风电非并网理论及其应用机制探讨

河南省电力公司新乡供电公司 郭雷

引言

20世纪以来，世界风电发展都是恪守火电的发展规律，强调设计稳定，将所有大规模风电发展的注意力均放在适应电网的需求上。而风能作为可再生能源的发电优势在于清洁、无污染，其不足之处在于它们是随机的能源，其与生俱来的不稳定性会对电网的调度、管理带来不便。新能源发电要实现并网并传输到负载终端，不仅要求发电企业加大投入保障发电的安全性与稳定性，而且要求电网企业加大电网建设和先进电网开发力度。整体来看，自2006年《中华人民共和国可再生能源法》正式实施以来，在过去的5年中，我国风能发电产业得到快速发展，同时也暴露出一些问题，尤其是“并网难”的问题成为制约新能源推广应用的瓶颈。

风电的间歇性和波动性会对电网造成很大冲击，导致风电在电网中所占比重难以超过10%，这是一个世界性难题，严重阻碍了风电规模化、产业化发展进程。应对这一难题，我们提出大规模非并网风电理论。非并网风电是指风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网，而是直接应用于一系列能够适应风电特性的高载能产业及其他特殊领域，目前主要应用于以电解铝为重点的有色冶金工业、盐化工氯碱产业、大规模海水淡化、规模化制氢制氧以非金属为原料的精深加工等。风电非并网理论在世界上是首创，开辟了世界风电多元化应用的新领域，它对其他发展风能的国家也提供了理论和实践的借鉴；对非并网风电系统的研究和开发，奠定了构建大规模非并网风电产业体系的重要基础。基于以上考虑，本文尝试对风电非并网理论的产生背景和基本原理进行介绍，并结合我国江苏省的实际案例，对大规模非并网风电的应用机制进行分析，以期为相关理论和实践部门提供决策参考。

1 风电非并网的理论背景

风电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用方式，其中电网是风电的负载和用户的电源；电网的存在保证了风电的利用。但是，由于风电的不稳定性和波动特性，风电存在着电压差不稳定、相位差、频率差、难以控制等问题，大规模风电上网还存在着现阶段难以克服的技术障碍:①目前，虽然变速恒频风力发电机组能够满足电网稳频稳压和稳相的要求，但随着风力机功率的提高、风力机的结构尺寸加大，控制难度增大，降低了系统可靠性；②风电并网系统低电压穿越能力抗干扰能力较差，抵御电网故障能力弱，电压跌落时会造成电网电压和频率崩溃，给工业生产带来巨大损失；③风电大规模介入电网必然会使电网的可靠性降低，进而影响电网的调度和运行方式，目前风电对电网贡献率难以超过10%。由于受并网风电系统的投资、运行和维护成本的制约，风电价格较高，致使风电的大规模应用受到限制。

所谓非并网风电，就是风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网，而是直接应用于一系列能适应风电特性的高耗能产业及其他特殊领域。非并网风电的直接应用，将引发风电产业在风力机设计、输变电系统功能的一系列简化，最终实现风能利用效率的提高和系统成本的降低，为大规模利用风电提供了多元化发展途径。非并网风电运行方式的优势体现在以下几个方面:

①采用直流电，回避风电上网电压差、相位差、频率差等难以控制的问题，绕开电网这一限制风电大规模应用的瓶颈，也避免了风电并网对电网系统的影响。

②突破终端负荷使用风电的局限，使大规模风电在非并网风电系统中的供电比例达到85%以上，一些行业可达100%。

③提高风能利用效率，简化风力机结构和风电并网运行时所需的大量辅助设备，风电经简单配置就可以直接应用于某些特定产业，大幅度地降低风电场的制造成本和风电价格，风机制造成本可下降25%～35%，发电量增加10%～15%。

2 风电非并网理论在我国的应用价值

对于我国而言，还具有更为重要的特殊实践价值。一方面，我国电网的实际情况与西方风电发展大国不同。丹麦是目前世界上风电贡献率最高的国家，2005年风力发电已经占全国电力总量的22%，而在西北部地区，这个比例甚至已经达到100%。但事实上，丹麦风电的高比例很大一部分是由其周边国家消化掉的。这是因为丹麦与欧盟其他国家有电网协议，该协议使丹麦电网消耗不了的风电可以输入到周边国家的电网之中，这样就由整个欧洲电网替丹麦高比例的风电起到了调节作用。而我国自2002年电力体制改革以来形成的华北、东北、华东、华中、西北、南方共6个区域电网相对独立，且抗超负荷、波动性的能力较弱，因此在可预期的20～30年内，在风电并网技术未取得突破性进展的情况下，风电站发电量占整个电网的比例在中国要突破5%、国外突破10%的大关还具有相当大的困难。

