以风—水互补方式促进我国风电产业发展

2013-01-28白桦迟凤岭胡琼静

中国软科学 2013年1期

白桦，迟凤岭，胡琼静

(1.四川大学经济学院四川成都610054，2.中国科学技术发展战略研究院，北京100038)

发展可再生能源是推动绿色经济、实现可持续发展的重要途径，当前，在各类可再生能源中最具实用前景的是风能和太阳能。但是太阳能发电成本大约是风能发电的6－10倍，制约了对太阳能光伏发电的需求，由于风电具备洁净、可再生、成本低廉等特点，全球已有70多个国家在大力发展风电。目前，风力发电已经成为世界上公认的最接近大规模商业化的可再生能源技术之一。据全球风能理事会(GWEC)及风电行业咨询公司BTM统计，近10年以来，全球风力发电市场进入高增长通道，保持了年均25%的增长速度，2009年增速高达到31%。2009年总装机容量新增3.75万MW，累计达到15.79万MW［1］。风电产业作为战略性新兴产业受到许多专家学者的关注，他们在电源和电网结构、运行方式、风电利用模式、风电溢价制度、强化系统调峰能力、建立电力控制中心、借鉴国际经验等角度对促进风电发展和提高风电利用率提出了相应的建议［2－4］。但现有研究中缺乏专门对我国风力发电与水力发电在大范围、跨区域实现远距离协调互补的可行性分析研究，为解决近年来我国风电产业高速发展中由于产业链前后端发展不平衡出现的后端阻塞现象，本文在研究分析我国风力发电和水力发电现状以及风电产业发展模式、阶段、技术路径的基础上提出了相关建议，供政府有关部门制定产业政策参考。

一、我国风－水发电产业发展现状

(一)风力发电面临的挑战

据《中国风能资源评价报告》测算，中国可开发的陆地风能资源大约为2.5亿千瓦，可利用的海洋风能资源大约为7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦［5］，蕴藏的风力资源仅次于前苏联和美国，居全球第三位［6］。

在国家发展新能源政策的扶持引导下，近年来我国风电产业实现了超常规发展，2010年，中国风电新增装机容量达到18928兆瓦，累计装机容量达到44733兆瓦，居全球第一位［7］。但是，我国风电发展也面临巨大的挑战:

(1)我国对风电的潜在需求还未形成拉动产业发展的实际市场需求，原因主要有两方面:一是电价过高;二是基础设施和服务体系不完善。发展风力发电对电网建设、风电场配套蓄电、蓄能装置等基础设施和服务体系提出了新的要求。相对于常规发电方式，风电具有间歇性、随机性和波动性。风电场出力不稳，给电网调度、调峰、安全等带来一系列问题。

(2)我国陆地风场主要集中在“三北”地区，而用电需求量最大的却是经济发展较快的东南部地区。风场与电力需求逆向分布的格局增加了电网调度的难度，提高了对电网远距离、高电压输电的技术要求。

(3)先进关键技术尚有一定的差距。存在“整机制造在国内、关键技术和关键设备主要在国外”的结构性问题。生产企业“两头在外”的生产方式只能在全球产业链的低端组织生产，限制了产品向高端升级的空间，阻碍了产业的进一步发展［8］。我国能源领域获得的国家级项目经费中，用于支持新能源领域的经费在20%以下［9］。2010年1－9月，美国对新能源企业的现金补贴达46亿美元，其中风电企业30亿美元。我国与发达国家相比公共财政研发投入严重不足。

随着国外风力发电新技术的不断涌现，未来国际市场的竞争将更加激烈，而我国风电产业还处在引进消化吸收的跟进阶段，总体自主创新能力薄弱，技术落后的状况尚未改变。同时，由于风力发电自身的特殊性，风电产业下游存在电力输出和消费瓶颈，严重制约了风电产业的健康发展。根据国家电网数据，截至2010年年底，中国风电并网容量2956万千瓦［10］。以此计算我国并网风电占装机容量的比例不超过70%。电监会的数据显示2009年1月至2010年6月，仅内蒙古一省未收购风电电量就达到21.0亿千瓦时，吉林、河北、甘肃、黑龙江未收购风电电量均在3亿千瓦时左右。这一问题也对上游制造企业造成影响，导致整个产业发展受阻［11］。因此，需结合我国国情，通过认真研究、寻找适当的技术路线和特殊的发展路径以促进风电产业的发展。

(二)水力发电的比较优势及问题

我国拥有居世界第一位的丰富水力资源，大陆水力资源理论蕴藏量6.94亿千瓦，年发电量为6.08万亿千瓦时;技术可开发量5.42亿千瓦，年发电量为2.47万亿千瓦时;经济可开发量4.02亿千瓦，年发电量为1.75万亿千瓦时［12］。水电资源储量丰富并且大中型水电资源基本上集中在西南地区。

