張文忠：源荷協同，實現風電第三次技術跨越
來源：華銳風電科技（集團）股份有限公司 時間：2024-12-23 14:41
“源荷協同，應該也必將成為風電技術創新的下一個突破口?！?span target="_blank" _ style="font-family: 微軟雅黑, "Microsoft YaHei"; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">華銳風電科技（集團）股份有限公司總工程師張文忠在題為《源荷協同引領新跨越》專題報告中提出，當今風電已處于技術變革的前夜，源荷協同是風電第三次技術跨越的希望所在。
風電行業臨界點出現
近年來風電繁榮背后的技術推動力，排在首位的無疑是單機容量大型化及相關技術，由此產生的低度電成本紅利為風電的大規模開發奠定了技術基礎。但時至今日，機組大型化的紅利還有多大空間呢？張文忠認為，就陸上風電而言，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電量，必然推高機組的幾何尺寸，現行設計軟件的建模邊界已經打破或即將打破。二是機組快速大型化的過程中，新材料、新工藝、整機集成控制方法、測試驗證方法等方面的發展遇到了瓶頸。三是在運機組出現的失效，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元左右的機組售價已將包括整機商和主要部件供應商在內的產業鏈的盈利空間榨干。
由此判斷，在機組結構、材料和設計方法沒有出現重大突破的前提下，陸上風電機組大型化可以進一步釋放的紅利已十分有限。
風電成本結構悄然逆轉
在2020年之前30余年的時間里，高發電成本一直是制約我國并網風電規?；l展的瓶頸，風電上網電價顯著高于當地煤電標桿電價。長期以來，度電成本的構成中，風電場的建設成本占比最高，而機組的采購成本又占建設成本的一半以上。在這樣的情境下，降低風電機組的采購成本可以有效降低風電場建設成本，進而降低風電發電成本，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：
一是陸上風電的上網平均電價低于當地煤電標桿電價。在風電大規模開發的西北和華北部分地區，用電成本中系統成本的占比凸顯，并且隨著新能源滲透率的增加還在快速增加中。二是風電場建設中，技術性成本（與發電直接相關的設備和建安成本）在發電成本中的占比下降，非技術性成本（產業配套、土地等）占比上漲，大有超過技術性成本之勢。三是在風電場建設的技術性成本中，機組采購成本占比已下降至50%以下。
上述三個逆轉性變化的疊加，客觀上顛覆了長期以來行之有效的風電經濟性提升路徑。假定風電機組單位千瓦采購價降低8%，風電場建設的技術性成本降低不到4%，風電場總投資降低不到2%，發電成本下降也就不到2%，考慮系統成本的剛性存在，到當地用戶端，用電成本降幅在1%之內。
新能源為主體的電力系統的調節難度快速上升
隨著新能源發電在電力系統中的占比越來越高，系統調節空間越來越小，附加的調節成本（火電調峰、儲能配套、調相機等）在不斷上升。近年來，新能源電站雖配備了儲能系統，但由于其分散性高等特點，儲能有效參與系統調節的頻次很低，未能充分發揮其作用。隨著特高壓直流輸電系統的持續建設，輸送端的系統調節能力仍需進一步加強。因此，將源側的風力發電等新能源從系統靈活性的“索取方”轉變為對系統靈活性的“增量供應方”是大勢所趨。
讓中國風電揚眉吐氣的機組大型化賽道，在技術上面臨約束，經濟上又有多重衰減，已經到了窮則思變的關口。
風電技術發展史上的前兩次跨越
人類利用風能將風力機和發電機結合制造風電機組，可以回溯到19世紀末，歐洲和美國工程師分別研究和試制出了早期的風力發電機組，這些樣機都是采用直流發電機的離網型機組。
風電的第一次技術跨越是并網和商業化運行。
在早期的風力發電機組誕生后的半個多世紀時間里，人們發揮了豐富的想象力，嘗試了多種技術路線。到1957年，丹麥工程師Johannes Juul設計出了采用水平軸、三葉片、上風向、異步發電機的風力發電機組，憑借其簡單可靠的機械結構和穩定的并網性能，在眾多類型的概念機型中脫穎而出，從此現代風力發電機的雛形基本確定，被稱為“丹麥概念”。
“丹麥概念”機型的推廣應用，實現了風電機組的商業化和規?；⒕W發電。“風力田”的建設就此拉開帷幕。這是風電技術史上的第一次重大進步。20世紀70-90年代的20多年時間里，“丹麥概念”機型的容量從十千瓦級到百千瓦級、一直發展到1兆瓦的水平。這一階段，我國先后建成的風電項目的電價從最初的1元/kWh以上，下降到0.6元/kWh左右。
