刘志超，王洪彬，沙浩，杨金澍，曹生现

（1.天津大学机械工程学院，天津市 南开区300072；2.东北电力大学自动化学院，吉林省 吉林市132012）

0 引言

随着中国风电装机容量不断增加，风电并网规模逐渐扩大，“十三五”期间我国的风电新增装机容量将达8000 万kW 以上，2020年全国风电装机将超过2.1 亿kW，但我国风电存在的弃风问题仍显严峻。风电的高效利用技术是解决弃风的重要途经[1-7]，目前国外的风电利用技术包括成熟的压缩空气储能技术[8-10]、风-光储能技术[11]、以风-光-水互补发电系统的组合互补技术[12]、风电制氢产电双储技术等[13]，并着重考虑风电多能组合技术的经济性与社会效益[14-15]。

与国外发达国家相比，我国风电发展与电网结构匹配具有一定的特殊性，且风电弃风利用技术的发展与应用相对滞后。本文通过对我国目前风电利用技术的发展现状进行综合研究，并对其发展前景进行分析，以期为我国不同地区确立风电资源的利用方式提供依据，以提升风电能源的消纳能力。

1 我国风电利用技术现状与存在的问题

我国在风电利用方面主要集中研究的是集群 风电并网运行、与其他能源组成互补、风电的大规模直接利用及分布式风电接入与控制等技术。

1.1 集群风电并网运行技术

在当前大规模风电集群发电技术中，风功率预测、并网控制及风电调度是其中的核心技术。

在风功率预测方面，我国已经有很多科研院校与研究机构进行了研究，并且从我国风力资源的特点及我国风电产业的发展模式出发，在预测方法上包括针对风速的预测和针对风电发电功率的预测[16]。在预测尺度上，主要是对风电的时间尺度与空间尺度进行的研究，其预测方法包括基于数据挖掘的风电预测、基于人工神经网络遗传算法的风电发电系统等时间尺度预测方法，以及包括基于单个风电场与集群风电场风功率预测技术、单一风机与风电场风电功率的预测技术等空间尺度预测方法[17]。在预测时间上，分别从短期、中期、中长期、长期等角度建立了相应的风功率预测模型，如基于数值天气预报的短期风电功率物理预测法和基于历史风速、风电功率、风机舱外温度、风向等参数与风电功率的统计学的短期预测法等，及基于多重离群点平滑转换自回归模型的短期风电功率预测等方法，同时结合风电场的气压、气温、湿度等天气影响因素与神经网络等非线性函数建立的中期、长期风电功率预测技术[18-20]。目前我国研发的风电功率预测系统已经在电网侧与发电侧实行了大规模覆盖，但对于一些山脊、海上等风机安装地形复杂与极端天气情况下的风电预测技术与方法仍需进一步完善。

在风电的并网控制方面，我国主要研究的是对风电机组层面的控制及对风电场、风电集群层面的控制。其中在风电机组层面，主要是对风机调频控制的研究，如风机变桨控制、转子超速控制与惯性控制等方面，但相关研究仍有不足，体现为：在风电的主动调频过程中，所需建立模型的风电场短期预测信息考虑仍显不足，同时常规的区域控制偏差控制方法是一种滞后校正控制，从而不利于风电的安全稳定[21]。对风电场、风电集群层面的控制的研究，主要是对风电场或集群与传统电源的省区发电协调控制。如在风电的有功调度控制方面，可以对风机的发电状态进行分群设置，进而对风电场、单机与机群等进行有功功率的多目标优化，同时还可以根据风电接入电力系统建立相应关键指标的决策机制进行系统优化等[22-23]。在风电的集群控制方面，我国已经研发并于甘肃电网投入使用了以公共连接点电压稳定为目标的风电场电压无功综合控制系统，对风电电网调度管理有实际指导价值。而在风电的无功控制系统研究方面，国内主要集中在对风电场无功的优化选址、机组的控制策略等方面。总体而言，我国对风机调频控制相对成熟，在单机、机组、风电场层面均有系统性应用，但我国在风电场与集群方面的有功、无功控制技术尚显薄弱，虽然已经开展了相应的研究工作并积累了一定经验，但在大型风电多工况自适应调频控制的有功控制技术的应用研究较少；同时由于我国风机厂商设备型号与技术参数不一，造成风电场与集群的自动控制性能不足等问题。

在风电调度方面，我国主要采用的是自动发电控制(automatic generation control，AGC)技术，目前常用的控制算法为比例-积分-微分控制方法、基于微分博弈理论的控制方法及模型预测控制(model predictive control，MPC)方法，但由于风电的波动性与间歇性特点，仍会在大规模风电接入对交直流互联网产生较大冲击[24]。对此，仍需促进我国风电集中送出调度运行技术的开发，并提高风电市场消纳的能力与技术。

与陆上风电相比，我国海上风电近年来发展势头迅猛，但相应的技术研究相对滞后，其高压直流电输送、远程集群控制技术仍未成熟[25]，同时缺少相关的规程规范与关键技术标准。

