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  海上风电和陆上大型风电基地开发实施建议
 
  发布时间:2011/3/14 15:16:56  所属期数:2010.4    被阅览数:6732次  
 

 
 
Strategic Messages for Offshore and Large-Scale Wind Power
 
中国国家能源局、世界银行联合出版
 
中国的风电发展战略是切实可行的

  中国的可再生能源中长期发展规划(2006-2020年)以及“十一五”计划(2006-2010)明确提出了风电发展的战略(图1),包括三大发展方向:在东北和西北各省区(甘肃、新疆、内蒙古)建设大型陆上风电基地( WPBs)1。这些大型陆上风电基地的特点是,当地年平均风速大于8.0米/秒,装机规模达到吉瓦(GW)级;开展潮间带2风电场的试点。地点位于高低潮水位线之间,特别在长江口以北各省,主要建设在江苏、上海和山东沿海地区,根据初步估算,风速可达6.0~7.0米/秒;启动中-深海域海上风电场的开发3。海上风速可能高于潮间带区域,但这一推断的证据尚显不足,目前只在福建、浙江、广东、山东、江苏和上海开展了很有限的测风工作。


1风电基地 (WPB):指GW级大型陆上风电场.
2潮间带海上风电场:沿海岸线高、低潮位线之间地区建设的风电场。
3海上风电场:在海洋上建设的风力发电场。
 *摘自《中国:海上风电及大型陆上风电基地面临的挑战》A部分
 
  该发展战略是切实可行的, 而且已经开始产生积极的效果:截至2008年底,中国的风电装机容量已居世界第四位,首次超过印度,并成为发展中国家风电开发的领导者。中国的风电市场增长非常迅速。中国政府希望到2010年底,全国风电装机能力达到30GW。然而,与具有同样风能资源潜力的其他国家相比,中国的风电场容量系数偏低,导致经济效益较差,资源没有得到很好的利用。必须要注意的是,在目前20 %的国内平均容量系数的基础上每提高一个百分点,就能增加5%的发电量。按同样的发电量可节约近5%的投资成本,并可降低风电价格。

  装机容量的提高得益于中国风电制造产业的强劲发展。到2008年,国产风机已占整个累计市场份额的62%。预计到2009年将超过世界其他国家和地区。

  中国的风机制造能力:(1)中国有五家大型国内制造企业生产采用IEC标准认证的风力发电机组;(2)五家中外合资企业在中国建立了生产基地;(3)超过10家国内公司正在进行样机的测试。

  但是,中国的风电产业仍然比较年轻,需要认真学习其他国家的经验和教训,以避免失误,从而逐步建立起强大、成熟的制造产业。应在总结经验教训和提高效率的基础上稳步推进,防止操之过急。

开发大型高效风电项目的五大要点

  中国有丰富的风能资源和广袤的土地,有大面积可用于海上风电开发的潮间带和海域。有了政府对大规模发展风力发电的承诺,还要有明确的目标,即实现最经济的电力生产。在目标的实现过程中应注重开发效率,防止开发步伐过急。能否实现这一目标取决于以下几个方面:(1)明确风能资源特点;(2)做好项目设计,采用成熟风机;(3)明确法律法规,落实优惠政策;(4)加强人才队伍建设,实现合理的设计、制造、运行和维护;(5)电网规划和发展至关重要。

明确风能资源特点

  开展合理的风能资源评估,对于风电场的开发选址和明确项目的特殊需要至关重要。应开展系统化的、有组织的全国性风资源调查工作。对陆地风资源的测量和调查工作目前正在进行,政府为此下拨了4000万美元经费,按照统一的格式标准和观测检验方法建立综合性的全国风资源数据库。这项工作目前正在按计划实施。我们建议对所有采集的数据进行审定,并整合到全国风资源地理信息系统(GIS)中。系统化的风能资料对于中国风电发展至关重要 。应同时开展对潮间带和海上风能资源的评估。通过经少数海上平台验证的气象数据外推的方法来获得数据是一个良好的开端。但在大规模投资海上风电之前,有必要对潮间带和海上风能资源进行认真评估,确定详细的场址观测地点,并和陆上一样,将采集的数据进行分析审定,并整合到全国风资源地理信息系统中。

