風電非并網理論及其應用機制探討

河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司 郭雷

引言

20世紀以來，世界風電發(fā)展都是恪守火電的發(fā)展規(guī)律，強調設計穩(wěn)定，將所有大規(guī)模風電發(fā)展的注意力均放在適應電網的需求上。而風能作為可再生能源的發(fā)電優(yōu)勢在于清潔、無污染，其不足之處在于它們是隨機的能源，其與生俱來的不穩(wěn)定性會對電網的調度、管理帶來不便。新能源發(fā)電要實現(xiàn)并網并傳輸?shù)截撦d終端，不僅要求發(fā)電企業(yè)加大投入保障發(fā)電的安全性與穩(wěn)定性，而且要求電網企業(yè)加大電網建設和先進電網開發(fā)力度。整體來看，自2006年《中華人民共和國可再生能源法》正式實施以來，在過去的5年中，我國風能發(fā)電產業(yè)得到快速發(fā)展，同時也暴露出一些問題，尤其是“并網難”的問題成為制約新能源推廣應用的瓶頸。

風電的間歇性和波動性會對電網造成很大沖擊，導致風電在電網中所占比重難以超過10%，這是一個世界性難題，嚴重阻礙了風電規(guī)模化、產業(yè)化發(fā)展進程。應對這一難題，我們提出大規(guī)模非并網風電理論。非并網風電是指風電系統(tǒng)的終端負荷不再是傳統(tǒng)的單一電網，而是直接應用于一系列能夠適應風電特性的高載能產業(yè)及其他特殊領域，目前主要應用于以電解鋁為重點的有色冶金工業(yè)、鹽化工氯堿產業(yè)、大規(guī)模海水淡化、規(guī)模化制氫制氧以非金屬為原料的精深加工等。風電非并網理論在世界上是首創(chuàng)，開辟了世界風電多元化應用的新領域，它對其他發(fā)展風能的國家也提供了理論和實踐的借鑒；對非并網風電系統(tǒng)的研究和開發(fā)，奠定了構建大規(guī)模非并網風電產業(yè)體系的重要基礎。基于以上考慮，本文嘗試對風電非并網理論的產生背景和基本原理進行介紹，并結合我國江蘇省的實際案例，對大規(guī)模非并網風電的應用機制進行分析，以期為相關理論和實踐部門提供決策參考。

1 風電非并網的理論背景

風電并網是目前世界上大規(guī)模風電場的唯一應用方式，其中電網是風電的負載和用戶的電源；電網的存在保證了風電的利用。但是，由于風電的不穩(wěn)定性和波動特性，風電存在著電壓差不穩(wěn)定、相位差、頻率差、難以控制等問題，大規(guī)模風電上網還存在著現(xiàn)階段難以克服的技術障礙:①目前，雖然變速恒頻風力發(fā)電機組能夠滿足電網穩(wěn)頻穩(wěn)壓和穩(wěn)相的要求，但隨著風力機功率的提高、風力機的結構尺寸加大，控制難度增大，降低了系統(tǒng)可靠性；②風電并網系統(tǒng)低電壓穿越能力抗干擾能力較差，抵御電網故障能力弱，電壓跌落時會造成電網電壓和頻率崩潰，給工業(yè)生產帶來巨大損失；③風電大規(guī)模介入電網必然會使電網的可靠性降低，進而影響電網的調度和運行方式，目前風電對電網貢獻率難以超過10%。由于受并網風電系統(tǒng)的投資、運行和維護成本的制約，風電價格較高，致使風電的大規(guī)模應用受到限制。

所謂非并網風電，就是風電系統(tǒng)的終端負荷不再是傳統(tǒng)的單一電網，而是直接應用于一系列能適應風電特性的高耗能產業(yè)及其他特殊領域。非并網風電的直接應用，將引發(fā)風電產業(yè)在風力機設計、輸變電系統(tǒng)功能的一系列簡化，最終實現(xiàn)風能利用效率的提高和系統(tǒng)成本的降低，為大規(guī)模利用風電提供了多元化發(fā)展途徑。非并網風電運行方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面:

①采用直流電，回避風電上網電壓差、相位差、頻率差等難以控制的問題，繞開電網這一限制風電大規(guī)模應用的瓶頸，也避免了風電并網對電網系統(tǒng)的影響。

②突破終端負荷使用風電的局限，使大規(guī)模風電在非并網風電系統(tǒng)中的供電比例達到85%以上，一些行業(yè)可達100%。

③提高風能利用效率，簡化風力機結構和風電并網運行時所需的大量輔助設備，風電經簡單配置就可以直接應用于某些特定產業(yè)，大幅度地降低風電場的制造成本和風電價格，風機制造成本可下降25%～35%，發(fā)電量增加10%～15%。

