风能与其他能源互补发电系统研究综述

王宇春，詹明秀

(浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027)

1 引言

随着全球经济的不断发展，人类对能源的需求量在急剧地增加。与此同时，全球范围内常规能源供应持续紧张，环境污染问题日益突出，这些因素促使世界各国大力发展新能源。在众多新能源中，风电脱颖而出，发展迅猛。截止2012年底，风电全球累计装机容量达到282.5 GW，增长幅度为20%，在新能源发电中位居第一［1］。

风力发电发展迅速、前景乐观，但是风力发电受到风力大小和方向的影响，表现出很大的随机性和间歇性，电网内必须配备更多的旋转备用容量，相应经济上会有所损失。为了能够消除由于大规模开发风电所带来的对电网稳定性不良的影响，国内外提出了多种能源互补系统，如风电 －太阳能发电互补系统［2，3］，风电 －水电互补系统［4，5］，风电 － 燃气轮机发电互补系统［6，7］等。风电与其他能源形成各种发电系统可广泛应用于生产生活中，实现低碳、节能的理念。

世界各国和地区因其风能资源状况、政府政策的不同，以及风电技术发展程度的差异，使得风电与其它能源互补系统呈现多元化发展趋势。本文主要针对新疆、内蒙古、美国和欧洲的风能与其他能源互补发电系统的工程案例进行总结，为解决风能互补发电系统的工程问题提供参考和借鉴。

2 国内风能与其他能源互补发电系统案例

我国在风能发展方面起步较晚，但近年来受国家政策支持，发展迅速。目前我国风能与其他能源互补发电系统主要以离网型用户和示范工程为主。下面以新疆和内蒙古两地风能互补发电系统工程为例介绍我国在风电互补领域取得的成绩。

2.1 新疆风能与其他能源互补发电系统

新疆的风能资源非常丰富，在全疆范围内有9大风区，风能蕴藏量达9 100亿 kW·h/年，具备大规模开发的资源条件［7］。但目前新疆风能的发展遭遇到了风电场出力波动瓶颈，亟待风能互补系统的支撑和保障。

2.1.1 风能－太阳能互补发电系统

根据国家气象局的分类，新疆地处太阳能资源丰富的二类地区。全年日照时数为3 000～3 200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳能辐射总量为5 852～6 680 MJ，相当于200～225 kg标准煤燃烧后发出的热量［8］。考虑到太阳能和风能在时间上有着很好的互补性，将风力发电装置和光伏发电装置组合成风光复合发电系统，为路灯等用电装置提供能源。实践证明风能－太阳能互补发电系统在资源配置、技术方案和性能价格等方面都是较为合理的电源系统［9］。

目前，风能－太阳能互补发电系统主要应用于小型发电设备。2011年，新疆农垦科学院机械装备研究生引进上海法诺格风能科技有限公司一套1kW小型风光互补发电系统和一套300W风光互补路灯系统，进行试验示范。1kW风光互补发电系统安装在新疆农垦科学院办公室，给LED显示屏和控制电脑供电;300W风光互补路灯系统安装在兵团六师共青团农场，用于泵站照明。该系统的发电机采用了“超越离合器叶轮风力机技术”，能够在1.8 m/s的2级轻风下启动，并可在3～5 m/s的3级微风下实现持续发电。经试验验证，引进1 kW和300 W微风发电机组工作可靠、性能稳定，能够实现“轻风启动，微风发电”，风能利用率较高［10］。此外，风能－太阳能互补发电系统对于地处边远无法进行市电供电的通信和采油基地站点来说无疑是一个可行而较为可靠的供电方案［11，12］。

由于风光互补发电系统的相关产品效率相对较低，缺乏足够的市场竞争力，仍作为补充能源应用于偏远地区［13］。但风光互补系统优越性明显［14］，到 21 世纪中叶，该系统发电形式将在能源的消费结构中占有相当大的份额，具有十分广阔的发展前景。

2.1.2 风能－水能互补发电系统

阿勒泰地区是新疆水利资源丰富地区之一。全地区6条大河水能理论蕴藏量为452万kW，近期可开发103万kW，目前已建成大小电站十余座，总装机5.29万kW，占近期开发容量的5.1%。受气候条件影响，水利资源的季节性十分明显，冬夏季流量相差较大。同时，该区西部额尔齐斯河谷是新疆九大风区之一，风能理论蕴藏量为780亿kW时/年，估算可装风机750万kW，年发电量210亿kW时，约相当目前全地区总发电量的100倍。该区风资源具有冬春季大，夏秋季小的明显季节变化特点。每年10月到来年4月的枯水期，风能可提供可观的能源供给。这表明在该地区只要以适当比例的水能和风能组合成互补系统，并由足够水库容量为储能水段，就可以实现稳定、可靠的电力供应。

