以風—水互補方式促進我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展

白樺，遲鳳嶺，胡瓊靜

(1.四川大學經(jīng)濟學院四川成都610054，2.中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京100038)

發(fā)展可再生能源是推動綠色經(jīng)濟、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，當前，在各類可再生能源中最具實用前景的是風能和太陽能。但是太陽能發(fā)電成本大約是風能發(fā)電的6－10倍，制約了對太陽能光伏發(fā)電的需求，由于風電具備潔凈、可再生、成本低廉等特點，全球已有70多個國家在大力發(fā)展風電。目前，風力發(fā)電已經(jīng)成為世界上公認的最接近大規(guī)模商業(yè)化的可再生能源技術之一。據(jù)全球風能理事會(GWEC)及風電行業(yè)咨詢公司BTM統(tǒng)計，近10年以來，全球風力發(fā)電市場進入高增長通道，保持了年均25%的增長速度，2009年增速高達到31%。2009年總裝機容量新增3.75萬MW，累計達到15.79萬MW［1］。風電產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)受到許多專家學者的關注，他們在電源和電網(wǎng)結構、運行方式、風電利用模式、風電溢價制度、強化系統(tǒng)調峰能力、建立電力控制中心、借鑒國際經(jīng)驗等角度對促進風電發(fā)展和提高風電利用率提出了相應的建議［2－4］。但現(xiàn)有研究中缺乏專門對我國風力發(fā)電與水力發(fā)電在大范圍、跨區(qū)域實現(xiàn)遠距離協(xié)調互補的可行性分析研究，為解決近年來我國風電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展中由于產(chǎn)業(yè)鏈前后端發(fā)展不平衡出現(xiàn)的后端阻塞現(xiàn)象，本文在研究分析我國風力發(fā)電和水力發(fā)電現(xiàn)狀以及風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式、階段、技術路徑的基礎上提出了相關建議，供政府有關部門制定產(chǎn)業(yè)政策參考。

一、我國風－水發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

(一)風力發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)

據(jù)《中國風能資源評價報告》測算，中國可開發(fā)的陸地風能資源大約為2.5億千瓦，可利用的海洋風能資源大約為7.5億千瓦，共計約10億千瓦［5］，蘊藏的風力資源僅次于前蘇聯(lián)和美國，居全球第三位［6］。

在國家發(fā)展新能源政策的扶持引導下，近年來我國風電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了超常規(guī)發(fā)展，2010年，中國風電新增裝機容量達到18928兆瓦，累計裝機容量達到44733兆瓦，居全球第一位［7］。但是，我國風電發(fā)展也面臨巨大的挑戰(zhàn):

(1)我國對風電的潛在需求還未形成拉動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際市場需求，原因主要有兩方面:一是電價過高;二是基礎設施和服務體系不完善。發(fā)展風力發(fā)電對電網(wǎng)建設、風電場配套蓄電、蓄能裝置等基礎設施和服務體系提出了新的要求。相對于常規(guī)發(fā)電方式，風電具有間歇性、隨機性和波動性。風電場出力不穩(wěn)，給電網(wǎng)調度、調峰、安全等帶來一系列問題。

(2)我國陸地風場主要集中在“三北”地區(qū)，而用電需求量最大的卻是經(jīng)濟發(fā)展較快的東南部地區(qū)。風場與電力需求逆向分布的格局增加了電網(wǎng)調度的難度，提高了對電網(wǎng)遠距離、高電壓輸電的技術要求。

(3)先進關鍵技術尚有一定的差距。存在“整機制造在國內(nèi)、關鍵技術和關鍵設備主要在國外”的結構性問題。生產(chǎn)企業(yè)“兩頭在外”的生產(chǎn)方式只能在全球產(chǎn)業(yè)鏈的低端組織生產(chǎn)，限制了產(chǎn)品向高端升級的空間，阻礙了產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展［8］。我國能源領域獲得的國家級項目經(jīng)費中，用于支持新能源領域的經(jīng)費在20%以下［9］。2010年1－9月，美國對新能源企業(yè)的現(xiàn)金補貼達46億美元，其中風電企業(yè)30億美元。我國與發(fā)達國家相比公共財政研發(fā)投入嚴重不足。

