风力发电的发展现状综述

风力发电的发展现状综述Abstract：Withtheincreaseofenergyconsumption,theworldwideenergycrisissituationisbecomingincreasinglyapparent.Inordertoeasetheenergycrisis,thedevelopmentofrenewableenergyandsustainableenergybecomesthemajorinitiativesofthecountriesoftheworld'senergydevelopmentstrategy.Asoneoftheoldestandmostimportantenergyonearth,windisoneofimportantrenewableenergy.Hugereserves,renewable,widelydistributed,non-pollutingcharacteristicsofwindpowermakeitbecomeaimportantdirectionofworld'srenewableenergydevelopment.Thispaperfocusesonthedevelopmentstatusofthedomesticwindpower，itsadvantagesanddisadvantagesareanalyzed,theprospectofabetterfutureisintroduced.Keywords:windpower,installedcapacity,presentstate摘要：世界能源消耗量的持续增加，使全球范围内的能源危机形势愈发明显，缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能作为地球上最古老、最重要的能源之一，成为可再生能源的重要类别。全球范围内蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染的特性使风能发电成为世界可再生能源发展的重要方向。本文着重介绍了国内风电发展现状，对其优势与不足进行了分析，展望了其美好的未来。关键字：风电，装机容量，现状世界风电发展现状世界风能协会报告显示［1］，2011年全球风电新增装机容量超过41GW，目前全球风电总装机容量已超过238GW。这表明2011年风电市场的年增长率达6%，总量同比增长超过21%。另一组统计数据指出，在全球已经有风电商业运营项目的75个国家中，超过22个国家装机容量已逾1GW。中国、美国、印度、德国、英国、加拿大、西班牙、意大利、法国、瑞典是2011年新增风电装机前十的国家他们的新增装机量占世界新增装机量的87.5%，具体数据如图1所示。世界总装机前十的国家分别是中国、美国、德国、西班牙、印度、法国、意大利、英国、加拿大、葡萄牙。欧洲2011年新增装机9.6GW,总装机容量上升至94GW,这一数字支撑着欧洲6.3%的用电需求。英国欲在2050年减少80%的碳排放量,英国Boreas风力发电集团公司总裁Antos强调,风力发电是既有环保价值又有商业价值的措施和手段。英国有11450公里的海岸线,年平均风速可以达到8米每秒。对中国来说,这种海上风电的优势和发展速度可谓惊人。与相对成熟的欧美风电市场比,美国风电行业2011年新增装机6.8GW,形势有所回落。“过去几年我们使风电装机量在美国的新增装机里占到了三分之一,而且正在努力实现到2030年使风电能提供美国20%的用电量的目标,这也是布什政府之前的政策之一。”美国风能协会理事长丹尼斯透露［2］。“对加拿大风电行业而言,2011年是具有意义的一年。加拿大各地,特别是安大略省,已成为全球风电投资的热点地区。2012年,几乎各省都有新的风电项目上马。”6日,加拿大风电专家Patrick分析说,加拿大风电起步于10年前,当时全国风电装机仅为19.8万千瓦,只能满足582户居民用电需求,但近几年风电发展非常迅速,除了政策支持,该国巨大的风电潜力也为行业发展奠定了基石［3］。统计数据显示,加拿大潜在的风力资源约为4850亿千瓦,仅魁北克北部地区的风力资源就可以满足加拿大全国40%的电力需求。图1世界风电发展现状200020012002200320042005200620072008200920102011我国风电发展现状我国风电资源特征我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。