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張文忠：源荷協(xié)同，實現(xiàn)風(fēng)電第三次技術(shù)跨越

來源：華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 時間：2024-12-23 14:41

　　“源荷協(xié)同，應(yīng)該也必將成為風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的下一個突破口?！?span target="_blank" _ style="font-family: 微軟雅黑, "Microsoft YaHei"; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司總工程師張文忠在題為《源荷協(xié)同引領(lǐng)新跨越》專題報告中提出，當(dāng)今風(fēng)電已處于技術(shù)變革的前夜，源荷協(xié)同是風(fēng)電第三次技術(shù)跨越的希望所在。

　　風(fēng)電行業(yè)臨界點出現(xiàn)

　　近年來風(fēng)電繁榮背后的技術(shù)推動力，排在首位的無疑是單機(jī)容量大型化及相關(guān)技術(shù)，由此產(chǎn)生的低度電成本紅利為風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但時至今日，機(jī)組大型化的紅利還有多大空間呢？張文忠認(rèn)為，就陸上風(fēng)電而言，大型化的紅利已所剩無幾，并給出了理由：

　　一是為支撐大容量和高發(fā)電量，必然推高機(jī)組的幾何尺寸，現(xiàn)行設(shè)計軟件的建模邊界已經(jīng)打破或即將打破。二是機(jī)組快速大型化的過程中，新材料、新工藝、整機(jī)集成控制方法、測試驗證方法等方面的發(fā)展遇到了瓶頸。三是在運機(jī)組出現(xiàn)的失效，隨容量增加正在向倒塔、葉片折斷、墜毀等事故級事件演化。四是單位千瓦1000元左右的機(jī)組售價已將包括整機(jī)商和主要部件供應(yīng)商在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈的盈利空間榨干。

　　由此判斷，在機(jī)組結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計方法沒有出現(xiàn)重大突破的前提下，陸上風(fēng)電機(jī)組大型化可以進(jìn)一步釋放的紅利已十分有限。

　　風(fēng)電成本結(jié)構(gòu)悄然逆轉(zhuǎn)

　　在2020年之前30余年的時間里，高發(fā)電成本一直是制約我國并網(wǎng)風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展的瓶頸，風(fēng)電上網(wǎng)電價顯著高于當(dāng)?shù)孛弘姌?biāo)桿電價。長期以來，度電成本的構(gòu)成中，風(fēng)電場的建設(shè)成本占比最高，而機(jī)組的采購成本又占建設(shè)成本的一半以上。在這樣的情境下，降低風(fēng)電機(jī)組的采購成本可以有效降低風(fēng)電場建設(shè)成本，進(jìn)而降低風(fēng)電發(fā)電成本，最終降低了電力用戶的用電成本。但2021年以來的短短3年，之前30年有效的邏輯被完全顛覆：

　　一是陸上風(fēng)電的上網(wǎng)平均電價低于當(dāng)?shù)孛弘姌?biāo)桿電價。在風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的西北和華北部分地區(qū)，用電成本中系統(tǒng)成本的占比凸顯，并且隨著新能源滲透率的增加還在快速增加中。二是風(fēng)電場建設(shè)中，技術(shù)性成本（與發(fā)電直接相關(guān)的設(shè)備和建安成本）在發(fā)電成本中的占比下降，非技術(shù)性成本（產(chǎn)業(yè)配套、土地等）占比上漲，大有超過技術(shù)性成本之勢。三是在風(fēng)電場建設(shè)的技術(shù)性成本中，機(jī)組采購成本占比已下降至50%以下。

　　上述三個逆轉(zhuǎn)性變化的疊加，客觀上顛覆了長期以來行之有效的風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性提升路徑。假定風(fēng)電機(jī)組單位千瓦采購價降低8%，風(fēng)電場建設(shè)的技術(shù)性成本降低不到4%，風(fēng)電場總投資降低不到2%，發(fā)電成本下降也就不到2%，考慮系統(tǒng)成本的剛性存在，到當(dāng)?shù)赜脩舳?，用電成本降幅?%之內(nèi)。

