中德風電發(fā)展的比較與分析

尹 明王成山葛旭波張義斌

（1. 國網(wǎng)能源研究院 北京 100052 2. 天津大學電氣與自動化工程學院 天津 300072）

中德風電發(fā)展的比較與分析

尹 明1,2王成山2葛旭波1張義斌1

（1. 國網(wǎng)能源研究院 北京 100052 2. 天津大學電氣與自動化工程學院 天津 300072）

近年來，隨著我國風電事業(yè)的迅速發(fā)展，將會在技術上、管理上遇到各種問題。在客觀認識我國國情基礎上，充分借鑒風電發(fā)達國家的成功發(fā)展經(jīng)驗，是解決這些問題的有益途徑。本文分析了中、德兩國風電發(fā)展歷程，從風電的作用、發(fā)展模式、面臨的問題三方面比較了兩國風電發(fā)展的特點，并指出未來我國風電事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，需要風電與電力系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃、科學的標準規(guī)范以及完善的政策法規(guī)體系。

風力發(fā)電 發(fā)展模式 比較 規(guī)劃 智能電網(wǎng)

1 引言

近年來，隨著全球能源安全和環(huán)境保護問題的日益突出，風電作為技術成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電技術在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展[1]。由于風能資源分布、風機技術水平、政策導向和負荷需求的差異，世界各國風電發(fā)展呈現(xiàn)出多樣性特點。德國作為世界上風電發(fā)展較早、規(guī)模最大、技術最發(fā)達的國家之一，在風電管理、規(guī)劃、建設和運營等方面，已積累了大量經(jīng)驗。在我國，發(fā)展風電已成為應對氣候變化，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要舉措。從2005～2008年，風電裝機連續(xù) 3年實現(xiàn)翻番式增長[2]。在快速發(fā)展過程中，我國風電事業(yè)將會在技術上、管理上遇到各種各樣的問題。如何避免和解決這些問題就成為了一個十分緊迫的課題。在客觀認識我國國情基礎上，充分借鑒風電發(fā)達國家的成功發(fā)展經(jīng)驗，是一條有益的途徑。

本文將我國和德國風電進行了深入比較，在分析各自發(fā)展歷程基礎上，從風電的作用、發(fā)展模式、面臨的問題三方面比較了兩國風電發(fā)展的特點，繼而對我國風電發(fā)展提出了相關建議。

2 我國和德國的風電發(fā)展歷程

2.1 德國風電發(fā)展歷程

德國政府為了促進風電的發(fā)展，制定了一系列相關法規(guī)、政策。這些法規(guī)政策一方面支持風機制造商進行高新技術研發(fā)，降低風電投資成本；另一方面在保證風電投資者正常投資收益的前提下，調(diào)動其開發(fā)風電的積極性。

自20世紀90年代初以來，德國風電發(fā)展快速。2000年底，其累計風電裝機容量為 609.5萬 kW；2008年新增風電裝機172.6萬kW，累計風電裝機達到2390.3萬kW，居世界第二位。在2007年以前，德國已多年在風電總裝機容量方面位居世界第一。圖1給出了從2004～2008年德國的累積風電裝機容量變化情況[3]。

圖1 2004～2008年德國風電裝機容量Fig.1 Germany’s wind turbine capacity in 2004～2008

德國風電設備制造水平高，擁有 Enercon、Siemens、Nordex等多家國際知名制造商。在德國可以生產(chǎn) 5MW機組時，我國生產(chǎn)的最大機組只有750kW。目前Enercon生產(chǎn)的6MW E126機組已在Emdon投入運行[4]。

2.2 我國風電發(fā)展歷程

我國風力發(fā)電始于20世紀80年代，發(fā)展相對滯后，但起點較高，主要經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段。