在20世纪80年代后期和2004〜2005年，中国气象局分别组织了第二次和第三次全国风能资源普查，得出我国陆地10米高度层风能资源理论可开发储量分别为32.26亿kW和43.5亿kW,技术可开发量分别为2.53亿kW和2.97亿kW的结论⑷。此夕卜,2003〜2005年联合国环境规划署组织国际研究机构，采用数值模拟方法开展了风能资源评价的研究，得出陆地上离地面50m高度层风能资源技术可开发量可以达到14亿kW的结论［5］。2006年国家气候中心也采用数值模拟方法对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10米高度层风能资源技术可开发量为25.48亿kW，大大超过第三次全国风能资源普查的结果。三北和沿海地区的风能资源我国的风能较为丰富的地区主要集中在东南沿海及附近岛屿以及北部（东北、华北、西北）地区，内陆也有个别风能丰富点。此夕，近海风能资源也非常丰富。1）沿海及其岛屿地区风能丰富带：沿海及其岛屿地区包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省（市）沿海近10公里宽的地带，年风功率密度超过200W/m2,风功率密度线平行于海岸线。2） 北部地区风能丰富带：北部地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省（自治区）近200公里宽的地带。风功率密度在200〜300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁、承德围场等。3） 内陆风能丰富区：在两个风能丰富带之夕，风功率密度一般在100W/m2以下，但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能资源也较丰富。4） 近海风能丰富区：东部沿海水深5米到20米的海域面积辽阔，但受到航线、港口、养殖等海洋功能区划的限制，近海实际的技术可开发风能资源量远远小于陆上。不过在江苏、福建、山东和广东等地，近海风能资源丰富，距离电力负荷中心很近，近海风电可以成为这些地区未来发展的一项重要的清洁能源［9］。2.1.2.我国风能资源开发程度我国风电开发程度还很低，到2011年底，并网容量达到4500万kW,只占开发量的很小一部分，未被开发的资源潜力十分巨大。2.2国内风电发展情况几年前当大家还在热议西班牙何以成为风电翘楚的时候，中国风电产业和市场还处于艰难的起步阶段，很难想象在几年后的今天，全球风电发展格局中，中国成了主角。中国风电产业发展引人瞩目：本世纪初才只有几个示范项目，短短几年过后，中国市场已发展成了世界最大的风电市场［8］。2009年底，中国累计装机容量竟超过德国位居世界第二。2010年底，我国累计风电装机44.73GW，全球第一位。累计装机增长率73.3%，近年首次低于100%。风场覆盖29个省市自治区，累计＞1GW的省超过10个，其中超过2GW的省份7个。内蒙古领跑我国风电，累计装机13.86GW，紧随其后的是甘肃、河北和辽宁2010年陕西、安徽、天津、贵州、青海五个省（直辖市）首次实现风电装机零的突破。图2：我国风电发展状况当年新增当年累计当年新增当年累计200020012002200320042005200620072008200920102011其中新增安装风电机组平均功率1466.8kW,略有上升。1.5MW和2MW风电机组是最主要的机组类型；1.5MW风电机组占当年新增装机的77.6%,2MW风电机组占当年新增装机的10.4%，大于2.5MW很少。图3：风电机组数目据规划,到2020年,在配套电网建成的前提下,各风电基地具备总装机138GW的潜力。为了支持大型风电基地建设国家在产业政策、标准制定、信息化管理和电网接入等方面做了诸多安排。除东北的风电基地全部由东北电网消纳和江苏沿海等近海和海上风电基地主要是就地消纳之外,其余各大风电基地电力外送的基本考虑是河北风电基地和蒙西风电基地近期主要送入华北电网,2020年前后需要山东电网接纳部分电力和电量。蒙东风电基地近期送入东北电网和华北电网甘肃酒泉风电基地和新疆哈密风电基地近期送入西北网,远期送入华中网。