风电发展影响因素及节能减排效益分析.doc

风电发展影响因素及节能减排效益分析摘要:从风电功率预测、低电压穿越能力以及我国的电价政策3方面分析了影响风电发展的因素，指出现阶段由于风电功率预测难、风电机组低电压穿越能力不足限制了风电的发展，而我国现阶段实行的风电标杆上网电价极大地促进了我国风电的发展。还研究了风电的经济效益和环境效益，结果表明:从长远来发展来说，风电场的经济效益与环境效益都将优于传统火力发电，随着风力发电技术的成熟与发电规模的日益壮大，风电对火电置换的节能减排效益将日益显著。关键词:风电;影响因素;经济效益;环境效益 我国自然资源总量丰富，排世界第7位，能源资源量约为4万亿占世界总人口的22%，已探明煤炭储量仅占世界储量的11%，人均常规能源资源占有量为135 t标准煤，仅为世界平均水平264 t标准煤的1/2。人均能源资源占有量相对不足，成为制约我国社会经济可持续发展的一个因素。节能减排被提上政治日程，“十二五”节能减排综合性工作方案中明确了“十二五”期间万元GDP能耗比2010年下降16%的目标，节能减排工作刻不容缓。 风能作为一种清洁的可再生能源，已经日益引起世界各国的注意，风电已经成为清洁能源中最具竞争力、最具发展潜力的能源2，我国陆地上可开发利用的风能资源约为610亿kW，如果充分利用这些风能资源的话，风能将越发彰显其在节能减排上的贡献。中国风电产业的发展走过了20多年的历程，其技术已相对成熟，自2003年起，风电场建设进入规模化及国产化阶段，装机容量增长迅速，特别是2006年开始，连续四年装机容量翻番，到2010年，中国累计风电装机容量实现了对美国的超越，成为全球风电装机容量最多的国家，累计装机容量达44.73 GW。1 风电发展因素1.1风电功率预测 风力发电能量转换过程为:风能转换成机械能，然后机械能转换成电能。当风速小于切入风速，有功功率为零;当风速大于切入风速，风电机组投入运行，有功功率随着风速增大而增加;当风速达到额定风速，有功功率达到最大值;当风速超过额定风速风电机组通过变桨距保持有功功率恒定为最大值;当风速超过切出风速风电机组将停机。 风电机组发出的有功功率与风速满足关系式(1)式中,P为风电机组的有功出力;CP为风能转换效率;为风轮轮毅高度处的空气密度;A为风轮扫风面积;vin,vN,vout为风电机组的切人、额定和切出风速;PN为风电机组额定功率。 从式(1)可知，风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，因此风电机组发出的有功功率波动比较大。由于风电出力不可控，风电并网对电能质量和电网调度均产生不利影响:风电对电能质量的影响最主要的是电压波动、闪变以及谐波问题;风电的随机性和间歇性导致电力电量平衡和调度安排非常困难，随着风电场容量的增加，这些问题将越来越突出，在风电功率无法预测时，电网必须按比较保守的方案为风电留出足够的备用容量以平衡风功率的波动，如果风电功率考虑过高可能造成全网备用不足，如果考虑过低又可能增加其他常规火电机组深度调峰容量，甚至导致火电机组被迫启停调峰，从而带来火电机组煤耗指标的大幅度上升。 为了保障电力系统安全可靠运行，国家能源局发布风电场功率预测预报管理暂行条例，条例中要求:到2012年1月1日，国内所有已并网运行的风电场必须建立风电功率预测系统，以保证风电场对电网的安全运行，不达要求的将不予并网。风电场功率预测预报管理暂行条例必将促进风电健康有序发展。 国外风电功率预报研究工作起步较早，比较有代表性的方法主要有:丹麦国家实验室的Prediktor预报系统、西班牙的LocalPred预报系统和德国的Previent。预报系统等。其主体思想均是利用数值天预报提供风机轮毅高度的风速、风向等预报信息，然后利用风电功率预报模块提供风电功率预报。目前国内风电功率预报较为流行的方法有中国气象局开展的数值预报与统计预报相结合的方法，中国电力科学院开展的基于神经元网络的预报方法等。1.2风电机组低电压穿越能力 当电网发生故障导致电压降低时，为了保护风电机组，风电机组自动从电网中解列。一方面，将导致电网损失大量负荷;另一方面，由于很多的扰动和故障是瞬时的，当扰动后风电机组又再次投人运行时，随着风电机组单机容量的增大和风电场规模的增大，这个投切的过程对电网的冲击很大。根据国家电监会2011年12月2日发布的风电安全监管报告,2010年，全国共发生80起风电机组脱网事故，其中，一次损失风电出力1050万kW的脱网事故14起，一次损失风电出力50万kW以上的脱网事故1起。 为了保障电网的安全稳定运行，风电机组必须具备低电压穿越能力，风电机组的低电压穿越能力是指风电机组组在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续运行，甚至还可为系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压。德国、丹麦等国家都对风电机组的低电压穿越能力做出了强制性的规定，中国随着风电装机容量的迅速增加也将很快提出这方面的要求。截至2011年8月底，全国已有34个风电场，434万kW的风电机组完成了低电压穿越能力改造，约占全国并网装机容量的11.06%。