我国风电产业的发展现状分析及未来展望

李昊璋 刘苹元 王锦鸿 张翼鹏 陈剑波

摘要：首先对我国风能资源的分布进行了阐述，随后分析了陆上风电的发展现状和风力发电机的相关技术以及沿海风能资源的分布与利用，最后对我国目前风力发电存在的问题进行了分析，并对未来风电的发展进行了展望。

关键词：风能资源分布;陆上风电;沿海风能产业;海上风电;海上风机支撑技术

0    引言

进入21世纪以来，全球人口、经济持续增长，世界能源需求增长强劲。如今，中国能源领域已经发生了翻天覆地的变化，发电量已连续多年占据世界首位，是名副其实的世界能源大国。

然而，我国的能源产业结构布局却不平衡，我国能源特点可以总结为“多煤少油缺气”，煤炭始终是我国消费量最大的能源。就最近來看，2018年我国发电量再次全球第一，达到近6.8万亿kWh，其中火力发电量达到49 794.7亿kWh，占据了全部发电量的73.3%，占据了主导地位。

为了改变这种不平衡的布局，使我国从能源大国向能源强国迈进，习近平总书记提出了“四个革命、一个合作”的能源战略思想来调整能源结构，实现多元化，降低对石油和煤炭的依赖。

能源问题不仅关乎国家的经济发展，更是国家战略发展的重中之重。可以预见，在未来的几十年里，新能源的发展将是大势所趋，以风能等清洁能源为支撑的清洁能源体系将会建立，中国的能源产业结构将会重新布局。

风力发电是新能源发电的主要项目，也是国家大力投资发展的项目。2018年，国家发布了12项国家政策、27项地方政策。2019年，国家发改委、国家能源局、中共中央国务院等又发布了《绿色产业指导目录（2019年版）》《产业结构调整指导目录（2019年本，征求意见稿）》《关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》等三十几项政策，这表明了国家对风能等绿色能源产业大力扶持与坚持发展的决心。

1    我国风能资源的分布

我国地理位置优越，北邻西伯利亚平原，东靠太平洋，南抵印度洋海域，受南印度洋的西南季风、澳大利亚北部的东南信风以及支气流源于北太平洋副热带高压给中国大陆带来的东南季风和南季风影响，我国具备安装风力发电机条件的地域十分广阔。

我国幅员辽阔，960万平方公里的土地上有着许多的草原、高原、山地等，这些都是风力资源十分丰富的地区;此外，我国还有着长达18 000多公里的漫长海岸线，在那里，风力发电机有着无限的发展潜力。

利用风能发电不但可以解决我国目前能源短缺的问题，而且同时可以满足低碳绿色的可持续发展目标，这是传统发电所无法比拟的优势。

有关数据显示，中国陆上离地10 m高度风能资源总储量约43.5亿kW，占据世界第一[1]。海上10 m高度可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。中国气象局2003年开展的全国风能资源第三次普查显示，我国可开发的（风能功率密度不低于150 W/m2）的陆地面积约为20万km2[2]。

在如此大的发展前景下，我国正在加快风力发电机的发展，近十年来，我国风力发电机发电总量平均年增长率达到42.8%[3]，且随着风电技术的成熟，更多的风能资源将会被开发和利用。

2    陆上风电的发展

2.1    陆地风能资源开发历程

自20世纪五六十年代开始，我国对风力发电机组进行了一些研究，但还处于摸索阶段，由于国内的技术限制以及国外的技术封锁，这个时期的研究并未取得实质进展，但总体还是为以后的研究发展积累了一定的经验。

20世纪70年代末期，在国家有关部门的指导下，科研人员开始对小型离网风力发电机进行研究，目的是为海岛和偏远山村解决电力输送问题[4]。经过一系列的努力，我国在小型离网风力发电机上取得了一定的成果，解决了边远山区、农村的用电问题。

