近年來，美國及全球范圍內(nèi)風(fēng)電的快速發(fā)展吸引了越來越多的媒體和公眾對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的關(guān)注。由于風(fēng)力發(fā)電的某些特性，尤其是風(fēng)電機(jī)組只有在有風(fēng)時(shí)才可以運(yùn)行發(fā)電的特性，一些錯(cuò)誤的認(rèn)知便隨之產(chǎn)生。在他們看來，風(fēng)電不像傳統(tǒng)能源那樣易于調(diào)度，發(fā)電量的多少取決于風(fēng)速的大小；風(fēng)能主要是一種能量來源而不是容量來源；風(fēng)電的主要價(jià)值在于能夠替代傳統(tǒng)能源的消耗以及由此導(dǎo)致的包括二氧化碳在內(nèi)的污染物的排放；在用電高峰時(shí)刻，風(fēng)電只占電力系統(tǒng)中相對很小的部分，所以風(fēng)電的容量價(jià)值有限。這些疑問導(dǎo)致了媒體和公眾對風(fēng)電的可靠性以及如何保持負(fù)荷側(cè)與電源側(cè)的平衡等問題的擔(dān)憂。
本文對普遍關(guān)注的風(fēng)電相關(guān)問題作了回答。文章從風(fēng)能的變化性講起，討論了風(fēng)電是否具有保證容量，探討了風(fēng)在所有地區(qū)戛然而止的可能性，風(fēng)力發(fā)電的可預(yù)測性，風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，對新輸送通道的需求，以及風(fēng)電是否需要備用電源或?qū)Ｓ脙?chǔ)能設(shè)備等問題。最后，文章討論了系統(tǒng)是否具備足夠的靈活性以接入風(fēng)電，火電是否因其具有更高的容量系數(shù)而優(yōu)于風(fēng)電，以及電網(wǎng)在接納風(fēng)電上是否存在極限。
1、電網(wǎng)能應(yīng)對風(fēng)電出力的持續(xù)變化嗎？
早在風(fēng)電技術(shù)出現(xiàn)之前，電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就可以應(yīng)對負(fù)荷的顯著變化。電力需求在從幾秒到幾年的時(shí)間尺度上變化，圍繞這樣的變化，電力系統(tǒng)運(yùn)行程序進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，基于相關(guān)分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大體上可以掌握負(fù)荷的變化規(guī)律。相對于用電高峰來說，極短時(shí)間內(nèi)（幾秒到幾分鐘）負(fù)荷的變化很小，其主要是由許多不相關(guān)事件在不同流向上改變用電需求所引起。從較長時(shí)間段（幾小時(shí)）來看，用電量需求的變化往往會(huì)更具有關(guān)聯(lián)性，例如早晨負(fù)荷增加而夜間負(fù)荷減少。
單個(gè)或多個(gè)風(fēng)電場的發(fā)電量是隨時(shí)間而變化的。風(fēng)電的變動(dòng)性加之電力系統(tǒng)原本就存在的變動(dòng)性，可能會(huì)增加變動(dòng)的復(fù)雜性，需要電網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行管理和調(diào)控。風(fēng)能每發(fā)1度電，其他發(fā)電形式就可以少發(fā)1度電，所以其他的發(fā)電系統(tǒng)只需要滿足除風(fēng)電之外的負(fù)荷需求，這部分負(fù)荷經(jīng)常被稱作凈負(fù)荷（除風(fēng)電外負(fù)荷）。因此，整個(gè)電力系統(tǒng)的非風(fēng)力發(fā)電部分就要被調(diào)控至凈負(fù)荷，即整個(gè)電力系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電負(fù)荷之差。圖1顯示了丹麥西部地區(qū)一周內(nèi)的實(shí)際負(fù)荷與凈負(fù)荷，兩條曲線之間部分就是風(fēng)電部分。圖2更清晰地表示了實(shí)際負(fù)荷與風(fēng)電負(fù)荷之間的對比。
圖1 2005年1月10日至16日丹麥西部實(shí)際負(fù)荷與凈負(fù)荷（來源：Energinet.dk）
圖2 丹麥西部2005年1月10日至16日實(shí)際負(fù)荷與風(fēng)電負(fù)荷（來源：Energinet.dk）
從圖1可以看出，在風(fēng)電大規(guī)模接入時(shí)，會(huì)在兩個(gè)方向上引起明顯變化，這就要求其他發(fā)電機(jī)組降出力運(yùn)行。在風(fēng)電的接入比例很大時(shí)，如果現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)組沒有較好的降功率運(yùn)行能力，應(yīng)付這一部分增加的變量可能就會(huì)比較難。