隨著國外風力發(fā)電新技術的不斷涌現(xiàn)，未來國際市場的競爭將更加激烈，而我國風電產(chǎn)業(yè)還處在引進消化吸收的跟進階段，總體自主創(chuàng)新能力薄弱，技術落后的狀況尚未改變。同時，由于風力發(fā)電自身的特殊性，風電產(chǎn)業(yè)下游存在電力輸出和消費瓶頸，嚴重制約了風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。根據(jù)國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)，截至2010年年底，中國風電并網(wǎng)容量2956萬千瓦［10］。以此計算我國并網(wǎng)風電占裝機容量的比例不超過70%。電監(jiān)會的數(shù)據(jù)顯示2009年1月至2010年6月，僅內(nèi)蒙古一省未收購風電電量就達到21.0億千瓦時，吉林、河北、甘肅、黑龍江未收購風電電量均在3億千瓦時左右。這一問題也對上游制造企業(yè)造成影響，導致整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻［11］。因此，需結合我國國情，通過認真研究、尋找適當?shù)募夹g路線和特殊的發(fā)展路徑以促進風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(二)水力發(fā)電的比較優(yōu)勢及問題

我國擁有居世界第一位的豐富水力資源，大陸水力資源理論蘊藏量6.94億千瓦，年發(fā)電量為6.08萬億千瓦時;技術可開發(fā)量5.42億千瓦，年發(fā)電量為2.47萬億千瓦時;經(jīng)濟可開發(fā)量4.02億千瓦，年發(fā)電量為1.75萬億千瓦時［12］。水電資源儲量豐富并且大中型水電資源基本上集中在西南地區(qū)。

水電具有較高的穩(wěn)定性和和一定的調峰能力。相對風電而言水力發(fā)電具有較好的穩(wěn)定性，并且從理論上講，如果設計抽水蓄能電站，水電的調峰能力優(yōu)于火電。我國擁有成熟的水電開發(fā)技術和豐富的建設施工經(jīng)驗。從勘測規(guī)劃、科研設計、教育培訓到施工調度、設備制造、經(jīng)營管理，水電開發(fā)技術隊伍門類齊全，在水電開發(fā)的各個環(huán)節(jié)、各種條件、各類開發(fā)方式、各種水壩壩型上都有成龍配套、成熟實用的科研成果和應用技術，在多年的施工開發(fā)中積累了各種壩型、機組、各種水頭、各種地形的水電工程設計、建設、運營和管理的經(jīng)驗［13］

但是水力發(fā)電也面臨水資源枯竭的潛在風險。隨著人口的增長，我國人均水資源占有率越來越低，更重要的是受全球氣候變化的影響，許多河流面臨斷流的危險。我國已開發(fā)的水力發(fā)電設施將面臨水資源枯竭的潛在風險。當前，提高水力發(fā)電對水資源的利用率已受到世界上許多國家的關注。中國工程院院士、水利專家曹楚生教授曾多次提出在新建、擴建和改建水力設施中要充分考慮抽水蓄能設計以提高水資源利用率，延緩河流水資源枯竭［14］。

二、風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段分析

(一)發(fā)展模式

根據(jù)中國科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院課題組的調研［15］，當前我國風電企業(yè)全球化趨勢下主要有三種開放式創(chuàng)新模式。一是收購國外公司。如金風科技收購了德國穩(wěn)系統(tǒng)公司(Vensys)并利用該公司開拓海外市場，進一步提高了金風風機的國產(chǎn)化水平。二是國外設計、聯(lián)合研發(fā)與本地制造組合。如華銳風電科技有限公司2004年通過許可證方式，以400萬歐元取得德國弗蘭德(Fuhelander)公司1.5MW，MD70和MD77型機組整機設計技術，與國外設計公司合作研發(fā)中國環(huán)境下的MW級風機及配套生產(chǎn)體系。三是科研機構自主研發(fā)。沈陽工業(yè)大學風能技術研究所從1983年開始從事風電技術研究。2006年，沈陽工大風能所和青島國電藍德環(huán)境工程有限公司合資成立了沈陽華創(chuàng)風能公司，開發(fā)自己的風電機組。