  了解风能特性对于建设一个高效的风电场也是十分重要的。风速是建造风电场的重要指标,其重要性无论怎样强调都不为过。比如,同样一台风力发电机组,安装在年均风速为9.0 m/s的风场比安装在6.5 m/s年均风速下的风场发电量会高出一倍。假如测风工作做得不够,就会导致发电量的估算不可靠,给投资带来风险。目前,中国大规模风电开发所需要的风资源观测还远远不够,虽然和投资规模相比,或者和由于对风能特性分析不够可能带来的收益损失相比,这些投入显得微不足道。例如:根据专家的估算,一台2MW(兆瓦)风机的费用可用来建设50多座测风塔(按照欧洲的标准甚至可达100多座);同样按照专家的估算,一个3.8GW规模的风电基地,假如有10 %的发电量损失,每一年损失的收入就可用来建造1900座测风塔。

  为此我们建议,建立一个综合的、系统化的风资源观测体系。即使有些风电场已经建成,参照测风塔也应该继续保留,用于确定这些风电场是否能够实现原设计的效率指标。

  做好项目设计,采用成熟风机

  中国在设计和开发100MW规模风电场方面积累了丰富的经验,国内开发商开发的风电项目已处于国际先进水平。但是,开发若干GW规模的大型风电基地,这在国际上也从来没有过。由于在简单或低粗糙度地区(海上、起伏丘陵或中国西北高原地区),尾流效应损失会更大,建议通过风洞研究制定周密的布局规划,以使风电基地的产能达到最大化。中国的大型风电基地很可能会产生和欧洲海上风电场所出现的类似现象。

  与中等规模的陆上风电场出现的尾流对比,欧洲大型海上风电场尾流效应的表现似乎有所不同。这种差别主要是由于海上的涡流相对较低,和陆地不一样,风机后面的尾流没有交织在一起。海上风电场的尾流效应见图2。由于尾流现象的存在,可能造成上风向和下风向间每排风电机组的发电量有着很大的差别,一般可相差20 %左右,因此迫切需要进行详细的研究。


图 2 尾流效应示意图 来源:Vattenfall


  采用技术成熟、经过认证的风机对于海上风电项目非常重要,因为解决海上风电的任何小问题都要付出很大的代价。国际经验表明,由于使用技术上不成熟的风机设备,已使一些海上风电项目损失惨重 。

  中国要实现大型风电开发的目标,就必须建立一个立足国内的制造基地,提供大量高质量的风机设备,而目前中国国产风机的性能和产量尚不尽人意。为了避免出现大规模安装不可靠的风机,迫切需要开展以下两项重要工作:(1)详细调查研究目前风机性能较差的原因,包括计算方法不科学、风机产品单一、设计不合理和产品质量差等;(2)建立全方位、有效的质量保证体系,包括标准、认证、生产和研发。

  欧盟的经验表明,通过详细分析风机制造的难点,可以学习到很多东西,这种分析的结果应该体现在详细调查研究的方案中。

  根据其他国家的经验教训,本报告提出了几项措施,供中国的管理部门参考:逐步使国产风机符合国际标准,以面对大规模风电发展所带来的挑战。具体建议如下。

  建立国内风机制造商之间的竞争机制;

  鼓励科技创新,对尖端技术展开研发工作,实现跨越式突破。中国不应坐等西方的发展,对于大型国内制造企业,开发新型风电机组的成本并不太高,相对于潜在产量而言,新型风机500万美元的设计费和1500万美元的样机成本微不足道。对样机性能开展科学研究是非常必要的;

  根据中国的风能资源特点,制定风力发电机组的技术指标,让生产的风机适应中国的风能条件,降低开发成本。进口风机所采用的设计标准是按照北欧的风场条件制定的。这些风机并没有按照中国的风场条件进行优化,尤其没有考虑到中国大型风电基地的条件。在这种情况下,采用设计指标过低或过高,都会带来巨大的损失,因此完全采用进口风机不是可持续的、有效的发展模式;