風電的第二次技術跨越是最大風能捕獲和成本陡降。
上世紀末到本世紀初，信息技術、自動化技術特別是電力電子技術在風電領域的廣泛應用，催生了新一代兆瓦級機型。這類機型有多種傳動鏈和發電機的結構形式，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、上風向基本結構；二是變流器的普遍采用。利用其變頻調速功能，通過葉輪轉速與風速的最優匹配（最優葉尖速比）控制，顯著提高了整個發電風速區間的風能利用效率。同時，還做到了與變槳系統的協調控制，使得變槳距功率調節方式由“丹麥概念”時代的小眾地位，一舉成為新一代變速機型的標配。
這次技術突破無疑是繼“丹麥概念”之后，風電技術史上的第二次重大進步。變槳變速兆瓦級機組問世20多年來，通過長葉片、高塔架及智能化等多方面的改進，單機容量又向前推進了一個數量級，機組單位千瓦價格下降了80%左右，帶動風電場綜合造價下降約50%，同時，在相同的風資源條件下，發電利用小時數提高了約50%。效率和成本兩方面進步的共同作用，使得度電成本下降了2/3，實現了陸上較煤電更低的風電電價。
前兩次風電技術跨越的突破性和局限性
第一次技術跨越，解決了風電機組的可靠性和連續并網運行的難題，使風電項目在綠電補貼機制的推動下，具備了商業化運營的能力，回答了“能不能”的問題。
第二次技術跨越，解決了風電機組的效率和成本的難題，通過對風能特性和機組系統的深入研究，使風力發電在成本上具備了與傳統能源競爭的能力，甚至在不考慮系統成本的條件下，擁有了綠色和廉價的雙重優勢，回答了“省不省”的問題。
風電與運行環境組成的大系統，從宏觀的角度上看，都可以濃縮為“風、機、電”三個要素。廣義上的風，還應把氣象、地形地質等自然條件包含進來；而廣義上的機，就是所有完成由風能到電能轉換的設備和設施系統；這里的電，也是指由變電、輸電、配電及并網的其他發電裝置和電力用戶共同組成的系統。兩次技術跨越，特別是第二次技術跨越的成果，本質上都是在“風”和“機”耦合建模及優化的基礎上取得的。其共同的假設前提都是“無窮大電網”對于滲透率較低的風電，具備足夠的適應、調節和消納能力。于是在設計風電機組時，對電系統的關注，僅限于符合《風電場并網技術規范》所規定的要求。
由于缺乏“風、機、電”大系統的耦合尋優，隨著風電滲透率的提升，風電接入系統后，系統成本上升的問題漸漸凸顯，風電在“電”這一側（即用戶側）“好不好”的問題尚未解決，用“垃圾電”詬病風電的說法也時有耳聞。
源荷協同，迎接風電第三次技術跨越
在前兩次技術跨越——“機”和“風”耦合尋優的基礎上，針對由于風電等新能源電力滲透率增加而導致的系統成本快速上升的挑戰，以電力系統整體為研究對象，充分發揮“源端（風電機等）和荷端協同設計和運行在提升系統調節能力方面的作用，發展電力市場輔助服務、虛擬電廠等新業態，借助大數據、數字孿生、新能源生產模擬軟件及系統仿真等工具，通過實際環境下“風、機、電”三要素的耦合建模和仿真，測算風電接入后，對系統靈活性調節資源的“供給潛力”。在此基礎上，開展釋放靈活性的負荷側響應和風電機組設計優化工作，并且形成雙向發力的協同效應，進一步提升系統調節能力。以機組成本及負荷優化成本的適度增加，最大程度降低電網的系統成本，最終實現對電力用戶更低的供電成本。
源荷協同尋優方向上的突破，就是風電第三次技術跨越的希望所在，可以用兩個具體的應用場景給出清晰的描述：
一是風電面向大電網的市場化交易售電場景。
未來，風電全面進入電力市場后，上網電價不再是一個常數，而是一組動態變化的時間序列，其數學表達形式為電價向量。風電出力隨來風波動的時間函數，反映在各電價時段上的電量，也是一組動態變化的時間序列，同樣可以用向量描述。風電項目的售電收入，就等于發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電量最大化的尋優模型，就演化為單位成本發電量向量和電價向量乘積的最大化了。為找到既定場址風電項目的最優解，就需要把之前的“風、機”二元耦合建模尋優思維，拓展為“風、機、電價”三元耦合建模尋優模式，如果再把電網對輔助服務的收費納入模型，那么，這里的三元耦合，稱作“風、機、電”耦合建模才更加準確。當然，這里提到的電價向量，不僅是時間的函數，也隨市場供需變化而改變其取值。電量向量也因年際風速分布的變化而出現差異。在設計最優風電機型配置時，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行測算，也可以在很大程度上趨近最優解。
