本文對(duì)普遍關(guān)注的風(fēng)電相關(guān)問(wèn)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(cè)性，風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)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(wèn)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。

 

 

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(duì)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(duì)于用電高峰來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)時(shí)間段（幾小時(shí)）來(lái)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(chǎng)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(yíng)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(duì)比。

 

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(méi)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(lái)說(shuō)，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(lái)越小。圖3是從美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)約9小時(shí)內(nèi)每一秒的數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)來(lái)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(tái)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(tái)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(guò)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。

 

一些國(guó)家的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在積累高比例風(fēng)電并網(wǎng)及其變化規(guī)律的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。圖4顯示了從2009年5月7日至10日，愛(ài)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(yíng)商通過(guò)使用現(xiàn)有的靈活發(fā)電資源、風(fēng)力預(yù)測(cè)以及時(shí)間調(diào)度等手段，來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)力的變化。在以更接近于實(shí)時(shí)的情況下進(jìn)行評(píng)估時(shí)，發(fā)電量更具可預(yù)測(cè)性，而小于小時(shí)單位的調(diào)度方案也使電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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。

 

 

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(lái)某些裝機(jī)可能無(wú)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(cè)算計(jì)劃備用容量的一個(gè)更精確方法是對(duì)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(lái)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(duì)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(duì)計(jì)劃備用容量的作用有一定的限度，在美國(guó)，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(chǎng)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)。

 

 

單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的變化是很大的，對(duì)于1億千瓦風(fēng)電來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商就更關(guān)注其對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)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(tái)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(chǎng)通常在一年內(nèi)可能產(chǎn)生超過(guò)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(chǎng)，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(chǎng)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(jiàn)，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(duì)這一挑戰(zhàn)。在這種情況下，單臺(tái)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(guò)程。2007年2月美國(guó)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(chǎng)的出力在約15分鐘內(nèi)驟降17萬(wàn)千瓦的過(guò)程。而對(duì)于所有風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，總出力雖然下降了150萬(wàn)千瓦，但該過(guò)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(wàn)千瓦額定容量的風(fēng)電出力降低90%，用了6個(gè)小時(shí)。

 

而暴風(fēng)通常是可預(yù)測(cè)的。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)可事先限定機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，以防止在暴風(fēng)來(lái)臨時(shí)，因風(fēng)速超過(guò)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(yíng)商也可以通過(guò)分析風(fēng)暴的等級(jí),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(guò)設(shè)計(jì)來(lái)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(wàn)千瓦或200萬(wàn)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。

 

 

通過(guò)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(duì)風(fēng)能進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而預(yù)測(cè)風(fēng)電出力情況。相對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)，風(fēng)能預(yù)測(cè)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(cè)的，只是在程度和時(shí)間上會(huì)有誤差，所以電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可能對(duì)某一種預(yù)測(cè)的不確定性以及整體預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性更感興趣。風(fēng)電的短期預(yù)測(cè)要比長(zhǎng)期預(yù)測(cè)準(zhǔn)確得多，對(duì)于單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，提前1到2小時(shí)的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差在5%～7%（相對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量），而提前一天預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率將達(dá)到20%。

 

如圖所示，750公里以上范圍的風(fēng)電集群預(yù)測(cè)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(cè)和單一風(fēng)電場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)之間，以上數(shù)據(jù)是基于對(duì)德國(guó)40個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所發(fā)電量的測(cè)量結(jié)果得到的。德國(guó)的一些其他研究顯示，對(duì)于一個(gè)獨(dú)立風(fēng)電場(chǎng)的典型風(fēng)能預(yù)測(cè)誤差約為該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的10%～15%標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)，而對(duì)未來(lái)一天某一區(qū)域的誤差率降至6%～8%，對(duì)于整個(gè)德國(guó)的風(fēng)能預(yù)測(cè)誤差降至5%~7%。如標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)法所測(cè)算的那樣，綜合應(yīng)用不同的風(fēng)能預(yù)測(cè)模型，也能提高最多20%的風(fēng)能預(yù)測(cè)精度。

 

更重要的是，預(yù)測(cè)誤差對(duì)于單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的影響并不大。對(duì)于所有風(fēng)電場(chǎng)的整體預(yù)測(cè)誤差才會(huì)影響到發(fā)電和調(diào)度。