(二)發(fā)展階段

根據(jù)我國主要風力發(fā)電機企業(yè)的技術來源與配套體系狀況(見表1)［15］可知，在17家企業(yè)生產(chǎn)的21種機型中，技術來源為自主研發(fā)的只有3種，占14.3%;關鍵部件供應商控制系統(tǒng)為國內(nèi)科研機構或大學的只有2種，占9.5%，自制的有5種，占23.8%，葉片為國內(nèi)科研機構的有3種，占14.3%，為自制的有4種，占19.0%。并且機型額定功率為1.5MW或1.5MW以下占76.2%，其中53%小于1.5MW(見圖1)。而風電產(chǎn)業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)生產(chǎn)2MW以上風機，開始研究7MW－20MW的超大功率風力發(fā)電機組，可見我國風電產(chǎn)業(yè)仍處在跟進發(fā)展的初級階段。

現(xiàn)階段國外風電企業(yè)紛紛在中國投資辦廠或尋求技術合作，其目的是爭奪中國市場。我國風電企業(yè)應抓住機會，一方面通過消化吸收再創(chuàng)新來提高自身的技術水平和研發(fā);另一方面需要認真開展全球市場調研，尋找適應我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的技術路線、發(fā)展路徑和機會，適時改變風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢。

三、風－水協(xié)調互補技術路徑分析

根據(jù)中國電力科學研究院有關專家提供的材料，截至2010年底，我國發(fā)電設備容量96219萬千瓦，其中，水電裝機容量21340萬千瓦(22.18%)，火電裝機容量70663萬千瓦(73.43%)，核電裝機容量1082萬千瓦(占1.12%)，風電并網(wǎng)裝機容量3107萬千瓦(占3.23%)。我國發(fā)電裝機中具有快速響應能力的燃氣、燃油發(fā)電及抽水蓄能發(fā)電等所占比例很低，以煤電為主的電源結構，調峰能力較差，電網(wǎng)調峰矛盾突出。而國外風電大國具有靈活調節(jié)能力的電源在電力系統(tǒng)中占有很大比例，截至2008年年底，美國發(fā)電裝機容量為11億千瓦，以燃氣機組和燃煤機組為主，分別占裝機總量的41.4%和30.5%，風電比例為2.3%。2009年，美國風電裝機容量達3516萬千瓦，油氣電等靈活發(fā)電裝機的比重接近50%。2009年歐盟27國風電裝機容量約占其全部發(fā)電裝機容量的9.1%，天然氣、燃油發(fā)電占28.3%，大水電占14.7%。發(fā)展風電需做到多種電力來源接入平衡協(xié)調并與同步電網(wǎng)建設相結合。以丹麥為例，丹麥較高的風電裝機比例依賴于北歐同步電網(wǎng)Nordel和歐洲大

陸同步電網(wǎng)UCTE的支撐，充分利用電網(wǎng)互聯(lián)，共享各國間的調峰能力。丹麥西部電網(wǎng)是歐洲大陸同步電網(wǎng)UCTE的一部分，直接與德國電網(wǎng)進行功率交換。丹麥東部電網(wǎng)與挪威、瑞典、芬蘭等國家組成北歐同步電網(wǎng)Nordel，丹麥電力系統(tǒng)可以充分利用挪威、瑞典豐富的水電進行調峰，雖然丹麥風電裝機約占丹麥總裝機容量的25%，但北歐同步電網(wǎng)內(nèi)風電裝機約占其總裝機容量不足3%。

表1 主要風機企業(yè)的技術來源與配套體系

圖1 主要生產(chǎn)企業(yè)機型額度功率分布圖

從上述案例中電網(wǎng)運行應用情況可知，加大風電入網(wǎng)比例需要提高電網(wǎng)調峰能力，而電網(wǎng)調峰能力是以快速靈活的發(fā)電設施、蓄能蓄電裝置為基礎，并需要大規(guī)模同步電網(wǎng)作為支撐和保障。

就風電產(chǎn)業(yè)本身而言，我國技術總體上落后于美、英、德、荷等國家，但是由于我國的特殊國情，我國在電網(wǎng)供電技術方面具有一定優(yōu)勢。一般情況下電網(wǎng)波動不能超過20%，間歇式能源發(fā)電如風力發(fā)電等在整個電力供應來源中受到限制。我國西北地區(qū)風場資源豐富，水電資源也相對集中，但人口稀少，用電量主要集中在東南沿海地區(qū)，需要通過特高壓遠距離輸電解決電力供需平衡問題。經(jīng)過多年自主研發(fā)，我國在特高壓和直流輸變電技術方面已取得突破，有些技術處于領先水平，我國水電的枯水期在冬春季節(jié)，豐水期在夏秋季節(jié)，而西北地區(qū)陸地風電場的冬春季節(jié)風力較大，可與水電適當平衡互補，例如新疆布爾津縣托洪臺水庫電站利用水輪發(fā)電機快速靈敏的起動和調頻能力與風力發(fā)電機實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，提高了發(fā)電效率［16］。充分利用水電和風電的互補形成新型能源基地，這種能源結構既有穩(wěn)定性又有間歇性。實現(xiàn)全國大范圍電力調度則可大大提高風電等間歇式發(fā)電在全部電力供應中的比例，釋放出電力市場對風電巨大的潛在需求，拉動風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，繼而促進風電技術的跨越式發(fā)展。

