我國風電產業的發展現狀分析及未來展望

李昊璋 劉蘋元 王錦鴻 張翼鵬 陳劍波

摘要：首先對我國風能資源的分布進行了闡述，隨后分析了陸上風電的發展現狀和風力發電機的相關技術以及沿海風能資源的分布與利用，最后對我國目前風力發電存在的問題進行了分析，并對未來風電的發展進行了展望。

關鍵詞：風能資源分布;陸上風電;沿海風能產業;海上風電;海上風機支撐技術

0? ? 引言

進入21世紀以來，全球人口、經濟持續增長，世界能源需求增長強勁。如今，中國能源領域已經發生了翻天覆地的變化，發電量已連續多年占據世界首位，是名副其實的世界能源大國。

然而，我國的能源產業結構布局卻不平衡，我國能源特點可以總結為“多煤少油缺氣”，煤炭始終是我國消費量最大的能源。就最近來看，2018年我國發電量再次全球第一，達到近6.8萬億kWh，其中火力發電量達到49 794.7億kWh，占據了全部發電量的73.3%，占據了主導地位。

為了改變這種不平衡的布局，使我國從能源大國向能源強國邁進，習近平總書記提出了“四個革命、一個合作”的能源戰略思想來調整能源結構，實現多元化，降低對石油和煤炭的依賴。

能源問題不僅關乎國家的經濟發展，更是國家戰略發展的重中之重。可以預見，在未來的幾十年里，新能源的發展將是大勢所趨，以風能等清潔能源為支撐的清潔能源體系將會建立，中國的能源產業結構將會重新布局。

風力發電是新能源發電的主要項目，也是國家大力投資發展的項目。2018年，國家發布了12項國家政策、27項地方政策。2019年，國家發改委、國家能源局、中共中央國務院等又發布了《綠色產業指導目錄（2019年版）》《產業結構調整指導目錄（2019年本，征求意見稿）》《關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項的通知》等三十幾項政策，這表明了國家對風能等綠色能源產業大力扶持與堅持發展的決心。

1? ? 我國風能資源的分布

我國地理位置優越，北鄰西伯利亞平原，東靠太平洋，南抵印度洋海域，受南印度洋的西南季風、澳大利亞北部的東南信風以及支氣流源于北太平洋副熱帶高壓給中國大陸帶來的東南季風和南季風影響，我國具備安裝風力發電機條件的地域十分廣闊。

我國幅員遼闊，960萬平方公里的土地上有著許多的草原、高原、山地等，這些都是風力資源十分豐富的地區;此外，我國還有著長達18 000多公里的漫長海岸線，在那里，風力發電機有著無限的發展潛力。

利用風能發電不但可以解決我國目前能源短缺的問題，而且同時可以滿足低碳綠色的可持續發展目標，這是傳統發電所無法比擬的優勢。

有關數據顯示，中國陸上離地10 m高度風能資源總儲量約43.5億kW，占據世界第一[1]。海上10 m高度可開發和利用的風能儲量約為7.5億kW。中國氣象局2003年開展的全國風能資源第三次普查顯示，我國可開發的（風能功率密度不低于150 W/m2）的陸地面積約為20萬km2[2]。

在如此大的發展前景下，我國正在加快風力發電機的發展，近十年來，我國風力發電機發電總量平均年增長率達到42.8%[3]，且隨著風電技術的成熟，更多的風能資源將會被開發和利用。

2? ? 陸上風電的發展

2.1? ? 陸地風能資源開發歷程

自20世紀五六十年代開始，我國對風力發電機組進行了一些研究，但還處于摸索階段，由于國內的技術限制以及國外的技術封鎖，這個時期的研究并未取得實質進展，但總體還是為以后的研究發展積累了一定的經驗。

20世紀70年代末期，在國家有關部門的指導下，科研人員開始對小型離網風力發電機進行研究，目的是為海島和偏遠山村解決電力輸送問題[4]。經過一系列的努力，我國在小型離網風力發電機上取得了一定的成果，解決了邊遠山區、農村的用電問題。

20世紀八九十年代，我國風電行業開始出現第一次熱潮，大批科研人員投入風電行業，國家也出臺了許多相關政策。1986年，我國首個風力發電場——山東省榮成市馬蘭風力發電場建成運營;1989年，我國開始建設100 kW以上的風力發電場;1994年，新疆達坂城風電總裝機容量達10 MW，成為我國第一個裝機容量達萬千瓦級的風電場;1996年，國家原計委推出“乘風計劃” “雙加工程” “國債風電項目”，使我國風電事業正式進入規模發展階段[5]。