于午铭［15］等人通过分析在布尔津县记录的风电机组并联运行的有关数据及曲线，发现即使风电容量超过电网容量50%的情况下，对小电网而言，风能－水能互补系统仍具有静态及动态稳定性。计算表明:当该地区风电装机达到2万kW，并且实现水能－风能统一调度时，整个冬季的保证稳定出力可达3.4万kW(未计入火电，下同);如果风电装机达到5万kW，则冬春季保证出力可达5.8万kW;夏秋季仅靠水电可满足系统用电需要。由此可见，在阿勒泰地区构建风能－水能互补系统，技术上可靠合理。此外，晁勤［4］等人还应用高级计算机语言编制的程序对布尔津县风电水电联网系统进行了潮流计算，进一步确认了方案的正确性及可行性。

2.1.3 风能－燃气轮机互补发电系统

达坂城作为新疆九大风区之一，在现代风力发电机最常用的48～78 m高程处，年平均风速可以达到7.8 m/s和8.4 m/s，有效风功率密度大于800 W/m2，年可利用小时数 7 600 h［16］。

包能胜等人对达坂城风能－燃气轮机互补发电系统做了较为完整的分析评估，包括系统发电特性分析［6］、发电成本分析［17］和系统结 构 与 容 量配比分析［18］。包能胜等人详细分析了采用大型风电场与燃气轮机组成的互补发电系统的总电力输出特性，并基于互补发电系统的基本原理，推导了互补系统发电特性参数的计算公式。此外，基于当前的技术条件和价格，包能胜等人还计算了风电场子系统和燃气轮机电站子系统各自的折旧成本、燃料成本和运行维护成本，得到了整个发电系统发电成本的计算方法，为在新疆地区实现这种互补发电系统提供了经济基础。最后，为了使得整个互补系统输出一个稳定的处理，彻底解决由于来流风速的随机性和波动性，包能胜等人建议总装机容量为120 MW的风电场配置2台40 MW的燃气轮机来补偿风电场负荷的波动是比较合适的方案。

丰富的天然气资源、丰富的风能资源、本地企业良好的风电国产化机组使得风电和燃气轮机组合成的互补发电系统在当前新疆大规模开发风能中是一种比较好的选择方案。

2.2 内蒙古风能与其他能源互补发电系统

内蒙古自治区地域辽阔，风能资源丰富。全区风能总储量1.052TW，技术可开发量约300GW，约占全国风能资源储量的40%，居全国首位。全区年平均风速3.2 m/s，年平均风能功率密度100～200 W/m2，年平均可利用小时数约4 000～7 800h，年最长连续无有效风速小时数小于100 h。内蒙古自治区可开发的大型风电场主要集中在风能资源丰富区和较丰富区，主要分布在阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市、锡林郭勒盟以及赤峰市北部等地区，平均风速5.0～6.5 m/s，开发总面积约500 900 km2，风能资源总储量700 GW，适合开发建设百万kW风电基地［19］。

2.2.1 风能－太阳能互补发电系统

内蒙古不仅有储量巨大的风力资源，太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高，日照充足，干旱少云，光辐射强，日照时数也较多。辐射量为每平方米4 800～6 400 MJ，年日照时数为2 600～3 200小时，是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5 500 MJ以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5 000～5 500 MJ之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万km2，约占全区总面积的61%。丰富的太阳能资源造就了内蒙古风能－太阳能互补发电系统的迅猛发展。

佟小林［20］等人选择全区1991～2006年辐射资料和1977～2006年风资料进行分析，将风能资源分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看，冬强夏弱型为互补性最强;春强夏弱型较强;春季强夏秋冬弱型互补性一般;春季强夏季弱型较差;春强冬弱型无互补性。与新疆相似，目前内蒙古风光互补发电系统主要应用于小型发电装置，苏尼特右旗安装的一套离网型户用风光互补系统匹配性能良好，设计合理［21，22，23］;鄂尔多斯新能源产业示范区和发电产业区建立了风电、光伏发电容量配置比例为5∶1的并网型风光互补系统［24］;锡林郭勒盟在农牧区推广移动式风光互补系统，发电效率高、结构简单、携带方便，是较为理想的小功率发电设备［25，26］;包头市垃圾填埋场将风光互补发电系统运用用户照明用电上，节能环保［27］;阿拉善盟利用了风光互补发电系统为通信基站供电，建设过程中结合了太阳能、风能设计、施工和使用过程的经验，快捷便利［28，29］。除了上述的小型风光互补系统外，二连浩特计划完成一项城市供电示范项目，赵毅峰［30］等人对该项目工程建设条件、工程建设方案、环境影响及保护、财务和社会效益等方面进行分析，为公司的投资提供建议。