第一階段（1985～1995年，試點階段）：利用丹麥、德國、西班牙政府貸款，建設小型示范項目，如我國的第一個風電場—山東榮成馬蘭風電場。

第二階段（1995～2003年，探索階段）：在第一階段取得的成果基礎上，我國各級政府相繼出臺了各種優(yōu)惠的鼓勵政策。

第三階段（2003年～至今，高速發(fā)展階段）：國家發(fā)展和改革委員會通過風電特許權經(jīng)營，下放5萬 kW 以下風電項目審批權，制定了國內(nèi)風電項目國產(chǎn)化比例不小于70%等優(yōu)惠政策。

2008年底我國風電累積裝機達到1221萬kW，位居世界第四。圖2給出了從2004～2008年我國累積風電裝機容量變化情況[2]。比較圖1和圖2可知，2004～2008年期間，德國累積風電裝機共增長了29.8%（遠低于近十年全球年均31.9%的增長速度），而我國增長了近15倍！這表明，我國風電近五年來正處于快速發(fā)展階段，市場增量空間巨大。

我國風電機組制造企業(yè)從2004年只有6家，快速發(fā)展到2008年的70家左右，基本掌握了MW級風力發(fā)電機組制造技術，但是一些核心技術和設備仍要依賴進口。2008年累計市場份額：我國內(nèi)資與合資企業(yè)產(chǎn)品占 61.8%，外資企業(yè)產(chǎn)品占38.2%[5]。

3 我國和德國風電發(fā)展特點比較

由于中、德兩國在基本國情、資源條件、經(jīng)濟發(fā)展程度等方面存在較大差異，所以各自風電發(fā)展特點也不盡相同，主要體現(xiàn)在風電所起的作用、發(fā)展模式和面臨的主要問題三方面。

3.1 風電所起的作用

德國作為歐盟成員，其能源政策更強調(diào)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展，采取了限制核電、大火電發(fā)展，鼓勵風電、太陽能發(fā)電的政策。圖 3給出了 2008年歐盟27國新增裝機容量情況[6]。德國作為發(fā)達的工業(yè)化國家，經(jīng)濟發(fā)展進入相對穩(wěn)定時期，電力需求趨于飽和，市場增長空間有限。為了確保風電等可再生能源發(fā)展，政府為可再生能源發(fā)展提供資金支持和補貼，保障可再生能源發(fā)展所需的市場空間，確保所有用戶都可接入電網(wǎng)，并容易獲得可再生、高效、清潔能源等。德國在內(nèi)的歐盟國家已把風電作為了未來的主要能源支柱之一。歐洲可再生能源發(fā)展目標指出，2020年可再生能源比例大部分來自風能，即由目前的 6.5%提高到 20%[7]。德國 2007年可再生能源發(fā)電量占總電力供應的14%，2020年可再生能源將占總能源消費的25%～30%[8]。

我國經(jīng)濟正處于快速發(fā)展階段，電力需求旺盛，裝機增量空間大，預計我國2020年裝機需求將超過16億kW。然而，我國“多煤、少油、乏氣”的能源資源條件（一次能源消費中煤炭占70%左右，發(fā)電結(jié)構(gòu)中燃煤發(fā)電量占80%左右[9]），決定了在今后較長一段時期內(nèi)，煤電仍將占據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)的主體地位。隨著我國溫室氣體減排壓力的增加，國家在對已有發(fā)電設施進行以潔凈化為核心的技術改造的同時，在新增發(fā)電部分加大了對于風電在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)利用。風電等可再生能源發(fā)電將在改善電源結(jié)構(gòu)、應對氣候變化等方面發(fā)揮日益重要的作用。在2009年9月的聯(lián)合國氣候變化峰會開幕式上，我國鄭重承諾將“大力發(fā)展可再生能源和核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右”[10]。據(jù)估計，2020年我國風電裝機規(guī)模將超過 1億 kW。通過采取支持性政策，風電等可再生能源發(fā)電將獲得更大的市場發(fā)展空間，成為未來重要的電能來源。

