仿真平臺，實現了時空不確定性風電與電網之間相互影響的全過程分析，滿足我國大規模風電并網仿真需要。

　　借助該仿真平臺，完成了13個省(區)風電接納能力和251個風電場并網專題研究，為我國大規模風電并網的安全穩定運行提供了強有力的技術支撐。

　　風電試驗檢測技術研究，助推風電產業升級

　　風能資源的復雜特性決定了風電機組運行狀態無法在實驗室準確模擬，風電機組試驗檢測必須基于實際運行工況。

　　中國風電機組制造商和型號眾多，制造商普遍不具備試驗檢測能力和手段，無法開展提升風電機組并網特性的研發工作，研發試驗和檢測需求爆發式呈現，亟需建立功能完善、靈活高效的整機試驗平臺。

　　本項目研究設計了集風電機組通用基礎、切換靈活的集電系統和高兼容性的高速海量數據采集處理系統于一體的張北風電試驗基地，該基地在國際上首次采用了風電機組通用基礎與轉接法蘭相配合的技術，解決了國外已有風電試驗基地更換風電機組必須拆除基礎的難題，使不同型號風電機組可在同一基礎上快速、靈活的安裝和更換。基地還采用了切換靈活的集電系統設計方案，實現了風電機組試驗狀態自動切換和核心試驗設備共享，極大提高了試驗檢測效率。

　　研發并應用于張北風電試驗基地的固定式35千伏/6兆伏安電網運行模擬裝置代表了國際先進水平。該裝置采用閥控技術，可以遠程控制電抗器的切換，可設置特定的電壓跌落及恢復過程，克服了國外試驗設備自動化程度低、測試周期長、測試曲線單一的缺陷，實現了各種電壓故障曲線的高效真實模擬，滿足了額定容量不大于6兆瓦風電機組的低電壓穿越高效測試的需求。

　　為滿足各地區風電機組現場試驗檢測需要，項目設計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柜相結合的移動低電壓穿越測試裝置，體積減小為國外同類裝置的1/3，解決了各種復雜地形和交通條件下風電機組的現場試驗與檢測難題。

　　建成了中國風電機組并網試驗檢測裝置和試驗體系，建立了國家能源大型并網系統研發(實驗)中心張北風電試驗基地，該基地是目前國內唯一的風電公共試驗研發平臺，至2012年底，風電機組快速增長與檢測能力不足的矛盾基本緩解;為國內150余個型號的風電機組提供了技術研發與試驗檢測服務，覆蓋國內所有的量產機型，指導了產品研發和改進。

　　總體風電利用率提高10%以上

　　中國風電發展迅猛，但風電并網技術要求缺失及技術標準體系不完善，眾多技術和運行管理問題不斷顯現，給電力系統安全運行帶來巨大挑戰。

　　本項目研發的風電功率預測系統和優化調度計劃系統的廣泛應用，使國內風電受限地區總體風電利用率提高了10%以上，相當于每年多接納風電電量50多億千瓦時，間接經濟效益超過25億元;應用風電并網仿真平臺廣泛開展的電力系統風電接納能力評估和風電場接入電網分析，解決了大規模風電并網面臨的技術挑戰;建成的技術水平世界一流、規模最大的風電試驗基地，為風電研發提供了高效的公共試驗研發平臺，促進了中國風電設備制造水平的提升，推動了國內風電機組成功打入國際市場，累計出口銷售額超過50億元;建立的以國家標準《風電場接入電力系統技術規定》為核心的標準體系，填補了中國風電在多個方面技術標準的空白，項目支撐和推動了中國向國際電工委員會(IEC)提交了成立“大容量新能源發電并網與運行”技術委員會的提議，提升了中國在國際風電技術領域的話語權和影響力。

　　當前，中國大規模風電并網和運行技術已取得了重大突破，特高壓輸電技術也已成熟，大規模開發風電的條件已經具備。