 

 

當(dāng)風(fēng)電成為電源之一時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)成本是除風(fēng)電以外的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的額外成本。一般地，風(fēng)電占比達(dá)到20%時(shí)，因風(fēng)電所增加的平衡成本約為風(fēng)電整體銷售價(jià)的10%或更低。在不同的平衡區(qū)域（或電網(wǎng)覆蓋區(qū)域）接入風(fēng)電所產(chǎn)生的影響大不相同，這取決于區(qū)域規(guī)模、資源配置以及風(fēng)電的地理分布情況等因素。

 

風(fēng)電的變化并不與負(fù)荷的變化完全一致，這意味著現(xiàn)存系統(tǒng)變量能夠攤配一定的風(fēng)電變量，也意味著電力系統(tǒng)中這種新變量成分的介入，并不會(huì)恰巧導(dǎo)致總變量或極端變量的增大，因?yàn)榕c極端變量重合的幾率微乎其微?？偟淖兞咳Q于各變量平方和的平方根（而不是算術(shù)和），這表明用于平衡除風(fēng)電外的凈負(fù)荷變化的備用容量要低于單獨(dú)用于平衡負(fù)荷變化與單獨(dú)平衡風(fēng)電變化的備用容量之和。

 

風(fēng)電在較大的消納區(qū)域內(nèi)的并網(wǎng)運(yùn)行成本要比在較小的區(qū)域更低。如果風(fēng)電遍布整個(gè)區(qū)域，那么每臺(tái)機(jī)組的波動(dòng)降低而整體的預(yù)測(cè)能力會(huì)提高，這樣就降低了并網(wǎng)的成本?？赡苄枰嗟倪\(yùn)行備用容量，但不一定非要增加新的發(fā)電廠。按照風(fēng)電占比較高的國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)（風(fēng)電占整個(gè)電力需求的5%～20%），風(fēng)電場(chǎng)建成后已有備用容量得到了更多的利用，而不需要新增備用。

 

歷史上，美國(guó)在接入新電源時(shí)需要同步建設(shè)新的輸送通道。1930、1940和1950年代的聯(lián)邦水電開(kāi)發(fā)都包括輸電設(shè)施建設(shè)，設(shè)備都?xì)w聯(lián)邦政府所有。1960和1970年代的大型核電站和火電廠建設(shè)，催生了洲際電網(wǎng)。同樣，芬蘭、瑞典和意大利也建造了輸送水電的線路。在美國(guó)及世界其他地方發(fā)展風(fēng)電，也同樣涉及到建設(shè)新的輸送通道問(wèn)題，為滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求，保證電力的穩(wěn)定可靠以及接入除風(fēng)電以外的其他電源，輸送通道建設(shè)勢(shì)在必行。

 

一些研究發(fā)現(xiàn)，盡管風(fēng)電輸送通道造價(jià)高昂，消費(fèi)者仍然受益，原因在于風(fēng)電取代其他發(fā)電方式能夠降低發(fā)電成本。電網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃（JCSP），即美國(guó)東部電網(wǎng)公司關(guān)于輸電和發(fā)電規(guī)劃的概念性設(shè)計(jì)顯示，假設(shè)2024年20%的電力來(lái)自風(fēng)電，收益成本比率將從1.7降至1。另外，與電力生產(chǎn)成本（如燃料、運(yùn)行和維護(hù)等）及開(kāi)發(fā)電力所需的資本金相比，電力輸送支出在消費(fèi)者所有電力支出中的比重，已經(jīng)微不足道。電網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)規(guī)劃（JCSP）研究表明，增加的傳輸成本預(yù)計(jì)將占2024年全部能源銷售額的2%。

 

 