  通过升级改造,或设计新型风机,以适应国内电网条件(风机应实现功率系数可调,并有故障自处理功能);

  对于开发4MW以上规模用于海上风电场的国产风电机组,政府应给予优惠扶持政策。应充分强调详细准确的测风工作的重要性。不论是对陆上还是对海上风电,这些测风数据对于确定风场的发电能力都至关重要。

  明确法律法规,落实优惠政策

  《可再生能源法》及其配套规章制度为中国的风电开发逐步建立起了一套切实可行的法律法规框架。这一框架主要基于:(1)对(除水电外的)发电企业和电网企业规定了可再生能源义务或强制市场份额,即所谓的“可再生能源配额制度”;(2)对风电建立了特许权制度,要求50MW及以上规模的所有风电场实行价格招标;(3)通过在全国范围征收电价附加费,建立可再生能源专项基金,对可再生能源实行补贴。2009年的征收标准为每度电0.2分。

  这一法律法规框架为中国陆上风电年装机容量带来了前所未有的快速增长局面。但在这种情况下,应适时对特许经营制度进行评估,并做适当的调整,以确保在总结初期项目经验的基础上,实现最佳的效益,提高制度的透明度,保证竞价招标与按发电量进行补贴之间的一致性。

  鉴于海上风电开发对中国仍是个新生事物,法律法规框架尚不完善。这种情况是可以理解的,因为在大部分已经开展或正在开发海上风电的国家,他们所制定的法规制度在某些方面也有缺陷。这个问题在项目审批方面尤其明显,因为在许多情况下,现有的法律法规是针对其他开发活动设计的,如石油和天然气,或海运。将现有的法规用于对海上风电的开发活动的审批,这种做法可能会严重妨碍海上风电的开发,并使审批手续繁杂并带有不确定性,从而加大了项目的成本,造成时间的拖延,最终增加了失败的风险。在任何一项重要的工程开始之前,明确适用的法规是至关重要的。

  因此我们提议,中国政府应建立一套适当的法律法规,专门用于海上风电的开发。这些风电项目将成为中国主要的海上经济活动,因此从长远来看,不应该使它们受制于现有的法规制度,而应专门制定一套适用的法律体系。

  根据许多国家的经验,法律法规的变化不定、复杂以及过度的约束,都会对投资者的信心造成伤害。在海上风电开发的初期,需要强有力的、明确和稳定的优惠政策,需要政府的大力支持。在荷兰,鼓励政策的摇摆不定,已成为该国风电市场发展的一个主要问题。

  世界各国已采取了各项政策措施,积极鼓励开发商投资建设海上风电场。这些措施包括英国实行的绿色证书交易制度、丹麦的竞争招标定价制度以及德国用以鼓励开发商所采用的固定上网电价制度等。西班牙虽然在鼓励陆上风电发展方面取得了很大成功,但尚未开始着手海上风电的开发。西班牙政府已经在重新评估电价构成机制,并决定对电价实行竞争招标。因此我们建议中国采取类似的做法,按照单位兆瓦时发电量实行固定电价,并对开发项目采用竞争招标的方法。

  加强人才队伍建设,实现合理的设计、制造、运行和维护

  中国要实现风电大规模发展,就需要大量工程施工建设以及运行和维护等方面的专业技术人才。为中国的大规模风电发展开发人力资源,也是一项艰巨的任务。这一问题在西方国家同样存在,因为风能资源的大规模开发也受到人才缺乏的限制。有些专家估计,由于合格的专业技术人才不足,加上运行和维护不善,给美国的风电场造成的损失达1%~2%。因此我们建议:(1)对人力资源的状况开展战略评估,着手开展能力建设,制定和实施一整套培训计划,针对大规模风电开发,开展与之适应的人才培养和专业技能开发;(2)加强技术管理体系建设,提高运行和维护水平,即对已有风电场的运行和维护工作进行认真检查,设立规章制度,改善风场运行和维护作业规程;利用SCADA系统和风机状态监测系统,实现事前维修;对若干风电场实行集中式运行管理,实现规模效益。