另一方面，对西方国家来说，风力发电是在其完成资本原始积累、步入后工业化时期进行的，风电项目所需要资金庞大，因此西方国家多通过财政补贴的形式大力支持风电的并网。近年来我国综合财力和地方财力的增长幅度都很快，财政实力渐趋雄厚，但我们正面临着构建和谐社会的重要任务，公共财政的重要目标是建立起一套低水平、广覆盖的社会保障体系，对于某些有利于国家长期发展的产业可以通过少量财政补贴的形式起到“四两拨千斤”的推动作用，但决不可能像西方国家那样给予风电发展和并网大规模的财力支持。在风电并网发展得不到财政充分补贴的条件下，就需要我们探索风电的多元化发展道路，通过氯碱等特定高耗能产业的发展来促进非并网风电的发展，进而推动整个风电产业的健康发展。

鉴于此，依照目前我国发展风电的思路和做法，对我国宏观能源状况将起不到战略突破和显著的改善作用。对此，我们不是悲观主义者，也不是无路可走，这就需要我们绕开西方模式，通过自主创新，探索有中国特色的、有自主知识产权的风电多元化发展的新途径，走出一条既能缓解当前日益严重的环境污染，又能满足日益增长的能源需求和优化我国能源结构的创新之路，这就是“非并网风电理论”应用的特色之路。

3 非并网风电的基本原理

非并网风电(Non-gid-connection Wind Power, NWP)理论的核心是:风电的终端负荷不是电网，而是某些特殊的工业生产。具体而言，非并网风电是指大规模风电直接应用于一系列通过技术创新、能较好应用风电特性的产业。大规模风电的终端负荷不再是电网，其与蓄电池配套的小型独立运行供电系统也不同，而是将风电直接输送到一些高载能的企业，即实现100%能量转换，解决无法上网的风电的利用问题。风电是世界上公认的除水能、核电外，最接近商业化，市场竞争力最强的可再生能源技术，而且其占用土地少，社会争议少，环境友好，能较快实现规模化和产业化。但业界又称风能为“垃圾电”，因其为间歇性能源，并网会给电网调度、调峰、安全、成本等带来一系列问题。据国网能源研究院资料显示，2020年风电装机总规模从1亿千瓦提高到1.5亿千瓦情况下，整个电力系统的运行成本将提高1.1%。

以这个理论核心为基础，可以设想在江苏东台2000多平方公里的浅海沙洲上建设近期6万MW、远期12万MW的浅海风电场。再以浅海风电场为中心，向前延伸可以建立光、机、电、仪一体化的风电设备制造与研发中心；向后延伸可以将浅海风电场发出的非并网风电直接应用于盐化工产业，形成风电-烧碱-化纤及造纸产业链、风电-氯产品-PVC产业链、风电-燃料电池产业链，以及应用于金属和非金属冶炼及加工，形成风电-高能耗工业产业链。

4 大规模非并网风电的应用机制

以上分析了非并网风电的理论背景及其实践价值，不难看出，大规模非并网风电的应用，是一条中国特色风电多元化发展之路的重要探索，而建设大规模非并网风电产业体系，也是我国风电多元化发展的重要环节；然而，非并网风电的前景固然美好，但道路荆棘漫布，至少面临人才、资金、技术、环保等各方面的挑战；同时，非并网风电作为特定区域风电产业的一个组成部分，具有明显的区域属性，因此大规模非并网风电的实施，还需要一整套相应的区域创新机制予以协调。

按照Cooke的观点，区域创新系统(Regional Innovation System, RIS)指的是主要是由在地理上相互分工与关联的生产企业、研究机构和高等教育机构等构成的区域性组织体系，且这种体系支持并产生创新。尽管此后的研究并未得出关于RIS的一致定义，但其基本内涵都包括四个方面:第一，具有一定的地域空间；第二，以生产企业、研发机构、高等院校、地方政府机构和服务机构为主要的创新主体；第三，不同创新主体之间通过互动构成创新系统的组织和空间结构，从而形成一个社会系统；第四，强调制度因素以及治理安排的作用。以下，本文将主要基于RIS理论的基本理念，以我国江苏省的风电发展的现实状况为例，分析大规模非并网风电的应用机制和实现途径，尝试构建非风电区域创新系统(NWP-RIS)。

1）整体设想

本文认为，江苏NWP-RIS是一个政府主导的网络型混合产业RIS，至少可以从治理结构、优势产业和创新资源的配置主体三个方面进行考虑。

①治理结构方面。首先，企业所需资金主要来源于银行贷款，江苏NWP-RIS所需要的庞大资金不是单纯的分散投资所能满足的，政府也不可能罔顾构建和谐社会的目标而将公共财政大量投入其中，只有银行贷款才能在技术和经济层面满足其需求；其次，相对而言非并网风电设备制造与研发由于技术积累较少而面临较多的技术难题，要求较高的技术专业化水平，而传统的盐化工产业与金属冶炼及加工产业的技术改造拥有的技术积累相对较多，对应较低的技术专业化水平。这样，江苏NWP-RIS的技术专业化水平呈现多层次的状态。