在電力系統(tǒng)中，必須維持發(fā)電量和用電量之間的持續(xù)平衡。電網(wǎng)通過(guò)控制發(fā)電來(lái)遵循總需求量的變化，而不是遵循某一個(gè)發(fā)電機(jī)組變量或某一個(gè)客戶負(fù)荷的變化。當(dāng)風(fēng)電接入電力系統(tǒng)中時(shí)，凈負(fù)荷變化成為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的操作對(duì)象。電網(wǎng)針對(duì)某一個(gè)發(fā)電站的變量或某一個(gè)用戶用電量的變化進(jìn)行調(diào)整的成本相當(dāng)巨大，事實(shí)上，也沒(méi)有這個(gè)必要。在這種情況下，并不要求有專門(mén)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)、其他發(fā)電廠或個(gè)體負(fù)荷變化的備用電源，否則將是對(duì)電力資源的誤用和浪費(fèi)。

 

至于風(fēng)電的并網(wǎng)是否會(huì)導(dǎo)致更多化石燃料消耗的問(wèn)題，可以這樣理解，風(fēng)力發(fā)出的1度電替代了通常由化石燃料發(fā)出的1度電，由此風(fēng)電減少了化石燃料的消耗和污染物的排放。但是因風(fēng)電變量而增加的備用容量（無(wú)論是熱備用還是計(jì)劃備用）本身也會(huì)消耗燃料和排放污染物，所以在替代效果上會(huì)小于理論值。但是需要多少的備用容量呢？迄今為止，大量的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電所需的備用容量只占了全部風(fēng)電容量的一小部分，且隨風(fēng)電的出力情況而變化。通常來(lái)講，有些備用容量是熱備用，有些是計(jì)劃備用。調(diào)峰電廠在強(qiáng)制降功率運(yùn)行時(shí)，會(huì)增加單位出力的燃料消耗和污染物排放量。

 

一個(gè)保守的例子可以用來(lái)說(shuō)明風(fēng)電管理規(guī)范對(duì)燃料消耗和排放所產(chǎn)生的影響。比較3種情況：（1）由化石燃料電廠生產(chǎn)一定量的電能；（2）由風(fēng)電生產(chǎn)同樣多的電能且不需要增加備用；（3）由風(fēng)電生產(chǎn)同樣多的電能且需要增加備用。假設(shè)第一種情況和第三種情況中有關(guān)化石燃料的平均利用率沒(méi)有發(fā)生任何變化。從嚴(yán)格意義上講，這并不十分精確，而是需要進(jìn)行復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn)才能定量地說(shuō)明這一問(wèn)題。事實(shí)上，對(duì)此已進(jìn)行過(guò)一些研究，驗(yàn)證了這個(gè)簡(jiǎn)單的例子所得出的結(jié)論。

 

在第一種情況下，消耗了一定量的化石燃料；在第二種情況下，節(jié)省了這些燃料，并避免了由此產(chǎn)生的排放；在第三種情況下，假設(shè)需要3%的化石燃料電源作為備用（熱備用），并假設(shè)其有25%的效率損失，那么備用電源所耗燃料則相當(dāng)于第一種情況中所用燃料的4%。因此，相對(duì)于第一種情況，第三種情況實(shí)際上減少了96%的燃料消耗和污染物排放，而不是100%。但是，最初預(yù)估的燃料節(jié)約量總體上是正確的，認(rèn)為風(fēng)電的變動(dòng)性實(shí)際上會(huì)增加系統(tǒng)中燃料消耗的觀點(diǎn)是站不住腳的。

 

英國(guó)能源研究中心的研究證明了上述例子的正確性。該中心綜合了四項(xiàng)研究結(jié)果，這四項(xiàng)研究都直接論述了由于增加運(yùn)行備用以及化石燃料機(jī)組降功率運(yùn)行，風(fēng)電的接入是否會(huì)造成二氧化碳排放量增加這一問(wèn)題。該中心認(rèn)為，在風(fēng)力發(fā)電占比為20%的情況下，因風(fēng)電并網(wǎng)造成的“效率損失”僅為7%，幾乎可以忽略不計(jì)。

 

 