1.2 与其他能源组成互补技术

风电与其他能源组成的互补技术，是将不同种能源发电方式进行互补发电，以提高可再生能源用电的稳定需求，具有较好的环境效益。

我国在大规模互补发电技术中，风光互补系统是应用较早的互补技术，其规模覆盖几十千瓦至数百兆瓦，并具有较好的功率控制幅度[26]，如40 MW 和20 MW 的风电、光伏的风光储联合发电系统的瞬时送出有功功率波动幅度可达35 MW，并且已经建立了较好的风光互补发电能量优化与协调管理系统。风水互补系统具有系统功率稳定、经济效益较好的优势[27]，但风水协同运行仍需考虑风险承担能力、投入资源程度及资源利用率3 个因素[28]。目前国内开展了包括大唐多伦20MW 风水互补电源项目、国家电投云南大荒山286 MW 风水互补示范项目等。在风水互补技术的研究方面，主要是对组合系统的综合效益进行的优化分析，并且分别建立了抽蓄电站和风电的联合运行模型，并基于多目标最优化模型等方法，计算分析了风水互补系统运行年限内的最大综合效益。我国在小型风光互补与风水互补技术的应用方面，主要是建立了村级风光互补发电系统与太阳能风能无线电话离转台电源系统等，解决了部分农村及偏远地区的用电需求。

为提高风电消纳问题，近年来国内提出了风-火电联合外送技术[29]，通过火电机组的深度调峰技术，即包括火电机组锅炉的低负荷稳燃、提高火电机组的负荷相应速度、节能降耗、NOx排放及相应机组设备配备、一次调频和逻辑保护等技术，实现了对风电机组快速变负荷的消纳与输出。其中，风火联合外送中火电输电波动幅度越大，则火电机组的协作价值越高，分配的利润比例也越高。此外，还包括多种能源联合互补发电技术，包括水-火-风协调技术、风电-火电-抽水蓄能技术等[30-31]，并建立了国家级清洁能源示范工程的。但是，目前仍然缺少多种电源复杂特性的电网调度与灵活性控制方法，同时，多时间尺度的全局优化与性能实时控制能力仍显不足。

1.3 风电的大规模直接利用技术

风电制氢是国外研究与示范应用的重点方向。国内在风电制氢领域仍处于研究前期与示范阶段，如国网上海市电力公司东海风电场的“风光电结合海水制氢技术前期研究”项目，制氢功率100kW、燃料电池发电30 kW 的中节能风电公司张北分公司风电场项目，以及中德合作示范的河北沽源10 MW 电解水制氢系统等。在风电制氢技术的研究方面，主要是对电解水制氢系统、风电场耦合制氢技术、氢气的储存运输技术的集成研究[32]，包括以电解水制氢设备为产出模型研究，氢储能系统的能量协调控制策略等内容，但是系统的经济性能有待考核。

在风电供暖方面，国内已经在吉林、新疆、内蒙古等地开展了风电清洁供热示范项目。风电供暖理论也逐渐完善，目前国内已经建立了调度模型，并用于储热提升风电消纳的规划设计，如在电供热系统中加入2000MW·h 的储热装置，可将弃风电量减小为1813MW·h。但是风电供暖的热-电协调优化调度技术方面仍存在不足，同时弃风供暖的经济效益欠佳，现有弃风供暖运行和结算模式对弃风供暖的经济效益计算结果表明，风电采暖不利于其他风电场和电网经济效益，同时随着电采暖比重增加，绑定风电场和电采暖联合利益、四方主体总利益以及全社会碳减排量均减小，利益甚至为负[33-34]。

风电的大规模直接利用技术还包括压缩空气储能[35]、飞轮储能[36]、超级电容器储能[37]，化学蓄能中的铅酸蓄电池、锂离子电池和液流电池储能技术，风电-高温燃料电池发电互补系统[38]，以及新型电转气技术等[39]，但大多受到技术成熟度、经济成本等瓶颈限制。

1.4 分布式风电接入与控制技术

分布式风电是除大规模利用之外风电的另一种利用形式，通常采用35 kV 及以下电压并网，并就近满足用电负荷，是一种可作为偏远或孤岛地区电源供应的主要方式，其接入方式为多点接入。我国对分布式风电的开发利用仍处于初级阶段，微电网作为分布式发电系统已经有所应用，如在浙江省北麂岛开发的分布式风-柴发电系统和吉林省辽源市东丰县的“风气互补”新能源开发项目等，仍然以项目示范为主。

分布式风电的关键技术为分布式风能资源评估技术、风功率预测技术、风电储能技术及控制系统监控技术等。在风能资源评估与风功率预测方面，分布式风电沿袭的是大规模集中式风电技术，因此缺乏一定的适应性[40]。在风电储能方面，风电常与电池储能系统相结合，可在风机旁就地布置，进而联合协调控制各储能电池，但因多台风机或储能系统协调控制较为复杂，整体协调控制要求高，需要匹配多台独立的测控系统，因此单位容量投资成本高，并且不利于设备维护，用户用电满意度较低。在风电控制系统的监控方面，我国对分布式风电的信息采集与监控技术水平较低，相关研究也较少，存在一定的系统优化运行难题。