2 風電非并網理論在我國的應用價值

對于我國而言，還具有更為重要的特殊實踐價值。一方面，我國電網的實際情況與西方風電發(fā)展大國不同。丹麥是目前世界上風電貢獻率最高的國家，2005年風力發(fā)電已經占全國電力總量的22%，而在西北部地區(qū)，這個比例甚至已經達到100%。但事實上，丹麥風電的高比例很大一部分是由其周邊國家消化掉的。這是因為丹麥與歐盟其他國家有電網協(xié)議，該協(xié)議使丹麥電網消耗不了的風電可以輸入到周邊國家的電網之中，這樣就由整個歐洲電網替丹麥高比例的風電起到了調節(jié)作用。而我國自2002年電力體制改革以來形成的華北、東北、華東、華中、西北、南方共6個區(qū)域電網相對獨立，且抗超負荷、波動性的能力較弱，因此在可預期的20～30年內，在風電并網技術未取得突破性進展的情況下，風電站發(fā)電量占整個電網的比例在中國要突破5%、國外突破10%的大關還具有相當大的困難。

另一方面，對西方國家來說，風力發(fā)電是在其完成資本原始積累、步入后工業(yè)化時期進行的，風電項目所需要資金龐大，因此西方國家多通過財政補貼的形式大力支持風電的并網。近年來我國綜合財力和地方財力的增長幅度都很快，財政實力漸趨雄厚，但我們正面臨著構建和諧社會的重要任務，公共財政的重要目標是建立起一套低水平、廣覆蓋的社會保障體系，對于某些有利于國家長期發(fā)展的產業(yè)可以通過少量財政補貼的形式起到“四兩撥千斤”的推動作用，但決不可能像西方國家那樣給予風電發(fā)展和并網大規(guī)模的財力支持。在風電并網發(fā)展得不到財政充分補貼的條件下，就需要我們探索風電的多元化發(fā)展道路，通過氯堿等特定高耗能產業(yè)的發(fā)展來促進非并網風電的發(fā)展，進而推動整個風電產業(yè)的健康發(fā)展。

鑒于此，依照目前我國發(fā)展風電的思路和做法，對我國宏觀能源狀況將起不到戰(zhàn)略突破和顯著的改善作用。對此，我們不是悲觀主義者，也不是無路可走，這就需要我們繞開西方模式，通過自主創(chuàng)新，探索有中國特色的、有自主知識產權的風電多元化發(fā)展的新途徑，走出一條既能緩解當前日益嚴重的環(huán)境污染，又能滿足日益增長的能源需求和優(yōu)化我國能源結構的創(chuàng)新之路，這就是“非并網風電理論”應用的特色之路。

3 非并網風電的基本原理

非并網風電(Non-gid-connection Wind Power, NWP)理論的核心是:風電的終端負荷不是電網，而是某些特殊的工業(yè)生產。具體而言，非并網風電是指大規(guī)模風電直接應用于一系列通過技術創(chuàng)新、能較好應用風電特性的產業(yè)。大規(guī)模風電的終端負荷不再是電網，其與蓄電池配套的小型獨立運行供電系統(tǒng)也不同，而是將風電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，即實現(xiàn)100%能量轉換，解決無法上網的風電的利用問題。風電是世界上公認的除水能、核電外，最接近商業(yè)化，市場競爭力最強的可再生能源技術，而且其占用土地少，社會爭議少，環(huán)境友好，能較快實現(xiàn)規(guī)模化和產業(yè)化。但業(yè)界又稱風能為“垃圾電”，因其為間歇性能源，并網會給電網調度、調峰、安全、成本等帶來一系列問題。據(jù)國網能源研究院資料顯示，2020年風電裝機總規(guī)模從1億千瓦提高到1.5億千瓦情況下，整個電力系統(tǒng)的運行成本將提高1.1%。

以這個理論核心為基礎，可以設想在江蘇東臺2000多平方公里的淺海沙洲上建設近期6萬MW、遠期12萬MW的淺海風電場。再以淺海風電場為中心，向前延伸可以建立光、機、電、儀一體化的風電設備制造與研發(fā)中心；向后延伸可以將淺海風電場發(fā)出的非并網風電直接應用于鹽化工產業(yè)，形成風電-燒堿-化纖及造紙產業(yè)鏈、風電-氯產品-PVC產業(yè)鏈、風電-燃料電池產業(yè)鏈，以及應用于金屬和非金屬冶煉及加工，形成風電-高能耗工業(yè)產業(yè)鏈。