圖3 2008年歐盟新增裝機容量Fig.3 EU’s new power capacity installed in 2008

3.2 風電發(fā)展模式

德國優(yōu)先開發(fā)距離負荷近、可就地平衡的風能資源，風電場大多分散接入110kV及以下電壓等級的電網(wǎng)（約占風電裝機總量的 70%）。其中，超過50MW的風電場基本接入110kV、60kV、30kV的電網(wǎng)，而容量較小的風電場則接入20kV、10kV電網(wǎng)，因此，前期建設的風電場大部分是分散接入的。德國《可再生能源法》（Renewable Energy Source Act，EEG）規(guī)定[11]，可再生能源可以優(yōu)先接入電網(wǎng)，德國的四個輸電運營商必須接收所有可再生能源發(fā)電。德國除聯(lián)邦政府所在地柏林外，其余15個州，尤其是臨海的3個州，陸上風能資源利用較充分，繼續(xù)建設陸上大型風電場的可能性很小。在這種情況下，德國通過兩種方法進一步開發(fā)風能：一是通過“Repowering”方法[12]，將大量早期容量小、效率低的機組更換為容量大、效率高的現(xiàn)代機組；二是大力發(fā)展海上風電[13]，近年來德國風電開發(fā)重點由陸地分散開發(fā)轉(zhuǎn)向海上大規(guī)模開發(fā)，如北海和波羅的海上風電。據(jù)預測到2020年，德國陸上和海上風電裝機將分別達到4500萬kW和1000萬kW。

我國風能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)（東北、華北和西北，占全國陸上風能的 85%）。未來，內(nèi)蒙古、甘肅、河北和新疆等地將建成若干個大型風電基地。這些風能資源富集區(qū)大多遠離負荷中心分布，具有規(guī)模大、分布集中的特點，并且多處于電網(wǎng)末端，當?shù)仉娋W(wǎng)薄弱，消納能力有限。風資源豐富的西部和北部地區(qū)，距離負荷集中的華東沿海地區(qū)約1200～2000km，而西北新疆風電富集區(qū)距離東部負荷中心有2000～3000km的距離。圖4給出了我國未來大型風電基地的分布情況。所以我國大部分風能開發(fā)需要采用遠距離、大容量、高電壓傳輸和全國范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置的發(fā)展模式。

圖4 我國未來風電基地分布Fig.4 Distribution of future wind bases in China

3.3 面臨的主要問題

德國風電發(fā)展面臨的主要問題是改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高風能開發(fā)利用效率的問題。在電源結(jié)構(gòu)方面，德國具有大量的水力、生物質(zhì)能、天然氣、燃油和抽水蓄能等適于調(diào)峰的靈活電源。另外在風電大發(fā)時，德國可將多余風電在UCTE電網(wǎng)實現(xiàn)跨國境轉(zhuǎn)移。圖5給出了德國風電大發(fā)時，風電在UCTE內(nèi)部轉(zhuǎn)移情況?？梢姡聡碾娫唇Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)互聯(lián)情況適應風電的大規(guī)模發(fā)展。但是在德國本身電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，目前風電的接入已導致部分110kV線路過載。隨著距離負荷較近的優(yōu)質(zhì)風資源開發(fā)殆盡，德國風能資源開發(fā)也有遠離南部負荷中心的趨勢，未來風電發(fā)展將通過220kV和380kV等更高電壓線路輸送，需要全國堅強電網(wǎng)的支持。2005年由德國能源署 dena主持開展了未來風電并網(wǎng)的相關規(guī)劃研究（dena Grid Study Ⅰ和dena Grid Study Ⅱ）[14]，包括對現(xiàn)有架空線的升級、建設新的超高壓線、采取控制潮流的措施及提供無功功率補償?shù)确矫娴难芯?。此外，dena繼續(xù)推進研究和開發(fā)海上風力及其輸送技術，為將來風電發(fā)展做好技術儲備。