20世纪八九十年代，我国风电行业开始出现第一次热潮，大批科研人员投入风电行业，国家也出台了许多相关政策。1986年，我国首个风力发电场——山东省荣成市马兰风力发电场建成运营;1989年，我国开始建设100 kW以上的风力发电场;1994年，新疆达坂城风电总装机容量达10 MW，成为我国第一个装机容量达万千瓦级的风电场;1996年，国家原计委推出“乘风计划” “双加工程” “国债风电项目”，使我国风电事业正式进入规模发展阶段[5]。

进入新世纪以来，我国风电行业持续迅猛发展，自2005年以来，连续6年累计装机总容量增长率超过100%，至2010年底，我国风电装机总容量已经超过美国，位居世界第一[6]。在2009年还颁布了《新能源产业规划》，确定了将在甘肃、内蒙古、新疆、吉林、河北和江苏建立7个千万千瓦级的风电基地。2020年，7个基地总装机容量达到了1.7亿kW[7]。

2.2    陆上风力发电机的相关技术

目前国际上风力发电机的运行方式主要有独立运行、联合互补运行以及并网运行。其中风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量转换的两大主要部分，因此风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键技术之一。为了控制风力机和发电机，目前国内主要采用定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种方式。

与此同时，国内的发电机并网技术也在蓬勃发展，包括直接并网、准同期并网、降压并网和可控硅软并网等。目前，直接并网方式仍为国内主流，其方法简单、操作容易，不需要同步设备和整步操作，但并网瞬间冲击电流和电压降较大[8]。

与风力发电相配套的电网系统近些年也有较大发展。目前，国内主流的风力发电系统有恒速恒频风力发电系统、变速恒频风力发电系统两种，其中恒速恒频风力发电系统一般采用大小两套配合发电，风速低时小容量风机可以进行发电，风速大时均能并网发电。而变速恒频风力发电系统可以更加灵活地利用风能，优化了机组运行条件，系统发电效率也大大提高。目前国内一般采用变速恒频风力发电系统，系统发电效率一般可达60%～70%[9]。

除此之外，在风电并网仿真模拟技术方面，中国电力科学研究院等科研院所、清华大学等高等院校建立了大型的模拟仿真风力发电实验室[10]，具备较强的仿真模拟技术能力和相关检测能力，正从“跟从国外技术”向“引领世界技术”转变。

而在功率预测技术方面，目前，金风科技等部分整机厂商在风电机组并网适应性控制方面的技术进步非常明显，在高电压穿越、机组虚拟惯量控制、场级同步发电机技术（VSG）控制等技术领域都取得了一定的成绩。

3    沿海风能资源的利用与开发

3.1    沿海风能产业的兴起

近些年来，风力发电行业发展迅猛，随着陆地优质风能资源的逐步开发，陆上风力发电已趋近饱和，根据国家最新相关政策，许多企业纷纷把目光转向海上风电机的建设。

海上风电主要是指近海风电，与陆地风电相比，它具有不占用土地、海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量大、可以忽略噪声和视觉的影响等优点。因此，海上风电已成为国际风电发展一个新的方向[11]。

海上相比于陆地有着良好的风况，而风力发电的核心就是风力的大小，据统计，离岸10 km海域的海上风速通常比沿岸要高出20%。风电机组的发电功率（即风功率密度）与风速的3次方成正比，因而同等条件下，海上风电机组一年的总发电量比大陆大约高70%;同时，海上风力常年不衰，不存在陆上的静风期，因此，海上风电机组的发电时间更长[12]。

3.2    沿海风能资源的分布

我国幅员辽阔，风能资源较丰富的地区多，风能理论可开发总量为32亿kW，实际可开发量约2.5亿kW，仅次于美国和俄罗斯[13]。

中国国家气候中心2017年发布数据显示，我国近海地区能源丰富，四大海区中东海风力最丰富，各海峡中以台湾海峡风力最丰富。但我国地处热带和亚热带季风带交界处，容易受热带气旋影响，对我国海上风力发电会造成一定的影响[14]。