進入新世紀以來，我國風電行業持續迅猛發展，自2005年以來，連續6年累計裝機總容量增長率超過100%，至2010年底，我國風電裝機總容量已經超過美國，位居世界第一[6]。在2009年還頒布了《新能源產業規劃》，確定了將在甘肅、內蒙古、新疆、吉林、河北和江蘇建立7個千萬千瓦級的風電基地。2020年，7個基地總裝機容量達到了1.7億kW[7]。

2.2? ? 陸上風力發電機的相關技術

目前國際上風力發電機的運行方式主要有獨立運行、聯合互補運行以及并網運行。其中風力機和發電機是風力發電系統實現機電能量轉換的兩大主要部分，因此風力機和發電機的功率和速度控制是風力發電的關鍵技術之一。為了控制風力機和發電機，目前國內主要采用定槳距失速調節、變槳距調節、主動失速調節三種方式。

與此同時，國內的發電機并網技術也在蓬勃發展，包括直接并網、準同期并網、降壓并網和可控硅軟并網等。目前，直接并網方式仍為國內主流，其方法簡單、操作容易，不需要同步設備和整步操作，但并網瞬間沖擊電流和電壓降較大[8]。

與風力發電相配套的電網系統近些年也有較大發展。目前，國內主流的風力發電系統有恒速恒頻風力發電系統、變速恒頻風力發電系統兩種，其中恒速恒頻風力發電系統一般采用大小兩套配合發電，風速低時小容量風機可以進行發電，風速大時均能并網發電。而變速恒頻風力發電系統可以更加靈活地利用風能，優化了機組運行條件，系統發電效率也大大提高。目前國內一般采用變速恒頻風力發電系統，系統發電效率一般可達60%～70%[9]。

除此之外，在風電并網仿真模擬技術方面，中國電力科學研究院等科研院所、清華大學等高等院校建立了大型的模擬仿真風力發電實驗室[10]，具備較強的仿真模擬技術能力和相關檢測能力，正從“跟從國外技術”向“引領世界技術”轉變。

而在功率預測技術方面，目前，金風科技等部分整機廠商在風電機組并網適應性控制方面的技術進步非常明顯，在高電壓穿越、機組虛擬慣量控制、場級同步發電機技術（VSG）控制等技術領域都取得了一定的成績。

3? ? 沿海風能資源的利用與開發

3.1? ? 沿海風能產業的興起

近些年來，風力發電行業發展迅猛，隨著陸地優質風能資源的逐步開發，陸上風力發電已趨近飽和，根據國家最新相關政策，許多企業紛紛把目光轉向海上風電機的建設。

海上風電主要是指近海風電，與陸地風電相比，它具有不占用土地、海上風速高、湍流強度小、風電機組發電量大、可以忽略噪聲和視覺的影響等優點。因此，海上風電已成為國際風電發展一個新的方向[11]。

海上相比于陸地有著良好的風況，而風力發電的核心就是風力的大小，據統計，離岸10 km海域的海上風速通常比沿岸要高出20%。風電機組的發電功率（即風功率密度）與風速的3次方成正比，因而同等條件下，海上風電機組一年的總發電量比大陸大約高70%;同時，海上風力常年不衰，不存在陸上的靜風期，因此，海上風電機組的發電時間更長[12]。

3.2? ? 沿海風能資源的分布

我國幅員遼闊，風能資源較豐富的地區多，風能理論可開發總量為32億kW，實際可開發量約2.5億kW，僅次于美國和俄羅斯[13]。

中國國家氣候中心2017年發布數據顯示，我國近海地區能源豐富，四大海區中東海風力最豐富，各海峽中以臺灣海峽風力最豐富。但我國地處熱帶和亞熱帶季風帶交界處，容易受熱帶氣旋影響，對我國海上風力發電會造成一定的影響[14]。