在我國，風電發(fā)展面臨的主要問題是電源結(jié)構(gòu)單一造成的調(diào)峰問題和風電遠距離、大容量輸送帶來的經(jīng)濟性問題。首先，由于風電具有間歇性、隨機性的特點，大規(guī)模風電并網(wǎng)會明顯增大電網(wǎng)運行控制難度和安全穩(wěn)定運行風險，影響電力系統(tǒng)保持供需平衡的能力[15-18]。特別是，我國以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)中，缺少快速響應的靈活調(diào)節(jié)電源，調(diào)峰問題突出，成為電網(wǎng)接納風電的主要限制之一。其次，由于風力發(fā)電設備利用小時數(shù)低（據(jù)統(tǒng)計，2007年我國主要風電省份風電場的年利用小時數(shù)僅1787h[19]），大規(guī)模風電開發(fā)利用的經(jīng)濟性問題突出。在我國，大量的風電需要通過特高壓輸電實現(xiàn)遠距離、大容量輸送，輸送通道建設成本高，并且還將開展配套的電網(wǎng)改、擴建工程。然而建設使用風電專用通道經(jīng)濟性差。同時，在系統(tǒng)運行過程中，煤電等其他電源還需要承擔更多的調(diào)頻、調(diào)峰、電壓/無功調(diào)節(jié)等功能，造成電力系統(tǒng)運行成本增加。

4 德國風電發(fā)展對我國的啟示

由于我國風電事業(yè)起步晚、發(fā)展快、成熟期短，核心技術未完全掌握，相關法規(guī)政策不完善，所以風電大規(guī)模開發(fā)勢必會產(chǎn)生一些值得關注的問題。結(jié)合我國國情和風電發(fā)展的特點，德國風電發(fā)展的經(jīng)驗給我國的風電發(fā)展帶來以下啟示。

4.1 風電發(fā)展需要電力系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃

德國非常重視風電與電網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃問題。德國能源署（dena）開展了“電網(wǎng)研究Ⅰ、Ⅱ”（dena Grid StudyⅠ、Ⅱ）：針對2015年和2020年及以后風電等可再生能源的發(fā)展規(guī)劃分兩期對電網(wǎng)的適應性和建設改造進行了系統(tǒng)研究，組織輸電運營商及專家對輸電資產(chǎn)的優(yōu)化利用和電網(wǎng)長期規(guī)劃進行專題研究。第一階段成果dena Grid Study Ⅰ已于2005年3月出版，現(xiàn)正在進行第二階段dena Grid StudyⅡ的研究。dena Grid Study Ⅰ研究2015年前德國電網(wǎng)為接納更多風電所采取的擴展升級問題，提出新建850km長的380kV輸電線路，改造220kV的輸電線路，以及采用 FACTS技術中的移相器等措施。dena Grid Study Ⅱ著眼于2020年及以后，隨著海上風電、分布式發(fā)電（光伏發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等）技術的商業(yè)化，在考慮能源效率目標的情況下，對電網(wǎng)進行擴展升級，如采用高壓直流輸電、新建線路、動態(tài)載荷和儲能技術等。該項研究重點解決風電大發(fā)展情況下電網(wǎng)的中、長期規(guī)劃和風電并網(wǎng)影響的應對措施等。