“風(fēng)不會(huì)一直刮”這一事實(shí)經(jīng)常被用作論據(jù)，來(lái)說(shuō)明為應(yīng)對(duì)風(fēng)電的間歇性，需要儲(chǔ)能。然而，持這一觀點(diǎn)的人忽視了電網(wǎng)運(yùn)行特性和風(fēng)電在廣闊的、多樣化的空間范圍內(nèi)的運(yùn)行表現(xiàn)。一直以來(lái)，其他所有的變量(如系統(tǒng)負(fù)荷變化、發(fā)電穩(wěn)定性、調(diào)度變化、電網(wǎng)布局變化)都可以進(jìn)行系統(tǒng)化處理。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行系統(tǒng)平衡之前將電力匯集起來(lái)，需求的多樣性降低了成本。儲(chǔ)電技術(shù)幾乎不會(huì)用于某單一電源，對(duì)其最經(jīng)濟(jì)的利用方式是使其為整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性服務(wù)。儲(chǔ)電會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生有益的影響，但是這必須同其成本進(jìn)行衡量。（截至本文撰寫(xiě)時(shí)）美國(guó)運(yùn)行的風(fēng)電超過(guò)2600萬(wàn)千瓦，歐洲地區(qū)超過(guò)6500萬(wàn)千瓦，并未因平衡風(fēng)電而增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備。即使沒(méi)有風(fēng)電，儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)也是有價(jià)值的，這就是為什么在數(shù)十年之前，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)尚未被廣泛認(rèn)可時(shí)，美國(guó)就建設(shè)了大約2000萬(wàn)千瓦、全球建設(shè)了1億千瓦的抽水蓄能電站。風(fēng)電的接入能夠使電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值得到整體提升，但儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的作用并未改變──先是儲(chǔ)存能量，然后再根據(jù)電網(wǎng)需求變化而非只針對(duì)風(fēng)電變化釋放能量。

 

圖7是近似于美國(guó)西部電網(wǎng)調(diào)度的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，圖中所有數(shù)值僅供參考，假定一個(gè)為高峰負(fù)荷的10%、具有168小時(shí)的儲(chǔ)能能力的儲(chǔ)能設(shè)備，然后進(jìn)行儲(chǔ)能分析。系統(tǒng)大量接納風(fēng)電的能力主要取決于其他多種電源的構(gòu)成情況。儲(chǔ)能是一種靈活的電源形式，即使系統(tǒng)中沒(méi)有風(fēng)電，儲(chǔ)能本身對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。隨著風(fēng)電并網(wǎng)量的增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值也相應(yīng)提升。沒(méi)有風(fēng)電的情況下，儲(chǔ)能的價(jià)值在每千瓦超過(guò)1000美元，可見(jiàn)，低成本的儲(chǔ)能設(shè)備為系統(tǒng)提供了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

隨著風(fēng)電接入比例的提高，儲(chǔ)電系統(tǒng)的價(jià)值也會(huì)增加，最終能達(dá)到每千瓦1600美元左右。目前美國(guó)很多地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)與這個(gè)例子中的情況很接近。在風(fēng)電占比很高的系統(tǒng)中，儲(chǔ)能具有更大價(jià)值，因?yàn)檎{(diào)度起來(lái)更經(jīng)濟(jì)，從而使可變成本較低的發(fā)電機(jī)組（諸如火電和核電）的利潤(rùn)空間受到壓縮（及產(chǎn)生市場(chǎng)出清價(jià)格）。更多的低電價(jià)時(shí)段拉大了價(jià)差，增加了套利的機(jī)會(huì)，提升了儲(chǔ)能的價(jià)值。

 

在一個(gè)基本負(fù)荷很低、靈活電源較多的電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能的價(jià)值大小對(duì)風(fēng)電也就不那么敏感了。如圖8所示，在風(fēng)電沒(méi)有接入時(shí)，儲(chǔ)電本身就已具有一定的價(jià)值，但是隨著風(fēng)電不斷增加，即使風(fēng)電增加到40%的份額，儲(chǔ)電價(jià)值也只獲得了小幅度的提升。整個(gè)市場(chǎng)價(jià)格的走低能夠降低率先建設(shè)“高固定成本低可變成本電源”（例如火電或者核電）的積極性，也就是說(shuō)在未來(lái)大量使用風(fēng)電的時(shí)代，低可變成本電源會(huì)越來(lái)越少，這就縮短了低可變成本電源（如火電或核電）收回利潤(rùn)的時(shí)間，同時(shí)也減少了當(dāng)前儲(chǔ)電在價(jià)格總額度中的占比，從而減少成本。

 