4 大規(guī)模非并網風電的應用機制

以上分析了非并網風電的理論背景及其實踐價值，不難看出，大規(guī)模非并網風電的應用，是一條中國特色風電多元化發(fā)展之路的重要探索，而建設大規(guī)模非并網風電產業(yè)體系，也是我國風電多元化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)；然而，非并網風電的前景固然美好，但道路荊棘漫布，至少面臨人才、資金、技術、環(huán)保等各方面的挑戰(zhàn)；同時，非并網風電作為特定區(qū)域風電產業(yè)的一個組成部分，具有明顯的區(qū)域屬性，因此大規(guī)模非并網風電的實施，還需要一整套相應的區(qū)域創(chuàng)新機制予以協(xié)調。

按照Cooke的觀點，區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)(Regional Innovation System, RIS)指的是主要是由在地理上相互分工與關聯(lián)的生產企業(yè)、研究機構和高等教育機構等構成的區(qū)域性組織體系，且這種體系支持并產生創(chuàng)新。盡管此后的研究并未得出關于RIS的一致定義，但其基本內涵都包括四個方面:第一，具有一定的地域空間；第二，以生產企業(yè)、研發(fā)機構、高等院校、地方政府機構和服務機構為主要的創(chuàng)新主體；第三，不同創(chuàng)新主體之間通過互動構成創(chuàng)新系統(tǒng)的組織和空間結構，從而形成一個社會系統(tǒng)；第四，強調制度因素以及治理安排的作用。以下，本文將主要基于RIS理論的基本理念，以我國江蘇省的風電發(fā)展的現(xiàn)實狀況為例，分析大規(guī)模非并網風電的應用機制和實現(xiàn)途徑，嘗試構建非風電區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)(NWP-RIS)。

1）整體設想

本文認為，江蘇NWP-RIS是一個政府主導的網絡型混合產業(yè)RIS，至少可以從治理結構、優(yōu)勢產業(yè)和創(chuàng)新資源的配置主體三個方面進行考慮。

①治理結構方面。首先，企業(yè)所需資金主要來源于銀行貸款，江蘇NWP-RIS所需要的龐大資金不是單純的分散投資所能滿足的，政府也不可能罔顧構建和諧社會的目標而將公共財政大量投入其中，只有銀行貸款才能在技術和經濟層面滿足其需求；其次，相對而言非并網風電設備制造與研發(fā)由于技術積累較少而面臨較多的技術難題，要求較高的技術專業(yè)化水平，而傳統(tǒng)的鹽化工產業(yè)與金屬冶煉及加工產業(yè)的技術改造擁有的技術積累相對較多，對應較低的技術專業(yè)化水平。這樣，江蘇NWP-RIS的技術專業(yè)化水平呈現(xiàn)多層次的狀態(tài)。

②優(yōu)勢產業(yè)方面。非并網風電居于整個系統(tǒng)的核心地位，其它部分的存在理由都建立在它存在的基礎上；但是非并網風電很少提供最終產品，其價值只有通過應用它的傳統(tǒng)產業(yè)才能得到實現(xiàn)，因此在這個系統(tǒng)中，并不存在絕對的優(yōu)勢產業(yè)，產業(yè)形態(tài)可以被認為是混合的。

③資源的配置主體方面。江蘇NWP-RIS的靜態(tài)構成應當完整地包括RIS中的政府、企業(yè)、研究組織和中介組織四個子系統(tǒng)，且滿足整個系統(tǒng)對它們的要求；在系統(tǒng)動態(tài)運行的調控過程中，創(chuàng)新活動應能從時間、空間、客體和不確定性等方面實現(xiàn)資源配置的效率，應能構建方方面面的協(xié)調和層次，應能在外部干擾造成波動后保證過程的平穩(wěn)繼發(fā)，應能使創(chuàng)新成果在相關產業(yè)和企業(yè)間快速擴散。

2）實踐對策

①組織機構方面。首先，為了扮演好雙重角色，政府必須準確鎖定自身該作為和不該作為的領域和時機。比如，一待合理的政策制度形成，政府職能就應當從制定規(guī)則轉變?yōu)樘峁┓铡Ｔ俦热纾谙到y(tǒng)的形成和成長階段要著力發(fā)揮建設者和推動者的作用，而在系統(tǒng)的成熟階段則要發(fā)揮好調節(jié)市場的作用。為此，政府應當對其內部機構進行組織安排的創(chuàng)新，可以考慮設置一個柔性的職能化工作機構，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的階段展開工作。