表1：七大风电基地规划目标七大风电基地2010年累计装机在建装机未来10年年均装机目标2020年规划河北3.58GW850MW1GW14.13GW蒙东3.82GW1.8GW1.7GW20.81GW蒙西6.3GW1.12GW3.2GW38.3GW吉林省2.02GW260GW1.9GW21.3GW江苏沿海1.28GW220GW950MW10.75GW酒泉1.34GW3.8GW2GW21.91GW新疆49.5MW49.5GW1GW10.8GW风电发展遇到的问题尽管中国风电发展取得了有目共睹的成就,但是依然存在着问题和风险。3.1.电网接入作为一个间歇性、多变化的电源大型的风电开发势必会面临如何顺利接入电网的挑战。中国的风电场主要位于远离负载中心的地区,并且当地的电网设施相对较差,因此当前的电网设计对于风电的发展构成了限制。这一点已经成为中国今后风电发展面临的最大问题。3.1.1系统平衡矛盾加剧调峰调频压力增大风电具有部分时段的反调峰特性,增加了电网调峰的难度。根据对东北、蒙西和吉林电网的数据统计,风电反调峰概率分别为60%、57%和56%。吉林电网因风电的接入,1年峰谷差变大的时间达到210天。风电大量投入后的调峰问题已成为电网运行的突出问题。此外，风电的间歇性和随机性增加了电网调频的负担。据统计，2008年2月至11月，新疆地区风电在30min内出力波动超过9X104kW的达到347次，增加了电网调频的压力和常规电源调整的频次。局部电网接纳能力不足风电场多处于电网末梢，大规模接入后，风电大发期大量上网，电网输送潮流加大，重载运行线路增多，热稳定问题逐渐突出。如，甘肃酒泉地区电网与主网联系相对薄弱，2007年以来，该地区风电、小水电快速发展，导致电网送出矛盾不断加剧。尽管采用了过负荷切机以及变电站分裂运行等措施提高输送能力，但仍有个别时段难以满足风电全部外送的要求。电网遭受冲击的概率增加风机本身抗干扰能力不强，还会增加电网遭受冲击的频次，甚至导致事故扩大。如，2010年4月12日23点30分，吉林电网同塔并架的500kV合松1号、2号线发生故障，白城地区风电大量脱网，风电总加从事故前约78X104kW快速降到10X104kW,导致系统频率从50.00Hz跌落到49.85Hz。再如，甘肃捡财塘和河南清源风电场自投产运行以来，受电铁和冶金等大型用户的影响，都曾因三相电压不平衡（未超过国家标准限值）保护动作发生风电机组跳闸停机，使电网遭受不必要的冲击［15］。电网稳定运行的风险增加风电的间歇性和随机性增加了电网稳定运行的潜在风险。一方面，风电引发的潮流多变，增加了有稳定限制送电断面的运行控制难度；另一方面，风电发展成分增加，导致在相同的负荷水平下，系统的惯量下降，影响电网动态稳定水平。最后，风电机组在系统故障后可能无法重新建立机端电压、失去稳定，引起电网电压稳定破坏［15］。3.2.技术层面上的问题电力和电量输送问题我国风电和发电开发的特点具有“大规模、间歇式、远距离”的显著特点。风能资源丰富的地区主要分布在“三北”（华北、东北、西北）地区，根据风能资源分布情况及技术经济条件，开发重点放在内蒙古、西北、东北、河北、东南沿海及近海岛屿等风能资源丰富的地区。规划建设的7个千万千瓦级风电基地，除江苏沿海风电基地外，其他大型风电基地所在地区负荷水平较低、电力系统规模较小、风电就地消纳能力十分有限，不能满足风电开发的要求。太阳能资源丰富和荒漠地区也主要在西部，大型荒漠电站的大部分将在西部建设。虽然可以考虑与风电基地结合开发，但是光伏发电大规模建设后，需要与风电一起送出。调节能力问题风电具有间歇性和随机性的特点，出力波动范围通常较大，速度也较快，在没有储能设备的支持下，无法像其他常规电源那样对其出力进行安排和控制。大规模风电并网运行将增加系统中不可控的发电出力，对电力系统维持供需平衡的能力产生影响，为电力系统各类电源的调度运行方式带来很大的压力［16］。由于受资源条件的限制，我国风能资源好的地区，电源结构以燃煤发电为主，调峰性能较差，还要考虑许多技术和安全性因素，影响了电网吸纳风电的能力；我国北方地区的峰谷差较大，热电联产机组发电出力向下调整还受热负荷需求的限制，尤其是要保证冬季供暖季节采暖的需求，使火电几乎没有调峰能力；能够用于调峰的水电机组也十分有限，且水电具有明显的季节性特征，水库蓄水除了发电还要满足农田灌溉等需要，水电的调峰能力也会受到制约。在我国电源结构中，响应速度快的燃气及燃油发电等灵活发电所占比例也在0.3%以下，使电网接纳风电能力进一步受到限制。解决措施加强风电输出短期预报技术风电具有随机性、间歇性和不可控制的特点。为了保障电网的安全稳定运行，电网需要预留风电最大出力的备用容量来平衡风电的波动［2］。