为了有效利用沿海风能，我国将沿海地区划分为三级风区[15]：

第一级为“风能丰富区”，即年平均有效风能密度大于200 W/m2，有效风速（3～20 m/s）时数年累积小时大于5 000 h的区域。

第二级为“风能较丰富区”，即风能密度150～200 W/m2，有效风速时数年累积小时为4 000～5 000 h的区域。

第三级为“风能可利用区”，即风能密度50～150 W/m2，有效风速时数年累积小时为2 000～4 000 h的区域。

除此之外，根据中国气象科学研究院估计，中国10 m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿kW，而近海可开发风能资源是陆地的3倍多[16]，故我国可开发利用的风能资源初步估算约为1 000 GW，其中海上可开发和利用的风能储量约750 GW。

但我国海上风电建设起步较晚，2008年才开始建设我国第一个大型海上风电场。

2009年，我国东海大桥海上示范风电场建成投产;2012年底，我国海上风电场累计装机容量接近40万kW;受海域使用等因素影响，2013年，我国海上风电发展放缓;2014年，我国海上风电新增并网容量约为20万kW;截至2016年底，我国海上风电累计装机容量达162万kW，海上风电占全国风电总装机容量的比重为0.96%[17]。

3.3    沿海風能资源的利用

目前，我国东部沿海地区对风能利用效果较为显著。

以福建省为例，由于台湾海峡的“狭管效应”，福建省拥有丰富的风能资源。

2000年起，福建省先后在平潭、东山、莆田、漳州等地建成商业化运行风力发电场。

截至2018年底，福建省已建成投产风电项目7个，累计安装风电机组176台，装机总量达23 375万kW，累计发电304亿kWh。

此外，江苏、上海等风能资源丰富的沿海地区已经形成百万千瓦级的风电基地，风力发电装机容量要达到60万kW以上，预计占该地区发电总量的2%[18]。

到2020年，我国海上风电并网目标为5 GW，累计开工目标为10.05 GW[19]。

2020年全国海上风电开发布局如表1所示。

此外，我国还建立了以数值天气预报为基础，基于人工神经网络的风电功率预测系统，能够依据特定风电机组或风场发电量的历史数据对输出数据进行修正，以预测未来建立风电场的风电功率[20]。

为了进一步掌握沿海地区海上风能资源转变情况，对沿海地区风能利用有更长远的规划，陈飞等[21]利用连云港市30多年的气象资料，分析了连云港地区及其近海的风能资源分布特征，发现该地区风能资源储量丰富，风速变化稳定，有着广阔的风能资源开发前景;毛慧琴等[22]利用广东省86个气象站历史测风资料以及沿海72个风能测风塔临时观测资料，对广东省及沿海的风能资源进行了分析;杨丽芬等[23]曾利用海洋站观测资料，对龙口的风能资源进行分析，结果表明，龙口年平均风能密度为377 W/m2，年平均有效小时数为7 589 h，主风向较为显著，适于风力发电。

3.4    海上风机支撑技术

海上风机是在陆地风机基础上，针对海上风环境进行适应性改造而诞生发展的。海上年平均风速明显大于陆地，欧洲对北海的研究表明，离岸10 km的海上风速比岸上至少高25%[24]。

目前，海上风机的支撑技术主要有底部固定式支撑和悬浮式支撑两大类[25]。

其中，底部固定式支撑又分为重力沉箱基础、单桩基础和三脚架基础。

（1）重力沉箱基础。

重力沉箱基础是依靠箱体自重使风机直立在海面上的一种技术，该技术应用水深通常小于10 m。

（2）单桩基础。

单桩基础是以一个直径在3～4.5 m的钢桩为基础，钢桩安装在海床下18～25 m的地方，以固定风机，将风塔伸到水下及海床内。该技术应用水深通常小于25 m。

（3）三脚架基础。

三脚架是在风塔下面的钢桩利用三脚钢套管形成一些三脚钢架，承担和传递来自塔身的载荷。该技术应用水深通常在10～20 m。

悬浮式支撑技术主要有浮筒式支撑和半浸入式支撑。

（1）浮筒式支撑。

浮筒式支撑是由8根与海床相连的缆索固定，并使风机塔杆通过螺栓与浮筒相连。

（2）半浸入式支撑。

半浸入式主体支撑结构浸于水中，通过缆索与海底的锚锭连接。该形式受波浪干扰较小，较为稳定。

4    我国风力发电存在的问题与挑战

近年来，我国风电产业蓬勃发展，无论是从装机容量还是从发展规模来看，都已跻身于世界风电大国的行列，风电技术也取得了很大进步。

但是在风电发展中也出现了许多问题：

4.1    弃风限电问题

大规模风电的消纳一直都是世界性难题，我国在这方面的问题更加突出。由于我国风电发展路线以集中建风电场为主，几十台甚至几百台并网的风电场造成了上网消纳风电的困境[26]。

