鄧德衛(wèi) 金珊珊

（國網(wǎng)江西省電力公司萍鄉(xiāng)供電分公司）

風(fēng)力發(fā)電全球互聯(lián)可行性分析

鄧德衛(wèi) 金珊珊

（國網(wǎng)江西省電力公司萍鄉(xiāng)供電分公司）

全球性的能源危機(jī)與環(huán)境污染使清潔、可再生能源的開發(fā)和利用得到廣泛關(guān)注，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更大范圍內(nèi)的風(fēng)能獲取和使用成為新能源研究的重點(diǎn)課題之一。本文從風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)、電能輸送技術(shù)和經(jīng)濟(jì)、邊緣政治角度分析風(fēng)力發(fā)電全球互聯(lián)可行性，對推進(jìn)全球范圍內(nèi)的風(fēng)能開發(fā)和利用具有重大方向性參考意義。

風(fēng)力發(fā)電；全球互聯(lián)；電能替代；輸送技術(shù)

0 引言

當(dāng)前，國際秩序相對穩(wěn)定，世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，各發(fā)展中國家正加快腳步追趕發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，世界各國對于能源的需求量呈直線上升。全球能源利用以石油、煤炭、天然氣等化石能源為主，水能、風(fēng)能、太陽能、海洋能等清潔能源為輔。全球化石能源資源雖然儲(chǔ)量大，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的大規(guī)模開發(fā)利用，儲(chǔ)存總量正在逐步減少且其非可再生，化石能源即將面臨枯竭的命運(yùn)。截至2013年，全球探明可采的石油、煤炭、天然氣儲(chǔ)量分別為2382億t、8915億t、186萬億m3，按照目前世界平均開采的強(qiáng)度，全球煤炭、石油、天然氣分別可開采113年、53年和55年。能源短缺是當(dāng)前世界各國亟需解決的難題，石油、煤炭、天然氣等化石能源的消耗，為環(huán)境污染的治理帶來了沉重壓力，能源和環(huán)境問題給世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來的影響日益凸顯。

2014年，中電聯(lián)理事長、國家電網(wǎng)公司董事長劉振亞提出了“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展構(gòu)想，全面推進(jìn)“兩個(gè)替代”，以提供更安全、更高效、更清潔、可持續(xù)的能源供應(yīng)。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)、控制技術(shù)和信息技術(shù)，以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為主要載體，由跨洲、跨國骨干網(wǎng)架和各國各電壓等級電網(wǎng)構(gòu)成，連接“一極一道”（北極、赤道）大型能源基地，適應(yīng)各種集中式、分布式電源，能夠?qū)L(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生能源輸送到各類用戶的安全性高、可靠性好、配置能力強(qiáng)、綠色低碳的新一代全球能源系統(tǒng)。本文基于“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想，從風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、電能輸送技術(shù)和經(jīng)濟(jì)、邊緣政治角度分析風(fēng)力發(fā)電全球互聯(lián)可行性。

1 電關(guān)鍵技術(shù)

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢與劣勢

常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有永磁直驅(qū)全功率變換發(fā)電機(jī)組、雙饋感應(yīng)電機(jī)發(fā)電機(jī)組和鼠籠感應(yīng)電機(jī)全功率發(fā)電機(jī)組[1]。

1）永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)采用風(fēng)力機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，發(fā)出的電能經(jīng)全功率變流器變換后并網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)組通過變流器的控制，可以跟蹤風(fēng)速的變化最大可能地捕獲風(fēng)能，并且可實(shí)現(xiàn)柔性輸電，控制輸出電能的功率因數(shù)，機(jī)組的故障穿越能力強(qiáng)、并網(wǎng)特性好。而缺點(diǎn)是體積大、不易安裝施工、變流器造價(jià)較高。

2）雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組則通過變流器控制感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，在感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁，使得發(fā)電機(jī)能夠根據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時(shí)跟蹤最大風(fēng)能點(diǎn)捕捉風(fēng)能，同時(shí)發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接連接電網(wǎng)恒頻輸出電能，且轉(zhuǎn)子速度變化范圍一般在30%左右，因此變流器容量大大降低，節(jié)約成本。但雙饋電機(jī)存在電刷和滑環(huán)，使得功率的提升受到了限制，機(jī)組維護(hù)的難度增大，同時(shí)電能輸出質(zhì)量受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響大。