總的來說，隨著并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組增多，風(fēng)電在電網(wǎng)中的變化就會(huì)越來越小。圖3是從美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室風(fēng)電場數(shù)據(jù)收集項(xiàng)目中截取的具有幾個(gè)互聯(lián)點(diǎn)的某風(fēng)電場約9小時(shí)內(nèi)每一秒的數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)來自同一時(shí)間段，并將每個(gè)機(jī)組群的平均輸出值進(jìn)行了規(guī)范化處理。圖3（a）顯示了200臺機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變化情況。圖3（b）顯示了15臺機(jī)組數(shù)據(jù)的巨大變化。從這些數(shù)據(jù)及圖示中可以得出結(jié)論，隨著風(fēng)電機(jī)組的集群化，標(biāo)準(zhǔn)化處理過的風(fēng)電變量在下降。這一規(guī)律同時(shí)適用于較小區(qū)域內(nèi)和大范圍的風(fēng)電集群，也適用于電網(wǎng)運(yùn)行的所有時(shí)間尺度。
（a）200臺機(jī)組的風(fēng)電場 （b）15臺機(jī)組的風(fēng)電場
圖3 每秒風(fēng)電出力變化性比較
一些國家的電網(wǎng)運(yùn)營商在積累高比例風(fēng)電并網(wǎng)及其變化規(guī)律的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。圖4顯示了從2009年5月7日至10日，愛爾蘭風(fēng)電的每小時(shí)接入比例，范圍從很小的比例到高達(dá)40%。同樣，圖1（如上所述）顯示了2005年1月丹麥的實(shí)際負(fù)荷與凈負(fù)荷（減去風(fēng)電后的負(fù)荷）。該圖顯示風(fēng)力發(fā)電量逐漸增加，而后由高風(fēng)速導(dǎo)致停機(jī)使發(fā)電量減少。更高的風(fēng)力發(fā)電量使得凈負(fù)荷在某些時(shí)段接近于零。正如本文后面討論的，電網(wǎng)運(yùn)營商通過使用現(xiàn)有的靈活發(fā)電資源、風(fēng)力預(yù)測以及時(shí)間調(diào)度等手段，來應(yīng)對風(fēng)力的變化。在以更接近于實(shí)時(shí)的情況下進(jìn)行評估時(shí)，發(fā)電量更具可預(yù)測性，而小于小時(shí)單位的調(diào)度方案也使電網(wǎng)運(yùn)營方可以充分利用其他發(fā)電設(shè)備的靈活性。此外，更大范圍內(nèi)（或電網(wǎng)覆蓋區(qū)域）的電力平衡有助于解決風(fēng)電的變化，因?yàn)樵谳^大的地理區(qū)域內(nèi)風(fēng)電的波動(dòng)性會(huì)趨于平緩。
圖4 2009年5月7日至10日愛爾蘭風(fēng)電每小時(shí)并網(wǎng)比例
2、風(fēng)電具有保證容量嗎？
在確定裝機(jī)容量是否能滿足負(fù)荷需求時(shí)，要考慮到將來某些裝機(jī)可能無法在需要時(shí)提供容量。雖然具體的數(shù)量和規(guī)程不同，但電力系統(tǒng)規(guī)劃人員通常會(huì)設(shè)計(jì)出多于最大負(fù)荷12%～15%的富余容量，這通常被稱為計(jì)劃備用容量。
“計(jì)劃備用”是指已經(jīng)安裝的發(fā)電設(shè)備，同時(shí)又區(qū)別于其他各類基于系統(tǒng)運(yùn)行情況的運(yùn)行備用容量。測算計(jì)劃備用容量的一個(gè)更精確方法是對每小時(shí)負(fù)荷、發(fā)電容量以及發(fā)電機(jī)組事故停機(jī)率進(jìn)行建模，以確定失負(fù)荷概率（LOLP，即發(fā)電量不足以滿足負(fù)荷需求的概率）。失負(fù)荷概率可用來判定缺電量時(shí)間期望值（LOLE），缺電量時(shí)間期望值可以確定電力不足的時(shí)間，如每年多少小時(shí)，每年多少天，或十年內(nèi)的天數(shù)，通常其目標(biāo)值是每十年有一天。
基于對系統(tǒng)缺電量時(shí)間期望值的影響，風(fēng)電也可以與傳統(tǒng)電源一樣有助于計(jì)劃備用容量。大多數(shù)情況下，風(fēng)電對計(jì)劃備用容量的作用有一定的限度，在美國，風(fēng)電的保證容量是其額定容量的5%～40%。風(fēng)電保證容量的變化幅度較大，反映出風(fēng)電出力（在有風(fēng)時(shí)）在時(shí)間上與系統(tǒng)負(fù)荷以及系統(tǒng)高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段的不同。風(fēng)電場的發(fā)電保證容量一經(jīng)確定，電力系統(tǒng)規(guī)劃人員不管采取何種方式，都要決定還需要補(bǔ)充多少容量以滿足系統(tǒng)的的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。
3、所有地方同時(shí)停止刮風(fēng)的頻率的有多大？
單臺風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的變化是很大的，對于1億千瓦風(fēng)電來說，電網(wǎng)運(yùn)營商就更關(guān)注其對電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)了。如前所述，風(fēng)電從本質(zhì)上得益于集群化，所以1億千瓦的風(fēng)電與單臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行截然不同。在更廣闊的地理范圍內(nèi)聚合風(fēng)電就會(huì)減少零輸出的小時(shí)數(shù)。單個(gè)風(fēng)電場通常在一年內(nèi)可能產(chǎn)生超過1000小時(shí)的零出力現(xiàn)象，而在廣闊地理范圍內(nèi)大規(guī)模集群的風(fēng)電機(jī)組的出力幾乎總是大于零。同時(shí)時(shí)間尺度越短，變化幅度也就越小。大規(guī)模的風(fēng)電場，每秒或者每分鐘的變量非常小，但是可能在若干小時(shí)后會(huì)呈現(xiàn)很大變化，即便分布式風(fēng)電場亦如此。