隨著“十一五”規(guī)劃的順利實施，我國已成為世界上首個建成特高壓交、直流工程并實現(xiàn)商業(yè)運營的國家。因此，依靠全國大電網(wǎng)調控，實現(xiàn)水電與風電互補已具備一定的基礎。但是，建立水－風協(xié)調互補能源結構受到以下條件制約:(1)目前同一地點內(nèi)近距離風水互補在發(fā)電計劃控制方面不存在技術問題，但是大范圍、跨地區(qū)的風水互補存在一定的風險，一旦出現(xiàn)問題將導致大面積停電，國內(nèi)尚無實際應用的案例;(2)為保證電網(wǎng)安全運行，遠距離特高壓輸電對大型電網(wǎng)的防災能力有很高的要求;(3)需要成熟的聯(lián)網(wǎng)調度運行的技術標準和技術規(guī)范條件;(4)需要有多種電源結構為電網(wǎng)調峰提供電力支撐，特別是有一定比例的調峰能力強的大型水電站、抽水蓄能電站及燃氣電站。(5)風電出力不穩(wěn)定，風力發(fā)電廠需建立大型蓄電裝置或與其他發(fā)電設備配合，使其達到入網(wǎng)標準。

四、政策建議

我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵是盡快把對風電的潛在電力需求轉換為實際上的電力供給，加快進行水電枯水期與風電季節(jié)風期互補調節(jié)的研究和應用，通過各地區(qū)多電源最佳互補配置，實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化。為此，從關鍵技術研發(fā)、基礎設施建設、體制機制創(chuàng)新等三方面提出政策建議。

(一)關鍵技術研發(fā)

把“風－水協(xié)調互補研究與試驗應用”列入國家重大科技專項。開展電力調度專項研究。加強電網(wǎng)防災減災技術及輸變電工程設計與施工技術的研究。組織對個別國內(nèi)暫不能制造的特高壓電網(wǎng)設備，全面掌握部分關鍵設備核心設計技術。努力解決關鍵設備的原材料的自給問題。

(二)基礎設施建設

在風電場建設中，需要同時配套建設一定數(shù)量具有調峰能力的快速發(fā)電裝置及蓄電設施，以減少風電對電網(wǎng)的沖擊。在黃河上游風能和水能較豐富的地區(qū)(如青海、甘肅等地)，建設具有一定規(guī)模調蓄能力水庫電站，使其更好地參與風電的調節(jié)。統(tǒng)一制定相關的優(yōu)惠政策，鼓勵在有條件的地區(qū)建設抽水儲能電站，用來參與風電的調節(jié)。抓緊在全國形成堅強統(tǒng)一的電網(wǎng)，消除風電統(tǒng)一應用的網(wǎng)際交換瓶頸制約。

(三)體制和機制創(chuàng)新

風－水能量互補工程，涉及水利、電力等跨行業(yè)部門，需中央政府的高度重視和大力支持，牽頭組織各部門，做好協(xié)調、規(guī)劃、立項批準工作。研究我國大煤電、大水電、大核電和大可再生能源基地電源開發(fā)規(guī)模、送出能力和受端市場空間，提出合理的電源布局和開發(fā)時序。優(yōu)化電源結構和布局。通過市場化的運行方式和調控手段，平衡蓄能調峰發(fā)電、綠色能源發(fā)電、常規(guī)發(fā)電以及電網(wǎng)運行之間的利益關系。

新能源參與電網(wǎng)的調節(jié)在我國是個新課題，水庫水調和電網(wǎng)調度要相互配合，主管部門須組織多部門共同研究多元化能源發(fā)電跨域互補及聯(lián)合優(yōu)化運行，實現(xiàn)水電和風電的季節(jié)性互補。

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