1.5 我国风电利用技术对比分析

通过前述风电利用方式的研究，可以看出当前风电弃风利用方式较多，但仍受到利用技术的经济性、转化方式的技术限制，如风电制氢、供暖技术等，同时风光互补、风电-抽水蓄能联合系统等多元互补技术也由于地理位置的限制而不具普适性。

表1为当前我国风电利用的主要技术发展现状对比。

表1 我国风电利用的主要技术发展现状对比Tab.1 Comparison of research and development status of wind power utilization technology in China

2 我国风电利用技术的发展前景与建议

2.1 风电利用技术的发展趋势

2.1.1 风电集中式与分布式并重发展

我国当前鼓励风电向集中式和分布式并重的方向发展。分布式风电与集中式风电模式相对应，现有的大型风电场可以将几十千瓦到几万千瓦的独立风力发电机组直接接入配电网的，所产电

能就近消纳，从而避免了风电上网与运输存储的难题。从根本上看，分散式风电通过配电网的接入与就近消纳，是一种分布式的发电方式，可使风能资源就近开发利用。分布式风电的主要优势在于所发电量全部上网，弃风极小；而集中式大规模风电符合我国可再生能源规划与一次能源结构要求，推进陆地风电大规模集中式发展的同时，推进大规模海上风电的集中式发展模式。

2.1.2 促进多能互补利用技术推广

风电等可再生能源具有波动性、随机性、间接性的特点，因此单一风电能源利用难以满足用户负荷稳定的需求，多种能源互补发电是风电稳定输电的较好利用方式，可根据供应侧的资源条件与需求侧的用能特性，因地制宜、综合利用，协调优化调度，促进风电能源的清洁高效生产。在未来的风电发展中，我国将加强对多种电源、多时间尺度的互补发电系统的能量管理系统、调峰系统、电网接入与控制技术等方面的研究，使风光互补、风水互补、风火互补及微电网的多能互补方式得到进一步的推广应用。

2.1.3 发展高效率低成本的风电利用技术

风电制氢技术是未来风电发展的重要方向。随着电解水制氢成本的降低、储氢材料技术的进步，风电制氢将有望成为风电产业发展的重要匹配技术，进而通过风电规模化制氢与能量管理系统的结合，为风电的规模化消纳提供有力技术保证。同时，风电供暖也是未来风电消纳的重要技术手段，通过对城市供热系统调峰能力的研究，优化热-电联合运行策略，实施风电供暖系统的优化控制，可有效提高风电利用效率。此外，风电的其他储能方式也是未来风电利用的重要手段，随着压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、超级电容器储能及新型电转气技术的提高与成本的降低，这些技术将为风电的消纳与利用提供重要的技术选择。

2.2 风电利用技术的发展建议

2.2.1 促进风电等新能源激励政策建设

我国应加强发电、并网、用电等完整风电系统的激励政策建设：强化发电侧的电源调峰能力建设，建立完善的火电机组灵活性改造和运行优化技术创新，加快建立火电企业调峰辅助服务补偿机制，制定电网侧跨省跨区送电政策，完善大规模集群风电控制技术，发挥大电网的多种电源平衡能力；在用电侧，推进煤电的清洁化转化，提高风电利用比例，引入市场调节机制，优化风电调峰调频与分布式技术发展策略。

2.2.2 加快风电等新能源消纳市场机制的建设

提高优先消纳风电等可再生能源，强化省间调度能力，促进跨省送电政策的实施，构建全国统一电力市场。同时完善新能源交易机制，构建风电等新能源的省间输送补偿机制，提高峰值期风电的消纳补贴，促进用户参与电力需求侧响应和市场交易。

2.2.3 加强风电接网与技术标准建设

国家应建立统一的风电发展管理体系，整合各方面国家资源，设计风电发展规划、扶植政策，通过对国内发电、电网、风机制造、技术研发、气象等部门的统筹协调，为风电发展创造优良环境。同时，政府还应完善我国的风电标准、检测与认证体系，确保风电标准符合我国风电资源与相应环境，并加强与国际风电检测认证体系接轨，逐步推进风机与风电利用的技术标准建设。

3 结论

现阶段我国风电发展存在一定的不匹配问题，与之相应出现诸多利用技术。综述了我国风电利用技术的现状与存在问题，指出了我国风电向集中式和分布式并重、促进多能互补利用技术推广、发展高效率低成本的风电利用技术方向发展的趋势，最后从加强新能源激励政策、新能源消纳市场机制、风电接网与技术标准建设方向提出了建议。

致 谢

本文中风电运行资料搜集工作是在华能国际电力股份有限公司河北清洁能源分公司宁志刚、宋子顺、卢峻峰、乔少帅等工作人员的大力支持下完成的，在此向他(她)们表示衷心的感谢。