电网规划和发展至关重要

  一般认为,风力发电固有的不稳定性和不可预测性,可能会对电网的运行带来影响,尤其当接入大规模风电时更是如此。在许多国家,对于风电上网,特别是海上风电的电网接入,由于技术要求不清楚,电网投资和建设的责任不明确,耽误了项目的进度。但在规划风电场上网运行方面也有一些成功的国际经验和解决办法,通过在许多国家的实施,如在欧洲的许多国家和美国的各州等,提高了风电的利用率。但必须注意到,中国要建设的GW规模风电基地的电网接入和稳定性问题,在世界上尚无先例。中国必定要在解决这一问题上先行一步。具体工作包括:开展对风电上网的全方位综合研究并吸收所有利益相关方参与,需要重点研究最佳并网规模以及电网拓扑结构;开展风电系统运行短期预报的研究,开发短期预报的各种方法。

  对于陆上风电必须制定新的上网规范。由国家电网公司在征求行业协会意见的基础上,明确陆上风电和海上风电并网技术的要求。规范有利于澄清陆上和海上风电接入电网的技术规范要求,明确相关部门的权利和义务,在最大限度上减小风电开发商所面临的技术不确定性。   对于海上风电场,应考虑为批准建设的示范项目提供免费上网,并新成立一个专门机构,负责建设海上风电电网(或者扩大现有电网公司业务,负责海上风电上网)。

中国风电开发的预期成果

  要成功实现以上建议和要求,应在以下三方面开展工作并取得成果。

  有效利用风能资源:提高风场的容量系数和有效性;确保电网发展规划与系统运行协调一致;开展充分的资源评估,实现风能资源的有效和优化利用。

  建设一个参与全球竞争的国内风电制造产业:提高整个产品系列和零部件的质量和可靠性;设计和开发适合中国国情的国产风电机组;建立有良好信誉的风机认证体系;鼓励创新,摒弃仿造,使中国尽快掌握风电领域的尖端技术。

  明确稳定的政策法规,落实鼓励先进的优惠政策:制定优惠政策,支持研发和风险性示范项目,尤其是海上风电项目;根据发电量(MWh)而不是装机容量(MW)提供相关支持。

实现陆上风电基地、潮间带及海上风电发展预期成果需开展的工作

  要实现上述预期成果,需对中国风电发展的三大领域各有所侧重,再将三者有机地结合起来。

  稳步开发大型风电基地有利于巩固陆上风电的成果

  要想成功建设大型风电基地,就需要充分了解和认识具体的和前所未有的技术风险,并从以往项目的设计、施工和运行所发现的缺陷和问题中汲取教训。大规模风电发展过程中,需要重视四个方面的问题。

  场址布局设计的原则:风电场布局设计是要对大规模风电装机做出合理安排和布局,实现最可靠、最经济的电力生产,并尽量减小对电力系统的不利影响。要做好大规模风电建设的布局设计,需要投入大量的人力和物力,确保资源的充分利用。中国在投资建设GW级规模风电场之前,需要做好以下两项工作:开展布局方式研究,决定大型风电基地的最优配置;进行风机集中度的评估,优化风电布局,避免由于大型风电场固有的尾流效应所带来的损失,确保风电场建设和运行的规模效益。

  开展风电上网研究,制定电网规范:过去,中国的风电开发缺少相关部门的协作,而未来的大规模风电发展需要提高协作水平,开展系统化的上网研究,采用电网友好的风电机组,并制定相应的风电上网规范:(1)开展电网接入和并网研究:包括根据计划发电量优化电网接入能力,估系统可靠性问题,发电损耗,以及电网运行管理等;(2)提高风力发电机组技术水平:利用具有较强功率系数控制功能以及电网故障管理能力的风电机组,减少风电上网对电网的干扰。

  制定电网规范:依据评估结果,合理确定电网运行指标(电网规范要求),从而对风电机组提出设计规范,减少给电网带来的不确定性。这些要求越宽松,输电系统运营商解决问题的代价就越大。要让风电机组符合严格的上网规定,同时要求电网方面也满足相关规范的要求。要对双方投入的成本进行分析比较,做好平衡。