為了有效利用沿海風能，我國將沿海地區劃分為三級風區[15]：

第一級為“風能豐富區”，即年平均有效風能密度大于200 W/m2，有效風速（3～20 m/s）時數年累積小時大于5 000 h的區域。

第二級為“風能較豐富區”，即風能密度150～200 W/m2，有效風速時數年累積小時為4 000～5 000 h的區域。

第三級為“風能可利用區”，即風能密度50～150 W/m2，有效風速時數年累積小時為2 000～4 000 h的區域。

除此之外，根據中國氣象科學研究院估計，中國10 m高度層實際可開發的風能儲量為2.53億kW，而近海可開發風能資源是陸地的3倍多[16]，故我國可開發利用的風能資源初步估算約為1 000 GW，其中海上可開發和利用的風能儲量約750 GW。

但我國海上風電建設起步較晚，2008年才開始建設我國第一個大型海上風電場。

2009年，我國東海大橋海上示范風電場建成投產;2012年底，我國海上風電場累計裝機容量接近40萬kW;受海域使用等因素影響，2013年，我國海上風電發展放緩;2014年，我國海上風電新增并網容量約為20萬kW;截至2016年底，我國海上風電累計裝機容量達162萬kW，海上風電占全國風電總裝機容量的比重為0.96%[17]。

3.3? ? 沿海風能資源的利用

目前，我國東部沿海地區對風能利用效果較為顯著。

以福建省為例，由于臺灣海峽的“狹管效應”，福建省擁有豐富的風能資源。

2000年起，福建省先后在平潭、東山、莆田、漳州等地建成商業化運行風力發電場。

截至2018年底，福建省已建成投產風電項目7個，累計安裝風電機組176臺，裝機總量達23 375萬kW，累計發電304億kWh。

此外，江蘇、上海等風能資源豐富的沿海地區已經形成百萬千瓦級的風電基地，風力發電裝機容量要達到60萬kW以上，預計占該地區發電總量的2%[18]。

到2020年，我國海上風電并網目標為5 GW，累計開工目標為10.05 GW[19]。

2020年全國海上風電開發布局如表1所示。

此外，我國還建立了以數值天氣預報為基礎，基于人工神經網絡的風電功率預測系統，能夠依據特定風電機組或風場發電量的歷史數據對輸出數據進行修正，以預測未來建立風電場的風電功率[20]。

為了進一步掌握沿海地區海上風能資源轉變情況，對沿海地區風能利用有更長遠的規劃，陳飛等[21]利用連云港市30多年的氣象資料，分析了連云港地區及其近海的風能資源分布特征，發現該地區風能資源儲量豐富，風速變化穩定，有著廣闊的風能資源開發前景;毛慧琴等[22]利用廣東省86個氣象站歷史測風資料以及沿海72個風能測風塔臨時觀測資料，對廣東省及沿海的風能資源進行了分析;楊麗芬等[23]曾利用海洋站觀測資料，對龍口的風能資源進行分析，結果表明，龍口年平均風能密度為377 W/m2，年平均有效小時數為7 589 h，主風向較為顯著，適于風力發電。

3.4? ? 海上風機支撐技術

海上風機是在陸地風機基礎上，針對海上風環境進行適應性改造而誕生發展的。海上年平均風速明顯大于陸地，歐洲對北海的研究表明，離岸10 km的海上風速比岸上至少高25%[24]。

目前，海上風機的支撐技術主要有底部固定式支撐和懸浮式支撐兩大類[25]。

其中，底部固定式支撐又分為重力沉箱基礎、單樁基礎和三腳架基礎。

（1）重力沉箱基礎。

重力沉箱基礎是依靠箱體自重使風機直立在海面上的一種技術，該技術應用水深通常小于10 m。

（2）單樁基礎。

單樁基礎是以一個直徑在3～4.5 m的鋼樁為基礎，鋼樁安裝在海床下18～25 m的地方，以固定風機，將風塔伸到水下及海床內。該技術應用水深通常小于25 m。

（3）三腳架基礎。

三腳架是在風塔下面的鋼樁利用三腳鋼套管形成一些三腳鋼架，承擔和傳遞來自塔身的載荷。該技術應用水深通常在10～20 m。

懸浮式支撐技術主要有浮筒式支撐和半浸入式支撐。

（1）浮筒式支撐。

浮筒式支撐是由8根與海床相連的纜索固定，并使風機塔桿通過螺栓與浮筒相連。

（2）半浸入式支撐。

半浸入式主體支撐結構浸于水中，通過纜索與海底的錨錠連接。該形式受波浪干擾較小，較為穩定。

4? ? 我國風力發電存在的問題與挑戰

近年來，我國風電產業蓬勃發展，無論是從裝機容量還是從發展規模來看，都已躋身于世界風電大國的行列，風電技術也取得了很大進步。

但是在風電發展中也出現了許多問題：

4.1? ? 棄風限電問題

大規模風電的消納一直都是世界性難題，我國在這方面的問題更加突出。由于我國風電發展路線以集中建風電場為主，幾十臺甚至幾百臺并網的風電場造成了上網消納風電的困境[26]。