而且风电资源较为丰富的地区，一般是经济比较落后的地区，用电量不大，就地消纳比较困难，造成了弃风限电问题。

4.2    风电并网问题

风力发电是一种新的发电方式，风能具有的不稳定性加上风机的抗干扰能力较差会导致风电输出不均衡、风力发电输出功率不稳定等问题。

风电并网特别是大规模风力发电的风电并网，会导致电网负荷增大、稳定性降低、故障增加等问题。

4.3    电力储存技术薄弱

风电属于新兴产业，而前期研发投入不足，导致了风电储存技术并不成熟。前面提到的风电消纳问题，可以通过外送的方式来解决。风电外送的手段除了建设超高压电网外，就是大规模电力储存技术的应用。

目前，储能技術虽然发展比较迅速，但这项技术还不够完善，成为了制约风电发展的一个重要因素[27]。

4.4    产业结构不完善

我国风电的发展起步较晚，国家对风电行业还没有制定相应的技术标准，风电企业还没有相对应的标准约束，导致风电企业根据政策盲目跟风、盲目竞争，制约了我国风电的发展。

4.5    风力发电机安全性能不足

虽然国家和企业开始高度重视风力发电技术，但在安全性能方面并没有过多关注，无法保证发电机组的安全性与稳定性，甚至部分设备存在一定的安全隐患，导致风力发电机安全性不足，故障频发，不仅导致了额外的维修费用，而且在一定程度上阻碍了风电的发展。

4.6    资金不足

由于风电投入大，回报时间相对较长，而电价由政府制定，电价较低，导致了风电项目收益太少，甚至亏损，每年只能依靠国家补贴勉强维持[28]，因此资金不足也制约着风电发展。

5    我国风电发展前景展望

随着传统能源的不断消耗，国际上对探寻新能源的呼声也越来越高，因此我国对新能源发展的支持力度也越来越大，对风电的发展也给予了许多的政策倾斜，所以风电的发展十分迅速，可以说发展前景一片大好。

目前，风电的发展已经初具规模，装机容量不断增加，电能产量不断提高，但在未来的发展过程中，装机容量还要进一步增加，同时要加大力度研发风电相关技术，提高风电的发电效率与稳定性，使风电在总发电量中的比重不断提高，成为我国电力系统的重要组成部分。

此外，海上风力资源丰富，甚至比陆地风力资源更为丰富，因此，海上风电和陆地风电并举能对风电的发展起到极大的促进作用。

在未来的风电发展中，还要继续优化风电发展，加强对电力储存技术的研究与开发，使其能大规模应用于风电建设;同时，要加快输送电网的建设进程，并结合地理因素以及电网分布情况对其进行合理布局。

在未来的风电发展中，还应重视风电产品的安全性能，加强对现有风电产品的检测与维修，重视风电产品研制与生产，逐渐替代原有的一批国外进口的风电产品，以降低维修费用。

与此同时，由于风电成本在发展初期较高，国家应制定相应的发展政策，加大对风电产业特别是经济较为落后地区风电产业的资金与技术支持力度。

同时，在风电定价方面，国家应学习国外的定价策略，采取一些灵活的政策，鼓励风电的可持续稳步发展[27]。国家还应对风电行业制定技术标准，对风电企业进行更为完善的标准约束，使风电企业的技术不断优化升级，对其进行精细化管理，使其易于接轨国际风电市场[27]。

总而言之，由于我国在发展风电方面具有良好的优势，而且风电具有良好的环境效益，再加上风力发电成本的逐步降低，风电必将成为我国新能源发电的领跑者。

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收稿日期：2020-06-08

作者简介：李昊璋（1999—），男，天津人，研究方向：垂直轴风力发电机。