反觀我國，風電發(fā)展偏重以資源定規(guī)劃，在鼓勵大規(guī)模風電開發(fā)的同時，對其送出和消納問題重視不夠。因此，我國應加強風電等可再生能源發(fā)電與電網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃和有序開發(fā)，突出堅強智能電網(wǎng)建設的引領作用。堅強智能電網(wǎng)是包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各個環(huán)節(jié)和各電壓等級的有機整體，具有堅強的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和靈活的運行方式[10,20]。堅強智能電網(wǎng)能夠顯著提高我國電網(wǎng)對風電等間歇性能源接入的適應性以及運行控制的靈活性、安全穩(wěn)定的可控性，增強電網(wǎng)優(yōu)化配置資源能力和抵御事故風險能力。一是將風電發(fā)展規(guī)劃與其他電源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)，強調(diào)因地制宜、統(tǒng)籌兼顧、合理布局、有序發(fā)展的原則，加快跨區(qū)電網(wǎng)建設，擴大風電消納范圍。二是優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)和布局，科學配置常規(guī)電源，合理規(guī)劃建設抽水蓄能電站等調(diào)峰電源建設，解決大規(guī)模風電并網(wǎng)引起的調(diào)峰問題。三是合理安排風電開發(fā)建設時序，避免風電項目的無序開發(fā)，實現(xiàn)風電的科學有序發(fā)展。四是加強風電并網(wǎng)技術研究，特別是針對與我國風電發(fā)展模式緊密相關的技術，例如風電與火電、水電等“打捆”送出技術研究，常規(guī)電源的深度調(diào)峰技術，風功率預測技術，適用于風電輸送的新型輸電技術（如 VSC-HVDC[21-22]等），以及考慮風電的電網(wǎng)調(diào)度技術、安全穩(wěn)定控制技術等。

4.2 科學的標準規(guī)范是風電發(fā)展的有力支撐

縱覽德國風電發(fā)展，科學的技術標準和檢測認證制度提供了重要支撐作用。

首先，德國針對大規(guī)模風電并網(wǎng)制定了一系列的技術標準和規(guī)范，并且德國技術規(guī)范的要求高于國際電工委員會（IEC）標準。2008年德國頒布的《可再生能源法》規(guī)定，所有新裝風電機組都應滿足風電并網(wǎng)導則的規(guī)定，包括低壓穿越能力、功率控制能力等。我國當前采用的風電場接入技術標準（GB/Z 1996～2005）主要針對小型風電場接入電網(wǎng)制定的，且并不是強制性標準[23]，在很多方面都不能滿足風電大規(guī)模開發(fā)的要求。例如，我國技術標準未對風電場的低壓穿越能力做出規(guī)定，運行頻率、無功功率、有功功率控制等要求偏低[24]。所以我國應盡快修訂和出臺科學合理的、具有強制性的技術標準和管理規(guī)定，并應嚴格執(zhí)行。

其次，德國建立了完善的風電發(fā)電并網(wǎng)檢測認證制度，對風電有明確的入網(wǎng)檢測和認證規(guī)定，包括風電機組的入網(wǎng)檢測和大型風電場的并網(wǎng)運行檢測評價等。以此保證風電機組性能和風電場運行特性滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求，提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性。德國風能研究所DEWI是國際認可的檢測和認證機構(gòu)[25]。檢測認證的內(nèi)容包括風電機組特性檢測、并網(wǎng)檢測和風電場并網(wǎng)測試三部分。下表列出了具體檢測項目。而我國風電發(fā)電設備并網(wǎng)檢測和認證環(huán)節(jié)缺失，新產(chǎn)品未經(jīng)嚴格論證、檢測、試運就大規(guī)模投入商業(yè)化批量生產(chǎn)，風機本身質(zhì)量難以得到保證，并可能會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來隱患。建議加快建設國家風電研究檢測中心，嚴格并網(wǎng)檢測認證制度。