3）鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)相對于前兩種機(jī)組而言是結(jié)構(gòu)最為簡單的一種機(jī)組，此種電機(jī)可以做到功率很大，達(dá)到幾兆瓦，電機(jī)的定子側(cè)與全功率頻率變流器（雙PWM逆變器等）相連，風(fēng)力機(jī)經(jīng)過齒輪箱變速后帶動(dòng)感應(yīng)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能經(jīng)頻率變流器變換后并入電網(wǎng)，鼠籠式發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)的變流器可以跟蹤風(fēng)速的變化，加入相應(yīng)算法（如爬山法等）捕獲最大風(fēng)能[2]。鼠籠式發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)經(jīng)變流器完全隔離，并且通過對變流器的控制可以實(shí)現(xiàn)對電能的柔性接入，電網(wǎng)故障穿越能力強(qiáng)、并網(wǎng)特性好。但是由于鼠籠式發(fā)電機(jī)使用的也是全功率變流器，當(dāng)機(jī)組容量增大時(shí)，變流器成本相對較高[3]。

目前綜合各類發(fā)電機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)，多繞組電機(jī)和多相電機(jī)逐漸應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其機(jī)組既可以滿足發(fā)電系統(tǒng)大容量運(yùn)行，又可實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)經(jīng)變流器完全隔離，并且通過對變流器的控制可以實(shí)現(xiàn)對電能的柔性接入，是大容量風(fēng)電系統(tǒng)可行的較優(yōu)方案。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力

低電壓穿越LVRT，指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而穿越這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）[4]。目前，實(shí)際風(fēng)力發(fā)電廠所應(yīng)用的全功率變流器本身對低電壓穿越具有一定的耐受力（如湖南湘電集團(tuán)生產(chǎn)的1.5MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組），輔之以相應(yīng)的卸荷策略，取得了令人滿意的效果，達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的效果。

1.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出能力

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出能力一直廣受詬病，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率受自然條件的影響較大，甚至在天氣較為惡劣時(shí)風(fēng)電機(jī)組將停止運(yùn)行，無法保證足夠的電能輸出滿足用戶的用電需求。而風(fēng)電全球互聯(lián)正好可以彌補(bǔ)這一缺陷，全球的風(fēng)電資源主要分布于中國“三北”和內(nèi)蒙、俄羅斯北部、中亞風(fēng)電基地（主要為哈薩克斯坦）、蒙古國風(fēng)電、印度西部的古吉拉特邦和拉賈斯坦、北海及格陵蘭島周邊海域、美國中西部、南美北部和南部、非洲東部和西北部、澳大利亞東部沿海等。全球風(fēng)能資源跨區(qū)大分布廣泛（跨經(jīng)度、緯度大），所有風(fēng)電資源聯(lián)網(wǎng)即能形成穩(wěn)定的電能輸出，當(dāng)然這需要堅(jiān)強(qiáng)的輸電網(wǎng)絡(luò)支撐。

2 電能輸送技術(shù)

1000kV（1100、1150kV）和1500kV電壓等級特高壓輸電工程可行性研究和特高壓輸電技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)60年代末，目前中國國家電網(wǎng)公司已經(jīng)有3項(xiàng)1000kV高壓交流工程和4項(xiàng)±800kV高壓直流工程實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)超過2000km的電能輸送。預(yù)計(jì)2018年前后，±1100kV高壓直流輸電技術(shù)在工程上的應(yīng)用，輸電距離將突破5000km，輸電容量可達(dá)1200萬kW。全球風(fēng)電互聯(lián)距離上的難題正被逐漸化解，輸送距離初步可滿足風(fēng)電互聯(lián)的要求。

絕緣材料在特殊氣候條件的使用性將是下一個(gè)將要攻克的難題，蒙古國風(fēng)電、北海及格陵蘭島周邊海域、俄羅斯北部這些地區(qū)蘊(yùn)含的風(fēng)能資源非常豐富，而氣候卻相對來說非常惡劣，目前特高壓設(shè)備所能正常工作的環(huán)境溫度為－50℃到+60℃之間，個(gè)別風(fēng)能蘊(yùn)含區(qū)的氣溫則超出了上述范圍，但大部分風(fēng)能蘊(yùn)含區(qū)尚能滿足特高壓應(yīng)用技術(shù)，在今后的20年間，新材料應(yīng)用的突破將解決這一少部分問題，相連洲間電網(wǎng)互聯(lián)成為可能，已不存在技術(shù)上的難題?？缰蘅缪箝g的電網(wǎng)互聯(lián)，海底電纜技術(shù)和超導(dǎo)輸電技術(shù)也將給予風(fēng)電互聯(lián)強(qiáng)力的支撐。