②优势产业方面。非并网风电居于整个系统的核心地位，其它部分的存在理由都建立在它存在的基础上；但是非并网风电很少提供最终产品，其价值只有通过应用它的传统产业才能得到实现，因此在这个系统中，并不存在绝对的优势产业，产业形态可以被认为是混合的。

③资源的配置主体方面。江苏NWP-RIS的静态构成应当完整地包括RIS中的政府、企业、研究组织和中介组织四个子系统，且满足整个系统对它们的要求；在系统动态运行的调控过程中，创新活动应能从时间、空间、客体和不确定性等方面实现资源配置的效率，应能构建方方面面的协调和层次，应能在外部干扰造成波动后保证过程的平稳继发，应能使创新成果在相关产业和企业间快速扩散。

2）实践对策

①组织机构方面。首先，为了扮演好双重角色，政府必须准确锁定自身该作为和不该作为的领域和时机。比如，一待合理的政策制度形成，政府职能就应当从制定规则转变为提供服务。再比如，政府在系统的形成和成长阶段要着力发挥建设者和推动者的作用，而在系统的成熟阶段则要发挥好调节市场的作用。为此，政府应当对其内部机构进行组织安排的创新，可以考虑设置一个柔性的职能化工作机构，根据系统发展的阶段展开工作。

其次，为了转变运营模式，风电设备制造企业和非并网风电应用企业可以就设备的专用性专门建立一个由创新管理者领导的创新技术小组，配套建立起与其它各方，尤其是研究组织和中介组织进行实时信息交流的虚拟沟通工作机制。

再次，为了以尽可能低的成本提高中介组织的低服务水平和改善其基础设施条件，可以在现有的气象局和质量监督局等部门框架下成立专业的风资源评估机构、风电设备检测与认证机构、风电知识和技能培训教育中心，将与非并网风电相关的技术创新活动纳入现有的技术交易市场、科技孵化器、工程技术中心和通用实验室，并由政府成立的专门工作机构负责协调。

②构建制度系统方面。创新主体之间的联系紧密程度与NWP-RIS绩效正相关，非并网风电产业链上的利益相关者对促进产业发展也具有重要作用，所以可以考虑通过吸引系统内外各种投资来形成产权多元化的现代企业制度；在知识产权制度方面，可以尝试将专利和商业秘密保护等工具结合技术转移的规章化、协议化、机制化办法使用，在维护技术创新者利益的同时促进知识流的通畅流动另外，风险投资能够有效地促进技术创新，可以考虑建立以风电产业为主营业务的公司式风险投资机构，以政府注资作为种子资本，吸引社会资本参与进来，并在适当的时机将公司业务扩展至相关产业。

③构建政策系统方面。任何实践活动都需要得到与之相适应的理论基础的指导，构建江苏NWP-RIS也不例外，政府可以设立一个顾问团来明确适应NWP-RIS的政策理论基础。为促使知识流发挥更高效用，允许人力资源自由流动的市场化人才政策必不可少。我国在出台有利于风电设备本地化和风电产业持续发展的优惠金融政策和财政政策方面已经做出了诸多尝试，现在有必要组织专家和相关设备制造厂商对这些政策的制定和运行进行评估，并在此基础上完善现有的风电建设优惠贷款、发电税收补贴、风电增值税优惠、风电设备零部件进口关税优惠等政策。

5 结束语

以上，本文主要以江苏为例对大规模非并网风电的区域创新系统(NWP-RIS)构建途径进行了探讨。总的来说，大规模非并网风电的应用，是探索中国特色风电多元化发展之路，建设大规模非并网风电产业体系，是我国风电多元化发展的重要环节。非并网风电产业体系的构建，是以“非并网风电理论”为依据、以我国风能富集区的大规模风电场建设和运营为重点，涵盖其前向关联度大的风电设备零部件研发和制造、风机组装、电控系统等产业，后向关联度大的有色金属冶金、盐化工、大规模海水淡化、规模化制氢制氧等高耗能产业，以及侧向关联度大的风机运营维护、风电场观光旅游、风电项目投融资管理、金融保险等产业，构成可涉及三大产业、多方位、多产业链交织的现代综合产业网络体系。

[1]顾为东.非并网风电对超大规模风电利用的战略意义和路径[J].上海节能, 2010, (05).

[2]方敏,金春鹏,顾为东.大规模非并网风电产业体系图谱研究[J].资源科学, 2009, (11).

[3]顾为东.我国海上“风电三峡”及非并网风电应用系统开发建议[J].中外能源, 2010, (08).

[4]金春鹏,刘勇,周莉雅.江苏沿海风能开发与大规模非并网风电产业基地建设研究[J].能源研究与利用, 2010, (02).

[5]顾为东.大规模非并网风电系统开发与应用[J].电力系统自动化, 2008, (19).

[6]顾为东,周志莹,邱涛.长三角浅海辐射沙洲风能资源开发与非并网风电产业发展研究[J].资源科学, 2009, (11).