風(fēng)電到底是否需要儲(chǔ)存？這個(gè)問(wèn)題取決于經(jīng)濟(jì)成本和利潤(rùn)。眾多關(guān)于 “大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)成本”的研究已經(jīng)得出了很多結(jié)論，其中最重要的一條是，即使是風(fēng)電增加到20%的份額，并網(wǎng)成本也能保持在較低的水平，也根本沒(méi)有必要在風(fēng)電占比為20%的大范圍消納區(qū)域內(nèi)新增儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些研究總體上表明，未來(lái)十年風(fēng)電并網(wǎng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專用儲(chǔ)電成本，而且并網(wǎng)成本還可以通過(guò)使用先進(jìn)的風(fēng)能資源預(yù)測(cè)技術(shù)得到進(jìn)一步降低。

 

 

為適應(yīng)日負(fù)荷變化周期，傳統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了系統(tǒng)的靈活性，設(shè)計(jì)了調(diào)峰機(jī)組，只有基本負(fù)荷機(jī)組才會(huì)連續(xù)運(yùn)行，這樣，在很多平衡區(qū)域內(nèi)，日負(fù)荷變化周期特性就促使常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)形成了很好的機(jī)動(dòng)能力。圖9是一個(gè)電力系統(tǒng)的示意圖。

 

目前常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)操控性能一般都高于實(shí)際的日負(fù)荷變化需求。圖10是針對(duì)三個(gè)不同供電區(qū)域內(nèi)冗余熱發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)節(jié)能力的分析。

 

次小時(shí)（低于1小時(shí)）需求側(cè)管理和此小時(shí)發(fā)電調(diào)度為常規(guī)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性能提供了便利。在某些區(qū)域，只允許按照以小時(shí)為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能充分發(fā)揮現(xiàn)有的彈性，但并不是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組不具備這樣的性能，而是當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)規(guī)則決定的。例如，美國(guó)的“大區(qū)域輸電管理”系統(tǒng)（RTOs）已經(jīng)根據(jù)次小時(shí)市場(chǎng)需求成功運(yùn)行了多年。風(fēng)電的集群化進(jìn)一步降低了大規(guī)模風(fēng)電的波動(dòng)性，凈負(fù)荷強(qiáng)化了非線性波動(dòng)，而調(diào)節(jié)性能則有線性提高。

 

新型常規(guī)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用也將起到積極的作用。新型燃?xì)廨啓C(jī)組和新型的往復(fù)式（活塞式）發(fā)電機(jī)比老式燃?xì)廨啓C(jī)組具有更高效率、更寬泛的運(yùn)行范圍、更低的最小負(fù)荷、更快速的調(diào)節(jié)能力以及幾乎零開(kāi)機(jī)成本等優(yōu)點(diǎn)，安裝這些新型機(jī)組能夠提高常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的反應(yīng)能力。

 

臨近系統(tǒng)之間的互聯(lián)，進(jìn)行跨區(qū)域電力調(diào)度也可以提高系統(tǒng)的靈活性。在歐洲，能夠在整個(gè)北歐電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行發(fā)電側(cè)與需求側(cè)的協(xié)調(diào)。如果芬蘭和丹麥之間跨越瑞典存在輸送通道且經(jīng)濟(jì)性最好的話，那么位于芬蘭的水電站就能夠在互聯(lián)系統(tǒng)中對(duì)遠(yuǎn)在1400公里之外的丹麥電網(wǎng)做出反應(yīng)。

 

需求側(cè)的響應(yīng)也增加了系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方的靈活空間。智能電網(wǎng)能夠提供對(duì)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的解決方案?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車?yán)枚嘤嗟娘L(fēng)電在夜間充電，可以提高夜間最低負(fù)荷，并像系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方希望的那樣，對(duì)風(fēng)電凈負(fù)荷較大變化進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的反應(yīng)。

 

 

從經(jīng)濟(jì)性角度比較不同電源方式時(shí)，有兩個(gè)主要的問(wèn)題：（1）生產(chǎn)一定電力需要在發(fā)電設(shè)備上投入多少資本？（2）生產(chǎn)這些電力需要多少運(yùn)行成本？因?yàn)橘Y本投入會(huì)逐步分?jǐn)偟诫娏Ξa(chǎn)出上去，所以關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)發(fā)電廠投入成本C時(shí)，產(chǎn)生的電力為E，而如果投入為2C，產(chǎn)生的電力即為2E。