表 德國DEWI風電檢測內(nèi)容Tab. Test items by DEWI of Germany

4.3 完善的政策法規(guī)體系是風電發(fā)展的保障

德國注重風電政策法規(guī)的導向作用，并根據(jù)發(fā)展實際，適時調(diào)整。在風電發(fā)展初期，德國就著手制定了相關法規(guī)體系。在風電發(fā)展到一定規(guī)模后，根據(jù)風電技術水平、電網(wǎng)規(guī)劃和運行等情況，及時進行風電評估，對相關政策法規(guī)進行修訂，并強調(diào)其強制性，以通過嚴格的政策要求、電網(wǎng)規(guī)劃、檢測認證、標準制訂促進風電技術進步。1991年，德國出臺《可再生能源購電法》（feed-in law），強制要求公用電力公司收購可再生能源電力；2000年，《可再生能源法》代替《可再生能源購電法》，規(guī)定可再生能源可以優(yōu)先接入電網(wǎng)；2009年實施的《可再生能源法修正案》，對收購電價和風機技術要求進行了修改。例如，該法案要求新風電機組必須滿足輸電導則和中壓電網(wǎng)技術規(guī)范要求；已經(jīng)并網(wǎng)運行且不能滿足新并網(wǎng)導則要求的老舊機組，限期進行改造。在電價上，針對新機組和老舊改造機組分別制定了補貼政策，支持鼓勵老舊機組技術改造以滿足并網(wǎng)導則要求。

隨著我國大規(guī)模風電的快速發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中所處地位正發(fā)生著重大變化。相關政策法規(guī)也應隨著風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，適時進行相應調(diào)整，充分發(fā)揮法規(guī)體系的導向作用。通過法規(guī)體系的不斷完善和技術的不斷進步，促進風電機組和風電場技術性能達到或接近常規(guī)機組和常規(guī)電源的性能，推動風電產(chǎn)業(yè)和整個電力系統(tǒng)的健康、協(xié)調(diào)發(fā)展，保證能源戰(zhàn)略的有效實施。一是從法律層面強化國家規(guī)劃對地方規(guī)劃的指導調(diào)控作用，強調(diào)風電發(fā)展規(guī)劃必須要與電網(wǎng)建設規(guī)劃相統(tǒng)籌。二是完善風電“全額收購”政策。在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行條件下，對風電執(zhí)行全額收購，在必要條件下，應允許風電參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻。如德國的輸電系統(tǒng)運營商E.on公司提出的發(fā)電管理規(guī)定中，允許臨時降低風電機組出力，必要時風電應參與系統(tǒng)調(diào)峰[26]。三是兼顧利益相關方的合法權益。隨著風電的大量開發(fā)，政策制定者也應關注風電對電網(wǎng)建設運行成本、對其他能源發(fā)電的效率和效益的影響等問題。

5 結(jié)論

本文在比較了中、德兩國風電發(fā)展歷程的基礎上，從風電所起的作用、發(fā)展模式和面臨的主要問題三方面深入對比了兩國之間風電發(fā)展特點。未來我國風電事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，需要以風電與電力系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃作前提，需要以科學的標準規(guī)范作支撐，還需要以完善的政策法規(guī)體系作保障。結(jié)合我國的能源資源分布和消費的基本國情，正確認識我國風電開發(fā)的特點，充分借鑒國外風電發(fā)達國家的經(jīng)驗，對于實現(xiàn)我國風電的科學、有序、持續(xù)、健康發(fā)展，將是十分有益的。

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Comparison and Analysis of Wind Power Development Between China and Germany

Yin Ming1,2Wang Chengshan2Ge Xubo1Zhang Yibin1
(1. State Grid Energy Research Institute Beijing 100052 China 2. Tianjin University Tianjin 300072 China)

China’s wind power industry develops rapidly in recent years. Probably, some problems, either technological or managerial, will emerge. One approach to coping with the problems is to resort to the successful experiences of the advanced-in-wind-industry countries based on understanding of China’s basic conditions. The paper analyzes the developing history of China and Germany in wind power industry and compares the characteristics of wind power industry in terms of function, development mode and the problems faced. Finally, the paper points out that the healthy sustainable development of China’s future wind power industry needs unified planning for both wind power and grids, scientific technical standards and grid codes, and complete policy systems.

Wind power generation, development mode, comparison, planning, smart grid

TM715

尹 明 男，1974年生，博士，副教授，研究方向包括電力系統(tǒng)規(guī)劃、風力發(fā)電、智能電網(wǎng)等。

2009-10-15 改稿日期 2010-03-09

王成山 男，1962年生，博士，教授，博士生導師，研究方向包括電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃、電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性等。