　　新能源為主體的電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度快速上升

　　隨著新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的占比越來越高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間越來越小，附加的調(diào)節(jié)成本（火電調(diào)峰、儲能配套、調(diào)相機(jī)等）在不斷上升。近年來，新能源電站雖配備了儲能系統(tǒng)，但由于其分散性高等特點，儲能有效參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的頻次很低，未能充分發(fā)揮其作用。隨著特高壓直流輸電系統(tǒng)的持續(xù)建設(shè)，輸送端的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，將源側(cè)的風(fēng)力發(fā)電等新能源從系統(tǒng)靈活性的“索取方”轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο到y(tǒng)靈活性的“增量供應(yīng)方”是大勢所趨。

　　讓中國風(fēng)電揚眉吐氣的機(jī)組大型化賽道，在技術(shù)上面臨約束，經(jīng)濟(jì)上又有多重衰減，已經(jīng)到了窮則思變的關(guān)口。

　　風(fēng)電技術(shù)發(fā)展史上的前兩次跨越

　　人類利用風(fēng)能將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)結(jié)合制造風(fēng)電機(jī)組，可以回溯到19世紀(jì)末，歐洲和美國工程師分別研究和試制出了早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這些樣機(jī)都是采用直流發(fā)電機(jī)的離網(wǎng)型機(jī)組。

　　風(fēng)電的第一次技術(shù)跨越是并網(wǎng)和商業(yè)化運行。

　　在早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組誕生后的半個多世紀(jì)時間里，人們發(fā)揮了豐富的想象力，嘗試了多種技術(shù)路線。到1957年，丹麥工程師Johannes Juul設(shè)計出了采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，憑借其簡單可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的并網(wǎng)性能，在眾多類型的概念機(jī)型中脫穎而出，從此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雛形基本確定，被稱為“丹麥概念”。

　　“丹麥概念”機(jī)型的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的商業(yè)化和規(guī)?；⒕W(wǎng)發(fā)電。“風(fēng)力田”的建設(shè)就此拉開帷幕。這是風(fēng)電技術(shù)史上的第一次重大進(jìn)步。20世紀(jì)70-90年代的20多年時間里，“丹麥概念”機(jī)型的容量從十千瓦級到百千瓦級、一直發(fā)展到1兆瓦的水平。這一階段，我國先后建成的風(fēng)電項目的電價從最初的1元/kWh以上，下降到0.6元/kWh左右。

　　風(fēng)電的第二次技術(shù)跨越是最大風(fēng)能捕獲和成本陡降。

　　上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，信息技術(shù)、自動化技術(shù)特別是電力電子技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，催生了新一代兆瓦級機(jī)型。這類機(jī)型有多種傳動鏈和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，但共同的特征也很突出：一是繼承了“丹麥概念”的水平軸、三葉片、上風(fēng)向基本結(jié)構(gòu)；二是變流器的普遍采用。利用其變頻調(diào)速功能，通過葉輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的最優(yōu)匹配（最優(yōu)葉尖速比）控制，顯著提高了整個發(fā)電風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)能利用效率。同時，還做到了與變槳系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使得變槳距功率調(diào)節(jié)方式由“丹麥概念”時代的小眾地位，一舉成為新一代變速機(jī)型的標(biāo)配。

　　這次技術(shù)突破無疑是繼“丹麥概念”之后，風(fēng)電技術(shù)史上的第二次重大進(jìn)步。變槳變速兆瓦級機(jī)組問世20多年來，通過長葉片、高塔架及智能化等多方面的改進(jìn)，單機(jī)容量又向前推進(jìn)了一個數(shù)量級，機(jī)組單位千瓦價格下降了80%左右，帶動風(fēng)電場綜合造價下降約50%，同時，在相同的風(fēng)資源條件下，發(fā)電利用小時數(shù)提高了約50%。效率和成本兩方面進(jìn)步的共同作用，使得度電成本下降了2/3，實現(xiàn)了陸上較煤電更低的風(fēng)電電價。

　　前兩次風(fēng)電技術(shù)跨越的突破性和局限性

　　第一次技術(shù)跨越，解決了風(fēng)電機(jī)組的可靠性和連續(xù)并網(wǎng)運行的難題，使風(fēng)電項目在綠電補貼機(jī)制的推動下，具備了商業(yè)化運營的能力，回答了“能不能”的問題。