当前我国的风电比例较小，电网还有能力应对，但随着风能规模的不断扩大，电网的主动性将逐步降低。需要借鉴欧洲风能功率预测在推进风能大规模发展方面的成功经验，在现有工作的基础上，将风电功率预测作为未来电力系统建设的重要组成部分来抓，尽早开展有关研究工作，不断提高预测精度，尽可能减少由于风电接入对系统调峰容量的增量需求，从而提高电网运行的经济性及电网接纳风电的能力。风电功率预测工作需要风电开发商和电网企业等各方的密切配合。开发商应当为电网公司开展功率预测工作提供基础性数据。电网企业应当成立区域内集中风电预测平台，开展区域风电功率预测，为制定合理电网调度计划提供技术支撑。4.2.灵活调度问题风电本身具备反调峰的特性，一般情况下很难参与电力平衡，甚至在系统中被看作“负荷”进行处理。在特殊时段，根据电力负荷特性，进行一定程度的弃风，虽然损失了风电场的一部分能量，但减少了的这部分风电量的边际成本，远远低于电力系统为保障电网安全而需增加的昂贵的调峰边际成本，从电力系统的角度考虑是经济的。虽然“弃风”和《可再生能源法》全额收购的原则背离，但是从系统角度来看是确定“发电装机”最优值后的必然选择。当然，弃风必须有保障性的制度：1）需要仔细研究弃风的合理比例。不同负荷特性、调峰能力区域的弃风比例一定是不同的。2） 必须对风电开发企业的弃风行为，进行一定的补偿。3） 风电建设必须规划先行。只有明确了风电建设的总体布局，才能保证电网配套设施的建设，也才能最大程度地降低风电场的弃风比例。4.3.电网建设和区域连接我国虽然已经建立了相对坚强的电力系统，但与欧洲的电网相比，总体上仍处于快速发展的建设阶段，还不能满足大规模风电发展的需要［14］。一是我国风电集中区负荷较低，电网自身较为薄弱，无法适应大规模风电消化和输送的要求；二是具有灵活调节能力的电源较少，水电富集区距离大型风电基地较远，天然气和抽水蓄能发电装机总量也较低；三是各大区电网之间的联系较弱，区域联络线只起到事故备用的作用，无法提供大规模风电发展时的坚强支撑。这是“三北”电网调峰能力难以进一步加强的三个主要因素。风电未来的展望单机容量逐渐加大目前，兆瓦级的风电机组已成为风电市场上的主流产品，其市场份额已从1997年的不足10%猛增到2010年的95%。世界上运行的最大风机单机容量已达5MW，6MW的风电机组也已研制成功［19］。风电场逐渐从陆地转向近海据中国风能协会以及世界自然基金会的估算，在离海岸线100千米，中心高度100米的范围内，每秒7米以上的风力持续时间平均是陆地的3~4倍。此外，海上风电靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳，可以减少长距离输电的烦恼。海上发电的诸多优势注定了风电场必定会向近海转移的趋势[20]。高空风力发电现有的风力发电设备存在高度低、风能利用有限、风动机转速低，难以实现对发电机直接驱动的问题。在1000米以上的高空，风功率密度可高达10kW以上，利用高空风力资源将成为风电技术的领域的迫切任务，也是将来风电发展的一大趋势。向聚能型风机发展所谓聚能型风机就是在风机叶轮前方加上集风装置，集风装置起到风力加速、整流风向的作用。速度的提高使风力发电机的单机功率大大增加同时在提高风机效率的同时可以有效降低风机塔架高度或者改用框架式整体结构。提高了风力发电机组的稳定性和牢固性[21-25]。聚能型风机评价其独到的结构创新已越来越受到人们的重视。我国在聚能型风机的研究中处于领先水平，产品已销往国外。6.总结近年来，能源危机逐渐提上日程，新能源的开发已经迫在眉睫，风能是使用最多的新能源，短短的几年内，国内外的风电都获得了很大的发展，国内风电装机容量也逐年递增，已经超越美国成为世界第一。尽管如此，风电发展依然存在很多问题，风电技术还不太成熟，为来风电的大规模发展需要政府及人民的共同努力，不仅要科技突破，也要更新政策，让风电得以长足发展，这是一项长久目标。参考文献全球风能理事会.全球风电发展展望2011，2011年.梁昌鑫，贾廷纲，陈孝祺.国内外风电的现状和发展趋势[J].上海电机学院学报，2009,3:73-77.张胜利，席德科，陆森林，任国梁.我国风力发电的现状及与国外的差距[C].低碳陕西学术研讨会论文集.翟溪•简述风能发电[J].内蒙古石油化工，2007,8:370.万利，陶文彪.风力发电的现状与展望.中国气象局.中国风能资源评估.2009年.⑺杨铎•浅谈我国风力发电现状[J].中国电力教育.山东电力技术研究专刊第二辑，2009:152-155.能源研究所研究报告.中国2030年