水电具有较高的稳定性和和一定的调峰能力。相对风电而言水力发电具有较好的稳定性，并且从理论上讲，如果设计抽水蓄能电站，水电的调峰能力优于火电。我国拥有成熟的水电开发技术和丰富的建设施工经验。从勘测规划、科研设计、教育培训到施工调度、设备制造、经营管理，水电开发技术队伍门类齐全，在水电开发的各个环节、各种条件、各类开发方式、各种水坝坝型上都有成龙配套、成熟实用的科研成果和应用技术，在多年的施工开发中积累了各种坝型、机组、各种水头、各种地形的水电工程设计、建设、运营和管理的经验［13］

但是水力发电也面临水资源枯竭的潜在风险。随着人口的增长，我国人均水资源占有率越来越低，更重要的是受全球气候变化的影响，许多河流面临断流的危险。我国已开发的水力发电设施将面临水资源枯竭的潜在风险。当前，提高水力发电对水资源的利用率已受到世界上许多国家的关注。中国工程院院士、水利专家曹楚生教授曾多次提出在新建、扩建和改建水力设施中要充分考虑抽水蓄能设计以提高水资源利用率，延缓河流水资源枯竭［14］。

二、风电产业发展阶段分析

(一)发展模式

根据中国科技发展战略研究院课题组的调研［15］，当前我国风电企业全球化趋势下主要有三种开放式创新模式。一是收购国外公司。如金风科技收购了德国稳系统公司(Vensys)并利用该公司开拓海外市场，进一步提高了金风风机的国产化水平。二是国外设计、联合研发与本地制造组合。如华锐风电科技有限公司2004年通过许可证方式，以400万欧元取得德国弗兰德(Fuhelander)公司1.5MW，MD70和MD77型机组整机设计技术，与国外设计公司合作研发中国环境下的MW级风机及配套生产体系。三是科研机构自主研发。沈阳工业大学风能技术研究所从1983年开始从事风电技术研究。2006年，沈阳工大风能所和青岛国电蓝德环境工程有限公司合资成立了沈阳华创风能公司，开发自己的风电机组。

(二)发展阶段

根据我国主要风力发电机企业的技术来源与配套体系状况(见表1)［15］可知，在17家企业生产的21种机型中，技术来源为自主研发的只有3种，占14.3%;关键部件供应商控制系统为国内科研机构或大学的只有2种，占9.5%，自制的有5种，占23.8%，叶片为国内科研机构的有3种，占14.3%，为自制的有4种，占19.0%。并且机型额定功率为1.5MW或1.5MW以下占76.2%，其中53%小于1.5MW(见图1)。而风电产业发达的国家已经生产2MW以上风机，开始研究7MW－20MW的超大功率风力发电机组，可见我国风电产业仍处在跟进发展的初级阶段。

现阶段国外风电企业纷纷在中国投资办厂或寻求技术合作，其目的是争夺中国市场。我国风电企业应抓住机会，一方面通过消化吸收再创新来提高自身的技术水平和研发;另一方面需要认真开展全球市场调研，寻找适应我国风电产业发展的新的技术路线、发展路径和机会，适时改变风电产业发展态势。

三、风－水协调互补技术路径分析

根据中国电力科学研究院有关专家提供的材料，截至2010年底，我国发电设备容量96219万千瓦，其中，水电装机容量21340万千瓦(22.18%)，火电装机容量70663万千瓦(73.43%)，核电装机容量1082万千瓦(占1.12%)，风电并网装机容量3107万千瓦(占3.23%)。我国发电装机中具有快速响应能力的燃气、燃油发电及抽水蓄能发电等所占比例很低，以煤电为主的电源结构，调峰能力较差，电网调峰矛盾突出。而国外风电大国具有灵活调节能力的电源在电力系统中占有很大比例，截至2008年年底，美国发电装机容量为11亿千瓦，以燃气机组和燃煤机组为主，分别占装机总量的41.4%和30.5%，风电比例为2.3%。2009年，美国风电装机容量达3516万千瓦，油气电等灵活发电装机的比重接近50%。2009年欧盟27国风电装机容量约占其全部发电装机容量的9.1%，天然气、燃油发电占28.3%，大水电占14.7%。发展风电需做到多种电力来源接入平衡协调并与同步电网建设相结合。以丹麦为例，丹麦较高的风电装机比例依赖于北欧同步电网Nordel和欧洲大