　　第二次技術(shù)跨越，解決了風(fēng)電機(jī)組的效率和成本的難題，通過對風(fēng)能特性和機(jī)組系統(tǒng)的深入研究，使風(fēng)力發(fā)電在成本上具備了與傳統(tǒng)能源競爭的能力，甚至在不考慮系統(tǒng)成本的條件下，擁有了綠色和廉價的雙重優(yōu)勢，回答了“省不省”的問題。

　　風(fēng)電與運行環(huán)境組成的大系統(tǒng)，從宏觀的角度上看，都可以濃縮為“風(fēng)、機(jī)、電”三個要素。廣義上的風(fēng)，還應(yīng)把氣象、地形地質(zhì)等自然條件包含進(jìn)來；而廣義上的機(jī)，就是所有完成由風(fēng)能到電能轉(zhuǎn)換的設(shè)備和設(shè)施系統(tǒng)；這里的電，也是指由變電、輸電、配電及并網(wǎng)的其他發(fā)電裝置和電力用戶共同組成的系統(tǒng)。兩次技術(shù)跨越，特別是第二次技術(shù)跨越的成果，本質(zhì)上都是在“風(fēng)”和“機(jī)”耦合建模及優(yōu)化的基礎(chǔ)上取得的。其共同的假設(shè)前提都是“無窮大電網(wǎng)”對于滲透率較低的風(fēng)電，具備足夠的適應(yīng)、調(diào)節(jié)和消納能力。于是在設(shè)計風(fēng)電機(jī)組時，對電系統(tǒng)的關(guān)注，僅限于符合《風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的要求。

　　由于缺乏“風(fēng)、機(jī)、電”大系統(tǒng)的耦合尋優(yōu)，隨著風(fēng)電滲透率的提升，風(fēng)電接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)成本上升的問題漸漸凸顯，風(fēng)電在“電”這一側(cè)（即用戶側(cè)）“好不好”的問題尚未解決，用“垃圾電”詬病風(fēng)電的說法也時有耳聞。

　　源荷協(xié)同，迎接風(fēng)電第三次技術(shù)跨越

　　在前兩次技術(shù)跨越——“機(jī)”和“風(fēng)”耦合尋優(yōu)的基礎(chǔ)上，針對由于風(fēng)電等新能源電力滲透率增加而導(dǎo)致的系統(tǒng)成本快速上升的挑戰(zhàn)，以電力系統(tǒng)整體為研究對象，充分發(fā)揮“源端（風(fēng)電機(jī)等）和荷端協(xié)同設(shè)計和運行在提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力方面的作用，發(fā)展電力市場輔助服務(wù)、虛擬電廠等新業(yè)態(tài)，借助大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、新能源生產(chǎn)模擬軟件及系統(tǒng)仿真等工具，通過實際環(huán)境下“風(fēng)、機(jī)、電”三要素的耦合建模和仿真，測算風(fēng)電接入后，對系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)資源的“供給潛力”。在此基礎(chǔ)上，開展釋放靈活性的負(fù)荷側(cè)響應(yīng)和風(fēng)電機(jī)組設(shè)計優(yōu)化工作，并且形成雙向發(fā)力的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。以機(jī)組成本及負(fù)荷優(yōu)化成本的適度增加，最大程度降低電網(wǎng)的系統(tǒng)成本，最終實現(xiàn)對電力用戶更低的供電成本。