风光互补发电系统的很重要的一点就是要保证用户的用电稳定性，同时又不能使发电成本过高。白学敏［31］等人针对白云鄂博地区的资源状态和当地典型牧户的用电需求进行了用电负荷计算，并进行了风能和太阳能发电量以及蓄电池容量的匹配计算，为合理优化清洁能源发电提供参考依据。李文慧［32］等人也提出了用户的用电负荷情况需和资源条件进行系统容量配置的观点，并归纳了收集数据、调查负荷状况的特征、确定供电份额、计算蓄电池容量、确定系统结构和编制投资预算及发电成本等风光互补发电系统优化设计步骤。

风光互补发电系统的应用前景广阔，经过世界各国多年的实践经验证明风光互补的应用方向，不应以联网发电为主，而是以民用为主，比如照明、家庭、工厂、大厦的独立电影，其中照明将是风光互补发电系统在未来城市、乡村道路照明系统应用的发展方向。

2.2.2 风能－抽水蓄能互补发电系统

新疆巴彦淖尔地区水资源丰富。地表水来源于内陆河水系和过境水系。内陆河水系分布在阴山以北地区，多属季节性河流，流域面积3.1万 km2，多年平均径流量1.1亿m3。过境水系主要是黄河水，年均过境流量 316 亿 m3［19］。

抽水蓄能电站就是为了解决电网负荷高峰和低谷时的供需矛盾而产生的一种储能方法，其效益包括静态经济效益和动态经济效益。风能－抽水储能互补发电系统可以平滑风电场输出的有功功率，有利于整个电网系统安全稳定运行。在国外已有较为成熟的风电－抽水蓄能电站联合运行经验，抽水蓄能电站长期被认为是风电联合配套运行的理想装置。

3 国外风能与其他能源互补发电系统案例

目前国内除了风光互补系统的应用相对成熟外，其余的系统仍处于研发阶段，而一些发达国家在理论研究和工程实践上都取得了阶段性成果，例如2013年日本将在日本海海岸建成第一座风能－潮流能互补发电系统［33］，美国学者设计出了一款名为HYPORA的软件用于计算互补系统的能源配置、发电成本等［34］。下面以美国和欧洲两地风能互补发电系统工程为例介绍国外在风电互补领域取得的进展。

3.1 美国风能与其他能源互补发电系统

美国中部地区，地处广袤的北美大草原，地势平坦开阔，其年平均风速均在7 m/s以上，风资源蕴藏量巨大，开发价值很大。美国十分重视风能的开发利用，每个州均有一个运行的风能发电项目或者与风能相关的制造工厂［35］。目前美国已经完成了约900个风电项目，装机容量达到60 000 MW，能够满足1 000万户家庭的生活用电需求［36］。

3.1.1 风能－太阳能互补发电系统

2012年，美国德克萨斯州的风能已经占到了其发电总量的7.4%，不可避免的出现了电网负荷调节困难的问题。潘汉德尔作为该州风电比重最大的地区，尤其需要考虑通过多种能源的互补来实现风电的平稳出力。由于该地区太阳能资源也较为丰富，所以风能－太阳能互补发电系统成为了首选方案。

针对潘汉德尔现有的风电厂运行状况，Brian［37］等人通过经济性分析发现67 MW风电场配置33 MW光伏电场是最优的实施方案，但实际上该系统1 MWh的发电成本为108～129美元(不考虑补贴)，远高于只配置风电场时的64美元。该系统在2004年运行期间，借助于光伏电场6h的热能储存很好的保证了电网负荷的稳定，在一定程度上弥补了两种发电方式的差价。由于Brian等人在计算生产成本时并未考虑政府补贴，所以实际所需的发电成本更低，这也是风能－太阳能互补系统能够大力推广的必要条件之一。此外，Reichling［38］等人通过对一座位于明尼苏达地区的风光互补发电厂的运行状况进行建模，发现目前风光互补发电系统相对于单纯的风电厂并没有价格优势，但随着两种发电技术的不断耦合和完善，不久后风光互补发电系统的发电成本有可能低于风电厂。

3.1.2 风能－柴油机互补发电系统

2008年，阿拉斯加州议会通过了一项在偏远地区大力发展风能－柴油机互补发电系统的议案，至2013年12月，超过34亿美元的资金将用于该州30个乡镇风能互补发电系统的建设。为了保证建设方案的正常执行，Ginny［39］等人分析了技术、社会、资金等因素对该议案实施的影响效果，最终发现技术是决定该议案能否达到预期目标的最主要因素。