陆同步电网UCTE的支撑，充分利用电网互联，共享各国间的调峰能力。丹麦西部电网是欧洲大陆同步电网UCTE的一部分，直接与德国电网进行功率交换。丹麦东部电网与挪威、瑞典、芬兰等国家组成北欧同步电网Nordel，丹麦电力系统可以充分利用挪威、瑞典丰富的水电进行调峰，虽然丹麦风电装机约占丹麦总装机容量的25%，但北欧同步电网内风电装机约占其总装机容量不足3%。

表1 主要风机企业的技术来源与配套体系

图1 主要生产企业机型额度功率分布图

从上述案例中电网运行应用情况可知，加大风电入网比例需要提高电网调峰能力，而电网调峰能力是以快速灵活的发电设施、蓄能蓄电装置为基础，并需要大规模同步电网作为支撑和保障。

就风电产业本身而言，我国技术总体上落后于美、英、德、荷等国家，但是由于我国的特殊国情，我国在电网供电技术方面具有一定优势。一般情况下电网波动不能超过20%，间歇式能源发电如风力发电等在整个电力供应来源中受到限制。我国西北地区风场资源丰富，水电资源也相对集中，但人口稀少，用电量主要集中在东南沿海地区，需要通过特高压远距离输电解决电力供需平衡问题。经过多年自主研发，我国在特高压和直流输变电技术方面已取得突破，有些技术处于领先水平，我国水电的枯水期在冬春季节，丰水期在夏秋季节，而西北地区陆地风电场的冬春季节风力较大，可与水电适当平衡互补，例如新疆布尔津县托洪台水库电站利用水轮发电机快速灵敏的起动和调频能力与风力发电机实现并网发电，提高了发电效率［16］。充分利用水电和风电的互补形成新型能源基地，这种能源结构既有稳定性又有间歇性。实现全国大范围电力调度则可大大提高风电等间歇式发电在全部电力供应中的比例，释放出电力市场对风电巨大的潜在需求，拉动风电产业快速发展，继而促进风电技术的跨越式发展。

随着“十一五”规划的顺利实施，我国已成为世界上首个建成特高压交、直流工程并实现商业运营的国家。因此，依靠全国大电网调控，实现水电与风电互补已具备一定的基础。但是，建立水－风协调互补能源结构受到以下条件制约:(1)目前同一地点内近距离风水互补在发电计划控制方面不存在技术问题，但是大范围、跨地区的风水互补存在一定的风险，一旦出现问题将导致大面积停电，国内尚无实际应用的案例;(2)为保证电网安全运行，远距离特高压输电对大型电网的防灾能力有很高的要求;(3)需要成熟的联网调度运行的技术标准和技术规范条件;(4)需要有多种电源结构为电网调峰提供电力支撑，特别是有一定比例的调峰能力强的大型水电站、抽水蓄能电站及燃气电站。(5)风电出力不稳定，风力发电厂需建立大型蓄电装置或与其他发电设备配合，使其达到入网标准。

四、政策建议

我国风电产业发展的关键是尽快把对风电的潜在电力需求转换为实际上的电力供给，加快进行水电枯水期与风电季节风期互补调节的研究和应用，通过各地区多电源最佳互补配置，实现更大范围的资源优化。为此，从关键技术研发、基础设施建设、体制机制创新等三方面提出政策建议。

(一)关键技术研发

把“风－水协调互补研究与试验应用”列入国家重大科技专项。开展电力调度专项研究。加强电网防灾减灾技术及输变电工程设计与施工技术的研究。组织对个别国内暂不能制造的特高压电网设备，全面掌握部分关键设备核心设计技术。努力解决关键设备的原材料的自给问题。

(二)基础设施建设

在风电场建设中，需要同时配套建设一定数量具有调峰能力的快速发电装置及蓄电设施，以减少风电对电网的冲击。在黄河上游风能和水能较丰富的地区(如青海、甘肃等地)，建设具有一定规模调蓄能力水库电站，使其更好地参与风电的调节。统一制定相关的优惠政策，鼓励在有条件的地区建设抽水储能电站，用来参与风电的调节。抓紧在全国形成坚强统一的电网，消除风电统一应用的网际交换瓶颈制约。

(三)体制和机制创新

风－水能量互补工程，涉及水利、电力等跨行业部门，需中央政府的高度重视和大力支持，牵头组织各部门，做好协调、规划、立项批准工作。研究我国大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地电源开发规模、送出能力和受端市场空间，提出合理的电源布局和开发时序。优化电源结构和布局。通过市场化的运行方式和调控手段，平衡蓄能调峰发电、绿色能源发电、常规发电以及电网运行之间的利益关系。

新能源参与电网的调节在我国是个新课题，水库水调和电网调度要相互配合，主管部门须组织多部门共同研究多元化能源发电跨域互补及联合优化运行，实现水电和风电的季节性互补。

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