 

按目前估算，新的火電廠成本大約為3000～4000美元/千瓦，對(duì)于核電站來(lái)說(shuō)，由于過(guò)去20年中建設(shè)的核電站很少，比較難估計(jì)，其成本大約是4000～8000美元/千瓦。目前風(fēng)電場(chǎng)的成本約為2000～2500美元/千瓦。而火電廠和核電站通常有較高的容量系數(shù)，同等裝機(jī)容量下，風(fēng)電年發(fā)電量要比火電或核電少。在風(fēng)能資源豐富地區(qū)，風(fēng)電的容量系數(shù)是35%～45%，而火電和核電能達(dá)到60%～90%。

 

從單位電力投資成本來(lái)看，造價(jià)為2500美元/千瓦、利用率為40%的風(fēng)電場(chǎng)，造價(jià)為3750美元/千瓦、利用率為60%的火電廠，造價(jià)為5000美元/千瓦、利用率為80%的核電站，在單位投資成本方面是相同的。當(dāng)然，后期的運(yùn)行成本，尤其是燃料和維護(hù)成本，是不同的。但是煤電和核電燃料成本很低，而風(fēng)電不需要燃料。所以三種發(fā)電方式的運(yùn)行成本都只占其投資成本的一小部分。

 

在躉售電價(jià)方面，風(fēng)能也顯示出了優(yōu)勢(shì)。圖11中，帶狀圖形表示2003年到2008年平均躉售電價(jià)的最高和最低價(jià)格。紅點(diǎn)表示1998年到2008年每年（在運(yùn)行天數(shù)中的）風(fēng)電容量加權(quán)后的平均電價(jià)。對(duì)圖中的各項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電的平均電價(jià)與最低躉售電價(jià)相當(dāng)或者更低。

 

電廠容量系數(shù)也反映了不同發(fā)電技術(shù)的性能。不同發(fā)電機(jī)的容量系數(shù)不同，這取決于發(fā)電機(jī)是否用作基本負(fù)荷、循環(huán)或調(diào)峰電源 。比如，核電和煤電機(jī)組主要是具有高容量系數(shù)的基本負(fù)荷設(shè)備，風(fēng)電和水電更加靈活，有風(fēng)的時(shí)候就可以發(fā)電，水電則被安排為電網(wǎng)提供最大發(fā)電量（在可能的情況下）。

 

容量系數(shù)較小的發(fā)電技術(shù)（如復(fù)合循環(huán)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、燃油和燃?xì)庹羝仩t），起著調(diào)峰和負(fù)荷跟蹤電源的作用，也可用作容量電源。單個(gè)電廠的容量系數(shù)也受到環(huán)境因素的限制，比如對(duì)空氣質(zhì)量的要求會(huì)限制化石燃料調(diào)峰機(jī)組的工作小時(shí)數(shù)。

 

此外，市場(chǎng)因素也會(huì)使電廠的容量系數(shù)下降。比如，高昂的天然氣價(jià)格使燃?xì)獍l(fā)電廠不得不減少工作時(shí)間?？傊芏嚯娫炊荚陬~定容量以下運(yùn)行，但是為保持電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性發(fā)揮了非常重要的作用。這在圖12 顯示的美國(guó)中西部電網(wǎng)公司（MISO）一年運(yùn)行數(shù)據(jù)中得到說(shuō)明。

 

 

雖然風(fēng)電是一種變化出力的電源，但是以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及詳細(xì)的風(fēng)電并網(wǎng)研究并未發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)在容納多少風(fēng)電方面存在明確的技術(shù)限制。 一些國(guó)家已經(jīng)使用了大量的風(fēng)電。通過(guò)與歐洲其他地區(qū)的有限互聯(lián)，丹麥的風(fēng)電占比達(dá)到20%（高峰時(shí)達(dá)到43%），德國(guó)達(dá)到7%（高峰時(shí)達(dá)到30%），西班牙和葡萄牙達(dá)到11%（高峰時(shí)達(dá)到30%）。愛(ài)爾蘭風(fēng)電占9%（高峰時(shí)達(dá)到11%）。（編者注：此處為2010年數(shù)據(jù)，目前的比例有顯著提高。）