二是風電直供電場景。
為解決風電上網和消納難題，應對國際綠色貿易壁壘，同時降低下游產業用電成本，內蒙古等地開始加快推進風光制氫一體化、工業園區綠色供電等試點項目，在全國范圍內邁出了“綠電直供”第一步。在此場景下，風力發電系統和負荷調節特性的聯合優化就成為了一個重要課題。如果不能充分挖掘風電機組的慣量調節能力和負荷的靈活響應能力，大比例配置儲能裝置就成為很難避開的選擇，而這種設計模式在經濟性上存在較大問題。
如果按照源荷協同思維，“風、機、電”耦合建模，以用戶側綜合用電成本最小為尋優目標，可以獲得紅利的優化空間至少有：
利用負荷的調節能力為風電機組構網提供一定支撐的優化；具體到電解制氫場景下，就是借助電解槽的調節特性，輔助風電機組實現電壓、頻率的穩定控制。
為提升用戶生產系統利用效率而對風電機組出力特性的優化；具體到電解制氫場景下，就是提升風電機組的低風速出力水平，提高電解槽的負荷率。
發電-負荷協同控制，對機組的動態機械荷載進行優化。
發電機出口電壓、頻率（交/直流等）尋優；具體到電解制氫場景下，電解槽采用直流供電，風力發電機輸出電流的頻率不必限定為50HZ。發電機電壓和頻率可以按照經濟性的比較進行優化。
儲能裝置的類型、分布、容量和運行方式的優化設計。
建立在大系統、多維度優化設計思維之上的風電機組，隨著用戶價值的提升，其市場競爭力和應用空間都將會得到更大拓展。
實現風電第三次技術跨越的基本路徑
近年來，國家在宏觀層面上提出了構建新型電力系統和“源網荷儲一體化”等戰略構想，對電力市場化改革做出了一系列部署。在技術層面上，推動電網友好型、構網主動支撐型風電場等技術的研發應用，這些都為風電技術向“源荷協同”方向跨越起到了引導作用，但在實質性地發揮作用的體制機制建設及技術研究方面，當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制。
技術創新的原動力來自于市場需求和價值實現。“源荷協同”型風電技術的應用，高度依賴于成熟的電力市場機制。這樣的機制下，由風電機組性能改進而避免的系統成本，可以被市場發現，也能得到合理的市場溢價，當這種溢價大于機組改進發生的成本時，創新的熱情就激發出來了。據此可以設想，這里需要的成熟的電力市場，應該具備以下特征：向增量電力用戶售電的業務，向風電業主開放；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、輔助服務價值交易和碳減排價值交易四種功能；電網向“源荷聯合體”提供的備用容量、調峰、調頻和調壓等服務的價格由市場決定；市場信息和交易所需的技術參數，向所有參與交易的主體開放。
二是產業協作是技術跨越的必由之路。
“源荷協同”涉及整機供應商、風力發電企業、電網企業和電力用戶等多個市場主體，在有效的市場機制發生作用的基礎上，風力發電企業可能傾向于和若干靈活性負荷用戶聯合，按照虛擬電廠的概念聚合起來響應電網需求，達成源荷協同和共同受益。發電企業對未來收益的預期，將促進“源荷協同”型機組打開市場。整機企業為了推出更有競爭力的“源荷協同”型機組，也必須與下游的發電企業、電網企業和電力用戶以及上游的供應商密切合作。電力用戶也能夠通過靈活電價、虛擬電廠、靈活性響應和生產設備提效等方式獲得更多效益，因而有動力開展技術創新，實現和電源特性的協同發展。針對源網荷系統優化存在的信息壁壘和技術跨度，培育熟悉電力系統、具備整體集成能力的專業化技術服務商，也是提升源荷協同能力的重要一環。這里的專業化技術服務商，也符合《國家能源局關于支持電力領域新型經營主體創新發展的指導意見》中提到的“新型經營主體”的屬性。產業協作是技術跨越的必由之路。
三是技術創新，協同攻關。
“源荷協同”型風電技術涉及的技術領域廣泛、系統性強，之所以稱之為第三次風電技術跨越，不僅因其影響深遠，也在于技術上存在巨大的挑戰，需要跨專業、跨行業、產學研用協同攻關，突破口是“風、機、電”耦合建模和系統優化軟件的開發，難點在于風電機組受制于一次能源（風能）的波動性和非受控特性，在靈活性提供方面是否存在潛力。
張文忠認為，風電機組的無功輸出能力、一次調頻能力和構網能力的成功開發應用給出了很好的回答：市場需求的拉動和技術進步的推動，往往會把曾經難解的問題加以有效解決。風電機組集群在運行中的慣量調節能力的進一步釋放，及其與荷、儲協同性的提升，可望成為風電第三次技術跨越的建設性力量。
責任編輯：王萍