3.1.3 风能－潮汐能互补发电系统

美国加利福尼亚州北部具有丰富的潮汐能［40］，潮汐发电作为该地的特色发电项目已形成一定规模。Eric［41］等人以国家浮标数据中心提供的风力和潮汐测量数据为基础建立了风能－潮汐能互补发电系统运行模型。通过分析模型，Eric等人发现两种能源均具有可观的利用价值，其中风力发电能够为电网提供30%～50%的电量，而潮汐发电量也占到了22% ～29%。如果将风能与潮汐能互补，则该系统全年仅有100 h无电输出，远低于单独采用风力发电的1 000h和单独采用潮汐发电的200 h，可见两种能源具有很好的互补性。

3.2 欧洲风能与其他能源互补发电系统

欧洲是世界风能利用最发达的地区，其风资源非常丰富。欧洲沿海地区风资源最为丰富，主要包括英国和冰岛沿海、西班牙、法国、德国和挪威的大西洋沿海，以及波罗的海沿海地区，其年平均风速可达9 m/s以上。整个欧洲大陆，除了伊比利亚半岛中部、意大利北部、罗马尼亚和保加利亚等部分东南欧地区以及土耳其地区以外(该区域风速较小，在4～6 m/s以下)，其他大部分地区的风速都较大，基本在6～7 m/s以上［42］。

3.2.1 风能－太阳能互补发电系统

Corsica是法国最大岛屿，据统计，该岛太阳日均辐射能为4.5 kW·h/m2，平均风速为3 m/s以上。Diaf［43］等人对该岛5个地区的多种风光互补系统的建设方案进行对比分析，发现项目所需经费很大程度上取决于当地的能源品质，而装机容量比例需重点考虑有效风能总量。Diaf等人还发现如果增加系统中互补能源的种类，例如添加传统的发电机都能有效的减少能源超负荷的现象。

西班牙Extremadura大学的工业工程学院外装有由一台Rutland－913风力发电机和两块Helio H－45太阳能板组成的风光互补发电系统。Calderón［44］等人测量了该互补系统在运行过程中的太阳辐射和风速大小，并进行了能量守恒分析，发现该系统风能转换为电能的效率为9.71%，而太阳能的转换率仅为2.24%，所以通常情况下风光互补发电系统中风能的容量比例大些。

3.2.2 风能－燃气轮机互补发电系统

风电场在欧洲国家的兴起使得采用燃气轮机作为大型风电场的互补成为现实。据报道，2004年6月，E-clipse Energy宣布将在英国英格兰郡Cumbria距离Walney岛以西10 km的海上风气互补项目(Wind and Gas To Wire)－Ormonde项目。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目总装机容量210 MW，其中风力发电装机108 MW，由30台3.6 MW风力机组成。燃气轮机93 MW，由3台31 MW的燃气轮机组成，总投资估计1.6亿英镑。从国外的项目上看，风力发电的容量与燃气轮机的容量比例大约是3∶2，也就是风力发电占59%的容量，燃气轮机占41%的容量，并且项目中的燃气轮机都由功率为40 MW左右的小型燃气轮机组成，这样的容量比例方法肯定是开发商依据当地的风能资源分布优化的结果［45］。

3.2.3 风能－氢能互补发电系统

2008年，西班牙风能发电量超过水能，达到27 000 GW·h，已经能够满足全国10%以上的电力需求，但风能利用的不可调性表现得更为明显，严重影响了电网的稳定运行。Martín［46］等人研究了一个装机容量为 48.8 MW的风电场，其多余的18.4%电量被用于电解槽产氢，每年约产生13 GW·h的氢能。通过技术性和经济性分析，Martín等人发现虽然现有的互补系统能够带来一定的经济效益，但系统的进一步推广仍需依赖于氢气生产技术的不断进步和完善。此外，Tao Zhou［47］等人对氢气产生过程进行模拟时通过引入流量、压力等控制器解决了电解槽运行参数控制问题，保证了风能与氢能互补发电系统高效产氢，为该系统的工程应用提供了可能。

3.2.4 风能－生物能互补发电系统

Navarro［48］等人通过对工程测量数据进行模拟尝试为40 MW的风电场配置生物气化电厂来稳定出力，结果表明风能与生物能互补发电系统是可行的，但为了提高系统的经济效益，生物气化电厂的原料需种植在风电场附近甚至风电场内。

4 结语

风能的利用有助于实现能源的安全和多元化，减少温室气体排放，减少化石燃料造成的城市环境污染，替代核能，并能提供大量就业机会。风能与其他能源互补系统的应用不仅为风能的稳定出力提供了保障，还在一定程度上提高了风能的利用率。但是，目前除了风光互补系统发电技术相对成熟外，其余的互补系统仍处于尝试阶段，有待进一步模拟分析和优化设计。总之，风能是否能够继续保持迅猛发展的势头很大程度上取决于互补发电技术的研发进度，两者相互依托，相互促进。

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