而且風電資源較為豐富的地區，一般是經濟比較落后的地區，用電量不大，就地消納比較困難，造成了棄風限電問題。

4.2? ? 風電并網問題

風力發電是一種新的發電方式，風能具有的不穩定性加上風機的抗干擾能力較差會導致風電輸出不均衡、風力發電輸出功率不穩定等問題。

風電并網特別是大規模風力發電的風電并網，會導致電網負荷增大、穩定性降低、故障增加等問題。

4.3? ? 電力儲存技術薄弱

風電屬于新興產業，而前期研發投入不足，導致了風電儲存技術并不成熟。前面提到的風電消納問題，可以通過外送的方式來解決。風電外送的手段除了建設超高壓電網外，就是大規模電力儲存技術的應用。

目前，儲能技術雖然發展比較迅速，但這項技術還不夠完善，成為了制約風電發展的一個重要因素[27]。

4.4? ? 產業結構不完善

我國風電的發展起步較晚，國家對風電行業還沒有制定相應的技術標準，風電企業還沒有相對應的標準約束，導致風電企業根據政策盲目跟風、盲目競爭，制約了我國風電的發展。

4.5? ? 風力發電機安全性能不足

雖然國家和企業開始高度重視風力發電技術，但在安全性能方面并沒有過多關注，無法保證發電機組的安全性與穩定性，甚至部分設備存在一定的安全隱患，導致風力發電機安全性不足，故障頻發，不僅導致了額外的維修費用，而且在一定程度上阻礙了風電的發展。

4.6? ? 資金不足

由于風電投入大，回報時間相對較長，而電價由政府制定，電價較低，導致了風電項目收益太少，甚至虧損，每年只能依靠國家補貼勉強維持[28]，因此資金不足也制約著風電發展。

5? ? 我國風電發展前景展望

隨著傳統能源的不斷消耗，國際上對探尋新能源的呼聲也越來越高，因此我國對新能源發展的支持力度也越來越大，對風電的發展也給予了許多的政策傾斜，所以風電的發展十分迅速，可以說發展前景一片大好。

目前，風電的發展已經初具規模，裝機容量不斷增加，電能產量不斷提高，但在未來的發展過程中，裝機容量還要進一步增加，同時要加大力度研發風電相關技術，提高風電的發電效率與穩定性，使風電在總發電量中的比重不斷提高，成為我國電力系統的重要組成部分。

此外，海上風力資源豐富，甚至比陸地風力資源更為豐富，因此，海上風電和陸地風電并舉能對風電的發展起到極大的促進作用。

在未來的風電發展中，還要繼續優化風電發展，加強對電力儲存技術的研究與開發，使其能大規模應用于風電建設;同時，要加快輸送電網的建設進程，并結合地理因素以及電網分布情況對其進行合理布局。

在未來的風電發展中，還應重視風電產品的安全性能，加強對現有風電產品的檢測與維修，重視風電產品研制與生產，逐漸替代原有的一批國外進口的風電產品，以降低維修費用。

與此同時，由于風電成本在發展初期較高，國家應制定相應的發展政策，加大對風電產業特別是經濟較為落后地區風電產業的資金與技術支持力度。

同時，在風電定價方面，國家應學習國外的定價策略，采取一些靈活的政策，鼓勵風電的可持續穩步發展[27]。國家還應對風電行業制定技術標準，對風電企業進行更為完善的標準約束，使風電企業的技術不斷優化升級，對其進行精細化管理，使其易于接軌國際風電市場[27]。

總而言之，由于我國在發展風電方面具有良好的優勢，而且風電具有良好的環境效益，再加上風力發電成本的逐步降低，風電必將成為我國新能源發電的領跑者。

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收稿日期：2020-06-08

作者簡介：李昊璋（1999—），男，天津人，研究方向：垂直軸風力發電機。