其次，為了轉變運營模式，風電設備制造企業(yè)和非并網風電應用企業(yè)可以就設備的專用性專門建立一個由創(chuàng)新管理者領導的創(chuàng)新技術小組，配套建立起與其它各方，尤其是研究組織和中介組織進行實時信息交流的虛擬溝通工作機制。

再次，為了以盡可能低的成本提高中介組織的低服務水平和改善其基礎設施條件，可以在現(xiàn)有的氣象局和質量監(jiān)督局等部門框架下成立專業(yè)的風資源評估機構、風電設備檢測與認證機構、風電知識和技能培訓教育中心，將與非并網風電相關的技術創(chuàng)新活動納入現(xiàn)有的技術交易市場、科技孵化器、工程技術中心和通用實驗室，并由政府成立的專門工作機構負責協(xié)調。

②構建制度系統(tǒng)方面。創(chuàng)新主體之間的聯(lián)系緊密程度與NWP-RIS績效正相關，非并網風電產業(yè)鏈上的利益相關者對促進產業(yè)發(fā)展也具有重要作用，所以可以考慮通過吸引系統(tǒng)內外各種投資來形成產權多元化的現(xiàn)代企業(yè)制度；在知識產權制度方面，可以嘗試將專利和商業(yè)秘密保護等工具結合技術轉移的規(guī)章化、協(xié)議化、機制化辦法使用，在維護技術創(chuàng)新者利益的同時促進知識流的通暢流動另外，風險投資能夠有效地促進技術創(chuàng)新，可以考慮建立以風電產業(yè)為主營業(yè)務的公司式風險投資機構，以政府注資作為種子資本，吸引社會資本參與進來，并在適當?shù)臅r機將公司業(yè)務擴展至相關產業(yè)。

③構建政策系統(tǒng)方面。任何實踐活動都需要得到與之相適應的理論基礎的指導，構建江蘇NWP-RIS也不例外，政府可以設立一個顧問團來明確適應NWP-RIS的政策理論基礎。為促使知識流發(fā)揮更高效用，允許人力資源自由流動的市場化人才政策必不可少。我國在出臺有利于風電設備本地化和風電產業(yè)持續(xù)發(fā)展的優(yōu)惠金融政策和財政政策方面已經做出了諸多嘗試，現(xiàn)在有必要組織專家和相關設備制造廠商對這些政策的制定和運行進行評估，并在此基礎上完善現(xiàn)有的風電建設優(yōu)惠貸款、發(fā)電稅收補貼、風電增值稅優(yōu)惠、風電設備零部件進口關稅優(yōu)惠等政策。

5 結束語

以上，本文主要以江蘇為例對大規(guī)模非并網風電的區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)(NWP-RIS)構建途徑進行了探討。總的來說，大規(guī)模非并網風電的應用，是探索中國特色風電多元化發(fā)展之路，建設大規(guī)模非并網風電產業(yè)體系，是我國風電多元化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。非并網風電產業(yè)體系的構建，是以“非并網風電理論”為依據(jù)、以我國風能富集區(qū)的大規(guī)模風電場建設和運營為重點，涵蓋其前向關聯(lián)度大的風電設備零部件研發(fā)和制造、風機組裝、電控系統(tǒng)等產業(yè)，后向關聯(lián)度大的有色金屬冶金、鹽化工、大規(guī)模海水淡化、規(guī)模化制氫制氧等高耗能產業(yè)，以及側向關聯(lián)度大的風機運營維護、風電場觀光旅游、風電項目投融資管理、金融保險等產業(yè)，構成可涉及三大產業(yè)、多方位、多產業(yè)鏈交織的現(xiàn)代綜合產業(yè)網絡體系。

[1]顧為東.非并網風電對超大規(guī)模風電利用的戰(zhàn)略意義和路徑[J].上海節(jié)能, 2010, (05).

[2]方敏,金春鵬,顧為東.大規(guī)模非并網風電產業(yè)體系圖譜研究[J].資源科學, 2009, (11).

[3]顧為東.我國海上“風電三峽”及非并網風電應用系統(tǒng)開發(fā)建議[J].中外能源, 2010, (08).

[4]金春鵬,劉勇,周莉雅.江蘇沿海風能開發(fā)與大規(guī)模非并網風電產業(yè)基地建設研究[J].能源研究與利用, 2010, (02).

[5]顧為東.大規(guī)模非并網風電系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].電力系統(tǒng)自動化, 2008, (19).

[6]顧為東,周志瑩,邱濤.長三角淺海輻射沙洲風能資源開發(fā)與非并網風電產業(yè)發(fā)展研究[J].資源科學, 2009, (11).