1.3电价政策 传统能源的真实生产成本包括那些不得不由社会吸收的代价，包括健康影响和当地及地区性甚至全球性的环境恶化。现在的火力发电并未将这些外部成本内部化，加之由于风电场的初始投资占总投资的比例很大，因此风电场投人初期其成本远大于火力发电机组，没有政府补贴风电场根本无法和火力发电厂竞争，这势必会阻碍我国风电的发展。为了促进风电大规模的发展，我国对风力发电实行上网电价政策，法律规定电网公司必须购买风电，且必须支付最低价格，电网公司为收购风力发电电量而支付的合理的接网费用以及其他费用，计人电网公司输电成本，从销售电价中回收。我国风力发电的上网电价政策经历了以下3个阶段:1)第一阶段，20032005年，风电上网电价由中央招标与地方审批，上网电价为0.380.8元/kWh;2)第二阶段，20062008年，风电上网电价有2种形式，其一为中央招标与地方审批，上网电价为0.510.65元/kW h，另外一种为中央招标，上网电价为0.40.55元/kWh;3)第三阶段，2009年至今，将全国分为4类风能资源区，实行风电标杆上网电价，上网电价为0.510.61元/kW h。2003年至2011年中国风电装机容量如图1所示，从图中可以看出，电价政策对中国风电装机容量的变化有很大影响，特别是2009年开始实施风电标杆上网电价开始，中国风电装机容量快速增长，2009年中国超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家，2010年中国累计风电装机容量也实现了对美国的超越，成为全球风电装机容量最多的国家。2风电的节能减排效益2.1经济效益风电产业的经济效益主要取决于风电项目的初始投资、营运成本、等效年利用小时以及上网电价等因素。风电场的发电成本用平准化成本计算，风电机组的年经济利润如式(2)所示，式中，I1为年利润;It为第t年的投资成本;OMt为第t年的运营成本;r为贴现率;n为风电机组寿命;P为上网电价;C2为风电场总容量;T为等效年利用小时数;I2为风电场用电率。 根据我国目前风力发电的实际情况，2011年底容量为1.5 MW的风电机组报价为4 400元每kW，假设风电场的投资成本均产生在第一年，即全部包含在初始投资成本中，风电机组造价占初始投资成本的比例为70%，风电机组寿命期间风电场总运营成本占初始投资成本的比例为10%，贴现率为8%，风电机组寿命为20年，风电场用电率为2%。我国4类风能资源区的等效年利用小时数分别为2 600,2 400,2 200,2 000 h，风电标杆上网电价分别为0.51元、0.54元、0.58元、0.61元每kW h。根据式(2),1.5 MW的风电机组报价按4 400元每kW计算，4类风能资源区容量为4.95万kW的风电场年经济利润分别为29 465 370元、28 010 070元、27 039 870元、24 323 310元。4类风能资源区容量为4.95万kW的风电场在不同风电机组造价、等效年利用小时下年经济利润率如表1所示，从表中可知:1)风电机组造价与风资源区等效年利用小时数对风电场的经济利润率有显著影响，随着风电机组造价的逐步降低，风电场的利润率亦逐步增加;同一风资源区，风电机组等效年利用小时数不同风电场经济利润率亦有显著差异。2)尽管我国对不同的风能资源区实行不同的标杆上网电价，但风能丰富的资源区凭借丰富的风能资源其风电场利润率总体水平仍相对突出，风电场商应该选择风能资源丰富的地区投资。2.2环境效益随着石油、煤炭等矿物燃料资源日趋枯竭，风电作为清洁能源中最具竞争力、最具发展潜力的能源逐步受到重视，风电每千瓦时风电上网可以节省大约340 g标准煤，同时减少0.983 kg CO2,0.698 g SO2,0.658 NOx以及0.355 g固体颗粒物(TSP)的排放。风力发电的减排量为：式(3)中，为并网比例，CT为风电装机总容量、T avg为平均等效年利用小时数，Iavg为风电平均厂用电率，CO2、 SO2 、NOx、NTSP分别为C02 ,SO2,NOx以及烟尘(TSP)的排放率。根据式(3 ) , 20062011年我国风电节能减排效益如表2所示，结合中国资源综合利用协会对中国风电装机发展的预测结果，至2015年，中国风电装机容量将达110 GW，节煤量、C02减排量、S02减排量,NOx减排量以及烟尘(TSP)的减排量将分别为5 366.9万t,15 516.66万t,11.02万t ,10.26万t,5.6万t。风电的节能减排效果如此突出，必将推动风电的快速发展。考虑到传统燃煤机组的环境成本，各类机组的单位供电成本为0.165 70.311 1元/kWh，不考虑环境成本时，燃煤机组的单位供电成本为0.160 30.310 2元/kW h。由于风电场初始投资成本占总成本的比例很大，风电场建厂初期很难与传统燃煤机组竞争，根据平准化发电成本，将风电场的投资成本平均至风电机组的整个寿命期中，则在风电机组价格为5 000元/kW h前提下风电机组机组的单位供电成本为0.091 4元/kWh。由此可见，从长远来看，风电场的经济效益与环境效益