遇極端天氣情況，風(fēng)速增大，出于安全考慮，風(fēng)電機(jī)組需要停機(jī)，這時(shí)候怎么辦呢？這樣的極端天氣并不常見，在一些地方并不是每年都會(huì)出現(xiàn)，而有些地區(qū)一年中也只會(huì)出現(xiàn)一到兩次。大風(fēng)暴在4到6小時(shí)就可行進(jìn)幾百公里，所以，廣闊地理區(qū)域的風(fēng)電集群可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。在這種情況下，單臺風(fēng)電機(jī)組可能從滿發(fā)突然降到零，而更大地理范圍內(nèi)的集群風(fēng)電機(jī)組就會(huì)把這樣的突然中斷轉(zhuǎn)化為數(shù)小時(shí)的逐漸下降過程。2007年2月美國德克薩斯州就發(fā)生了這樣的風(fēng)暴。圖5顯示了一個(gè)風(fēng)電場的出力在約15分鐘內(nèi)驟降17萬千瓦的過程。而對于所有風(fēng)電場來說，總出力雖然下降了150萬千瓦，但該過程持續(xù)了2個(gè)小時(shí)。在丹麥西部，最近一次風(fēng)暴（2005年1月）使200萬千瓦額定容量的風(fēng)電出力降低90%，用了6個(gè)小時(shí)。
圖5 風(fēng)電場集群能有效抵抗突發(fā)和極端事件
而暴風(fēng)通常是可預(yù)測的。大規(guī)模風(fēng)電場可事先限定機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，以防止在暴風(fēng)來臨時(shí)，因風(fēng)速超過機(jī)組的切出風(fēng)速而造成發(fā)電量驟降，而電網(wǎng)運(yùn)營商也可以通過分析風(fēng)暴的等級,事先采取預(yù)防措施，將系統(tǒng)調(diào)整到防御狀態(tài)。控制系統(tǒng)也可以通過設(shè)計(jì)來避免所有機(jī)組同時(shí)停機(jī)的情況發(fā)生。另外，不同于傳統(tǒng)電源的大型事故，風(fēng)電事故一般不會(huì)造成電力瞬時(shí)損失100萬千瓦或200萬千瓦的情況。風(fēng)電出力的重大變化一般發(fā)生在幾小時(shí)而非幾分鐘之內(nèi)，這樣常規(guī)電源機(jī)組就有足夠的時(shí)間進(jìn)行調(diào)峰。即使常規(guī)機(jī)組不夠，也還有時(shí)間啟用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。
4、風(fēng)電很難預(yù)測嗎？
通過數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等多種方法，可以對風(fēng)能進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而預(yù)測風(fēng)電出力情況。相對于負(fù)荷預(yù)測，風(fēng)能預(yù)測是一個(gè)新興事物，準(zhǔn)確性也不如前者。目前的經(jīng)驗(yàn)表明，大多時(shí)候風(fēng)電出力情況是可以預(yù)測的，只是在程度和時(shí)間上會(huì)有誤差，所以電網(wǎng)運(yùn)營商可能對某一種預(yù)測的不確定性以及整體預(yù)測的準(zhǔn)確性更感興趣。風(fēng)電的短期預(yù)測要比長期預(yù)測準(zhǔn)確得多，對于單個(gè)風(fēng)電場，提前1到2小時(shí)的預(yù)測平均絕對誤差在5%～7%（相對于風(fēng)電裝機(jī)容量），而提前一天預(yù)測錯(cuò)誤率將達(dá)到20%。
圖6顯示了風(fēng)能預(yù)測的巨大集群效應(yīng)。如圖所示，750公里以上范圍的風(fēng)電集群預(yù)測誤差降低了50%。圖中顯示了誤差率已經(jīng)降至區(qū)域預(yù)測和單一風(fēng)電場的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)之間，以上數(shù)據(jù)是基于對德國40個(gè)風(fēng)電場所發(fā)電量的測量結(jié)果得到的。德國的一些其他研究顯示，對于一個(gè)獨(dú)立風(fēng)電場的典型風(fēng)能預(yù)測誤差約為該風(fēng)電場裝機(jī)容量的10%～15%標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)，而對未來一天某一區(qū)域的誤差率降至6%～8%，對于整個(gè)德國的風(fēng)能預(yù)測誤差降至5%~7%。如標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)法所測算的那樣，綜合應(yīng)用不同的風(fēng)能預(yù)測模型，也能提高最多20%的風(fēng)能預(yù)測精度。
更重要的是，預(yù)測誤差對于單個(gè)風(fēng)電場的影響并不大。對于所有風(fēng)電場的整體預(yù)測誤差才會(huì)影響到發(fā)電和調(diào)度。