　　源荷協(xié)同尋優(yōu)方向上的突破，就是風(fēng)電第三次技術(shù)跨越的希望所在，可以用兩個具體的應(yīng)用場景給出清晰的描述：

　　一是風(fēng)電面向大電網(wǎng)的市場化交易售電場景。

　　未來，風(fēng)電全面進(jìn)入電力市場后，上網(wǎng)電價不再是一個常數(shù)，而是一組動態(tài)變化的時間序列，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為電價向量。風(fēng)電出力隨來風(fēng)波動的時間函數(shù)，反映在各電價時段上的電量，也是一組動態(tài)變化的時間序列，同樣可以用向量描述。風(fēng)電項目的售電收入，就等于發(fā)電量向量和電價向量二者的乘積。固定電價場景下的單位成本發(fā)電量最大化的尋優(yōu)模型，就演化為單位成本發(fā)電量向量和電價向量乘積的最大化了。為找到既定場址風(fēng)電項目的最優(yōu)解，就需要把之前的“風(fēng)、機(jī)”二元耦合建模尋優(yōu)思維，拓展為“風(fēng)、機(jī)、電價”三元耦合建模尋優(yōu)模式，如果再把電網(wǎng)對輔助服務(wù)的收費納入模型，那么，這里的三元耦合，稱作“風(fēng)、機(jī)、電”耦合建模才更加準(zhǔn)確。當(dāng)然，這里提到的電價向量，不僅是時間的函數(shù)，也隨市場供需變化而改變其取值。電量向量也因年際風(fēng)速分布的變化而出現(xiàn)差異。在設(shè)計最優(yōu)風(fēng)電機(jī)型配置時，選取具有代表性的綜合電價向量模型和代表年典型電量向量進(jìn)行測算，也可以在很大程度上趨近最優(yōu)解。

　　二是風(fēng)電直供電場景。

　　為解決風(fēng)電上網(wǎng)和消納難題，應(yīng)對國際綠色貿(mào)易壁壘，同時降低下游產(chǎn)業(yè)用電成本，內(nèi)蒙古等地開始加快推進(jìn)風(fēng)光制氫一體化、工業(yè)園區(qū)綠色供電等試點項目，在全國范圍內(nèi)邁出了“綠電直供”第一步。在此場景下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)特性的聯(lián)合優(yōu)化就成為了一個重要課題。如果不能充分挖掘風(fēng)電機(jī)組的慣量調(diào)節(jié)能力和負(fù)荷的靈活響應(yīng)能力，大比例配置儲能裝置就成為很難避開的選擇，而這種設(shè)計模式在經(jīng)濟(jì)性上存在較大問題。

　　如果按照源荷協(xié)同思維，“風(fēng)、機(jī)、電”耦合建模，以用戶側(cè)綜合用電成本最小為尋優(yōu)目標(biāo)，可以獲得紅利的優(yōu)化空間至少有：

　　利用負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力為風(fēng)電機(jī)組構(gòu)網(wǎng)提供一定支撐的優(yōu)化；具體到電解制氫場景下，就是借助電解槽的調(diào)節(jié)特性，輔助風(fēng)電機(jī)組實現(xiàn)電壓、頻率的穩(wěn)定控制。

　　為提升用戶生產(chǎn)系統(tǒng)利用效率而對風(fēng)電機(jī)組出力特性的優(yōu)化；具體到電解制氫場景下，就是提升風(fēng)電機(jī)組的低風(fēng)速出力水平，提高電解槽的負(fù)荷率。

　　發(fā)電-負(fù)荷協(xié)同控制，對機(jī)組的動態(tài)機(jī)械荷載進(jìn)行優(yōu)化。

　　發(fā)電機(jī)出口電壓、頻率（交/直流等）尋優(yōu)；具體到電解制氫場景下，電解槽采用直流供電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電流的頻率不必限定為50HZ。發(fā)電機(jī)電壓和頻率可以按照經(jīng)濟(jì)性的比較進(jìn)行優(yōu)化。

　　儲能裝置的類型、分布、容量和運行方式的優(yōu)化設(shè)計。

　　建立在大系統(tǒng)、多維度優(yōu)化設(shè)計思維之上的風(fēng)電機(jī)組，隨著用戶價值的提升，其市場競爭力和應(yīng)用空間都將會得到更大拓展。

　　實現(xiàn)風(fēng)電第三次技術(shù)跨越的基本路徑

　　近年來，國家在宏觀層面上提出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和“源網(wǎng)荷儲一體化”等戰(zhàn)略構(gòu)想，對電力市場化改革做出了一系列部署。在技術(shù)層面上，推動電網(wǎng)友好型、構(gòu)網(wǎng)主動支撐型風(fēng)電場等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，這些都為風(fēng)電技術(shù)向“源荷協(xié)同”方向跨越起到了引導(dǎo)作用，但在實質(zhì)性地發(fā)揮作用的體制機(jī)制建設(shè)及技術(shù)研究方面，當(dāng)前總體上處于起步階段，還有大量的工作要做。