  风能资源评估与风场选址:要建立一个数据库,对已有资料和观测数据进行系统化的纠错和审定。具体方法有:将历史气象数据与新的测风塔观测数据进行比较;在备选风场竖立足够多的测风塔,采集至少12-24个月的数据;开展尾流建模研究。

  风机的选择、研究与开发:大型风电基地要采用经过认证的、商业化的、成熟的、适合中国国情的风电机组。这就要求:确定并采用中国风电机组技术指标体系;提高风机测试和认证能力,解决中国风机的分类分级问题。

试点开发潮间带风电

  潮间带风电场的开发成本可能低于中深海域海上风电,在这一领域,中国要想成为先驱者,需要在实践中学习和创新。因此,对示范项目的投入要有充分的估计。潮间带风电场的开发方式与海上风电类似,由于潮间带基础施工和风机安装成本可能非常高,所以需要系统收集和评估地质数据。开发潮间带风电的主要工作内容包括:(1)评估基础类型,采用科学的施工方案(例如,是通过铺设道路,采用陆上风电方式施工,还是挖掘航道,将浮动平台送到安装地点后施工?);(2)启动试点/示范项目;(3)在充分的地质工程研究的基础上,选择2-3个潮间带风电场址,进行12-24个月以上的现场测风;(4)选择有能力的项目开发商,提供配套优惠政策,开发100MW规模的潮间带风电场。

海上风电的风险管理

  海上风电的开发具有高投入和高风险的特点,因此中国要获得成功,就必须做好规划和试点工作。这需要尽快开展以下两项重要的工作:一是准备工作,建立一个合适的政策环境;二是开发若干个示范项目。在全方位开始海上风电建设之前,需要对这两项工作的成果进行认真评估。

准备工作至少包括:

  制定法律框架,理顺管理体制 要对目前海上风电建设相关机构的责任和职能加以明确,逐步建立一套法律法规体系和管理机构框架,提高对海上风电开发的协调能力;解决好电网发展和风电上网问题。提出合适的高压接入点和线路布局方案,明确相应的责任,确定进度安排,并在现有规范的基础上制定“海上风电上网规范”;建立数据库,做好风电场选址。

  这对海上风电尤为重要。要通过几个措施做好这项工作:建立一个综合性地理信息系统(GIS),通过这套系统,将风速、海底数据、海洋测量资料、浪高等数据进行整合;征求企业意见,按照标准化(国标)的方法进行测风,开展计算模型研究 ;在开展可行性研究前,要求至少有12个月的现场测风。

  对2-3年内的项目,落实政府支持政策:通过对选定的项目开展预阶段的费用估算,确定政府财政支持的力度。

  项目示范和知识积累任务要求:

  试点项目(应马上开始建设) 在开始建设试点项目前,应确定2-4个风电场的选址,开展至少12个月的测风工作。试点项目的规模宜在30-50MW之间,安装约10台风机。这一阶段的目标是获取有关基础设计与施工、物流、安装施工及运行维护方面的知识和经验。对这些试点项目,政府的支持力度可适当加大。

  设计商业规模的示范项目 (从第二年开始启动) 应精心设计和规划这些示范项目,重点应放在测风和风机布局的详细方案上。应考虑建设两个示范项目,政府给予强有力的支持,并采用已经陆上风电项目证明的,技术成熟的风机设备。

总结海上风电示范项目的经验

  初期示范的目的是获得海上风电专门技术的经验和做法,而不是示范风机。 因此,示范项目应:假如国内企业的产品不能满足具体的技术要求,则采用国外成熟产品;重点是迅速了解项目建设和风机安装技术、维修工程、电缆铺设;获得信息,改进设计方法。

  商业规模示范的目的是形成“产业能力”,将来实现大规模项目开发和经济运行。因此应注意:重点是用有效的方式选择和确定合格的开发商;开发海上风电场施工的专用船舶设备;建立基础施工的相关产业 ;开发专用船舶所需的规范和保障措施,积累维护经验。

 
 

 
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