3 風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)和政治因素分析

2010年之前，在一般正常條件下，測算風(fēng)力發(fā)電成本與煤電發(fā)電成本比較，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)營平均成本一般為0.32元/kWh，上網(wǎng)電價(jià)包含增值稅為0.64元/ kWh，不含增值稅為0.55元/kWh，發(fā)電成本比煤高出30%～60%。對風(fēng)電和煤電的固定資產(chǎn)折舊費(fèi)和機(jī)組維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行比較也可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電高出后者20%～22%，這也是風(fēng)力發(fā)電成本略高的根本原因。2016年以來世界各國對風(fēng)力發(fā)電給予高度重視，相應(yīng)出臺(tái)一系列的輔助性政策，大幅降低風(fēng)電建設(shè)稅收，特別是歐洲地區(qū)，使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一直走在世界的前列。稅收的降低，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造的技術(shù)提高以及控制系統(tǒng)的策略優(yōu)化，風(fēng)力發(fā)電的競爭力進(jìn)一步加強(qiáng)。在傳統(tǒng)化石能源面臨枯竭的前提下，風(fēng)力發(fā)電具有非常優(yōu)越的發(fā)展條件。

能源制約著國家的發(fā)展與安全，世界能源蘊(yùn)含豐富地區(qū)也即是邊緣政治地區(qū)，如中東、里海、俄羅斯以及非洲，在世界石油儲(chǔ)藏的地緣政治版圖上，形成了一個(gè)從北非的馬格里布到波斯灣、里海、俄羅斯的西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)的巨大的帶狀區(qū)域， 在這個(gè)帶狀區(qū)域之內(nèi)幾乎儲(chǔ)藏世界上的石油資源，同時(shí)這些地區(qū)的國家政治也相對最不穩(wěn)定，資源掠奪戰(zhàn)爭時(shí)有發(fā)生，如伊拉克、阿富汗等。

傳統(tǒng)化石能源面臨枯竭，可再生能源也將成為政治家們下一步戰(zhàn)略規(guī)劃爭奪的對象[5]。而風(fēng)能作為一種可再生能源具有可再生能源的共性，它無法進(jìn)行常規(guī)意義上的搶占和搬運(yùn)，并且分布具有較強(qiáng)區(qū)域性，使得世界各國在風(fēng)能利用上達(dá)成共識(shí)，只有打破各個(gè)國家之間的政治壁壘，相互合作，才有可能實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的共同開發(fā)利用。目前世界區(qū)域電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)互聯(lián)如北美互聯(lián)電網(wǎng)、歐洲互聯(lián)電網(wǎng)、俄羅斯-波羅的?；ヂ?lián)電網(wǎng)、非洲南部互聯(lián)電網(wǎng)、海灣地區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)、南美洲互聯(lián)電網(wǎng)、中美洲互聯(lián)電網(wǎng)等，世界電網(wǎng)已步入?yún)^(qū)域互聯(lián)時(shí)代。如果各區(qū)域電網(wǎng)共同努力，建立完善的風(fēng)電交易市場和交易機(jī)制，指定統(tǒng)一的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)或者通過直流輸電環(huán)節(jié)將個(gè)區(qū)域電網(wǎng)連接，風(fēng)電的利用將具有蓬勃的生命力。

[1] 姚興佳，王士榮，董麗萍. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)講座(一)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 可再生能源，2014(1):86-88.

[2] Grandi G， Serra G，Tani A. General analysis of multi-phase systems based on space vector approach[C]. Power Electronics and Motion Control Conference[J]， 2006. EPEPE-MC 2006. 12th International. IEEE，2006: 834-840.

[3] Rodríguez J， Bernet S， Wu B， et al. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives[J]. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，200 7，54(6): 2930-2945.

[4] 關(guān)宏亮，趙海翔，王偉勝，等. 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22( 10):173-177．

[5] 中國電力科學(xué)研究院. 中國電網(wǎng)發(fā)展779號(hào)國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國風(fēng)能信息中心，2009．

2016-12-01）