　　一是建立成熟的電力市場機(jī)制。

　　技術(shù)創(chuàng)新的原動力來自于市場需求和價值實現(xiàn)?！霸春蓞f(xié)同”型風(fēng)電技術(shù)的應(yīng)用，高度依賴于成熟的電力市場機(jī)制。這樣的機(jī)制下，由風(fēng)電機(jī)組性能改進(jìn)而避免的系統(tǒng)成本，可以被市場發(fā)現(xiàn)，也能得到合理的市場溢價，當(dāng)這種溢價大于機(jī)組改進(jìn)發(fā)生的成本時，創(chuàng)新的熱情就激發(fā)出來了。據(jù)此可以設(shè)想，這里需要的成熟的電力市場，應(yīng)該具備以下特征：向增量電力用戶售電的業(yè)務(wù)，向風(fēng)電業(yè)主開放；電力市場（即廣義電力市場）同時具備電能量價值交易、容量價值交易、輔助服務(wù)價值交易和碳減排價值交易四種功能；電網(wǎng)向“源荷聯(lián)合體”提供的備用容量、調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等服務(wù)的價格由市場決定；市場信息和交易所需的技術(shù)參數(shù)，向所有參與交易的主體開放。

　　二是產(chǎn)業(yè)協(xié)作是技術(shù)跨越的必由之路。

　　“源荷協(xié)同”涉及整機(jī)供應(yīng)商、風(fēng)力發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和電力用戶等多個市場主體，在有效的市場機(jī)制發(fā)生作用的基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)可能傾向于和若干靈活性負(fù)荷用戶聯(lián)合，按照虛擬電廠的概念聚合起來響應(yīng)電網(wǎng)需求，達(dá)成源荷協(xié)同和共同受益。發(fā)電企業(yè)對未來收益的預(yù)期，將促進(jìn)“源荷協(xié)同”型機(jī)組打開市場。整機(jī)企業(yè)為了推出更有競爭力的“源荷協(xié)同”型機(jī)組，也必須與下游的發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和電力用戶以及上游的供應(yīng)商密切合作。電力用戶也能夠通過靈活電價、虛擬電廠、靈活性響應(yīng)和生產(chǎn)設(shè)備提效等方式獲得更多效益，因而有動力開展技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)和電源特性的協(xié)同發(fā)展。針對源網(wǎng)荷系統(tǒng)優(yōu)化存在的信息壁壘和技術(shù)跨度，培育熟悉電力系統(tǒng)、具備整體集成能力的專業(yè)化技術(shù)服務(wù)商，也是提升源荷協(xié)同能力的重要一環(huán)。這里的專業(yè)化技術(shù)服務(wù)商，也符合《國家能源局關(guān)于支持電力領(lǐng)域新型經(jīng)營主體創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提到的“新型經(jīng)營主體”的屬性。產(chǎn)業(yè)協(xié)作是技術(shù)跨越的必由之路。

　　三是技術(shù)創(chuàng)新，協(xié)同攻關(guān)。

　　“源荷協(xié)同”型風(fēng)電技術(shù)涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛、系統(tǒng)性強(qiáng)，之所以稱之為第三次風(fēng)電技術(shù)跨越，不僅因其影響深遠(yuǎn)，也在于技術(shù)上存在巨大的挑戰(zhàn)，需要跨專業(yè)、跨行業(yè)、產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，突破口是“風(fēng)、機(jī)、電”耦合建模和系統(tǒng)優(yōu)化軟件的開發(fā)，難點在于風(fēng)電機(jī)組受制于一次能源（風(fēng)能）的波動性和非受控特性，在靈活性提供方面是否存在潛力。

　　張文忠認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組的無功輸出能力、一次調(diào)頻能力和構(gòu)網(wǎng)能力的成功開發(fā)應(yīng)用給出了很好的回答：市場需求的拉動和技術(shù)進(jìn)步的推動，往往會把曾經(jīng)難解的問題加以有效解決。風(fēng)電機(jī)組集群在運行中的慣量調(diào)節(jié)能力的進(jìn)一步釋放，及其與荷、儲協(xié)同性的提升，可望成為風(fēng)電第三次技術(shù)跨越的建設(shè)性力量。

責(zé)任編輯：王萍