 

目前對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)比例沒(méi)有技術(shù)障礙，但是可能存在經(jīng)濟(jì)性限制，即風(fēng)電增加到一定程度時(shí)，被認(rèn)為其成本已經(jīng)超過(guò)其對(duì)系統(tǒng)的價(jià)值。從多年來(lái)全球大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及大量深入的風(fēng)電并網(wǎng)研究結(jié)論來(lái)看，風(fēng)電并網(wǎng)成本很低，由風(fēng)電增量帶來(lái)的價(jià)值減低也不會(huì)像預(yù)期那樣明顯。更直接地說(shuō)，有證據(jù)表明大范圍互聯(lián)電網(wǎng)可以接納的波動(dòng)電源電量（風(fēng)能和太陽(yáng)能）為高峰負(fù)荷的25%。美國(guó)東部和西部電網(wǎng)正在對(duì)更高接納能力的電網(wǎng)進(jìn)行研究。

 

其實(shí)，電網(wǎng)接納更多風(fēng)電，僅僅通過(guò)現(xiàn)有手段進(jìn)行規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)是不夠的，需要對(duì)諸如輸送通道等基礎(chǔ)設(shè)施的投入、市場(chǎng)規(guī)則的改變，對(duì)發(fā)電方和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方的激勵(lì)和規(guī)范，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和資產(chǎn)的優(yōu)化利用。

 

電網(wǎng)規(guī)劃人員和發(fā)電投資者在進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)決策時(shí)要考慮到系統(tǒng)的靈活性，以適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的負(fù)荷需求和老機(jī)組更新?lián)Q代的需要。系統(tǒng)靈活性包括降低最低發(fā)電水平、更好的升降斜坡率、更短的啟動(dòng)時(shí)間，以及在不增加材料疲勞或減少部件使用壽命的前提下設(shè)計(jì)周期循環(huán)。為增加系統(tǒng)靈活性，還要市場(chǎng)以及電價(jià)政策方面的配合。

 

風(fēng)電場(chǎng)可以通過(guò)輔助設(shè)施提高靈活性。在一些情況下，成本最小的調(diào)度策略可能會(huì)是限制風(fēng)電出力，在風(fēng)電大發(fā)時(shí)短時(shí)棄風(fēng)，或是讓風(fēng)電場(chǎng)提供有功調(diào)節(jié)。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟和完善，風(fēng)電場(chǎng)可以向提供無(wú)功功率、電壓控制、頻率/控制器下降功能（頻率降低，控制器通過(guò)控制發(fā)電機(jī)從無(wú)負(fù)荷到滿負(fù)荷運(yùn)行來(lái)做出響應(yīng)）的方向發(fā)展。

 

 

風(fēng)能本身的波動(dòng)性使其區(qū)別于其他發(fā)電技術(shù)，由此產(chǎn)生了風(fēng)電是否能順利并網(wǎng)的疑問(wèn)。本文旨在解釋有關(guān)風(fēng)能的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

 

盡管風(fēng)電是一種可變能源，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商完全可以通過(guò)在處理負(fù)荷變化中積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制這種波動(dòng)性，所以在多數(shù)情況下電網(wǎng)已經(jīng)做好了應(yīng)對(duì)這種波動(dòng)性的準(zhǔn)備。風(fēng)電并網(wǎng)的成本很低，也不需要專用備用電源或儲(chǔ)能設(shè)施。風(fēng)力預(yù)測(cè)等工具的發(fā)展也會(huì)有助于風(fēng)電并網(wǎng)。通過(guò)擴(kuò)大風(fēng)電消納范圍以及制定在時(shí)間上更加細(xì)化的調(diào)度方案，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商能更好地統(tǒng)籌各種電源，充分利用由于地理差異性產(chǎn)生的風(fēng)電出力的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的不斷革新、需求側(cè)管理、智能電網(wǎng)以及混合動(dòng)力汽車等新技術(shù)也會(huì)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)起到積極的推動(dòng)作用。