當前全球面臨化石能源枯竭、氣候變化等問題，開發風能這一可再生的清潔能源形式，對于應對以上困境意義重大。風力發電作為目前最主要的風能利用形式，受到全球各國的重視。2017年全球新增風電裝機5,257萬千瓦，到2017年底全球累計裝機規模達到5.40億千瓦。

中國風電近年來發展較快，截至2017年底，我國風力發電累計裝機容量達到1.88億千瓦，占全球規模的34.81%，穩居世界首位；海上風電取得突破性進展，2017年新增裝機容量達116萬千瓦，同比增長97%，累計裝機達到279萬千瓦；風電全產業鏈基本實現國產化，產業集中度不斷提高，在滿足國內市場需求的同時，將風電機組同時出口到33個國家，截至2017年底風電機組制造企業已出口風電機組累計裝機容量達到320.5萬千瓦。

風電裝機規模高速發展的同時，我國面臨著較為嚴峻的棄風限電問題。如何消納風電與建設速度之間的矛盾，成為國內亟待解決的問題。對此，未來我國將從合理規劃電網結構、挖掘系統調峰潛力及優化調度運行方面，力爭解決風電消納問題。

風電項目開發利用自然風資源，產生電力的同時不排放任何污染物，因此其節能減排環境效益的概念體現于所替代的其他發電類型將產生的能源消耗和污染物排放。由于目前燃煤火電在我國能源結構中占據主導地位吊車出租，通常將風電與其進行對照比較，即以產出同等電量，節約燃煤火電的能耗及減少的污染物排放量值作為風電的環境效益指標。

風電場的發電效率越高，則其理論上的節能減排效益越明顯。對風電場環境效益的評估可分別從風電項目的設計水平與運行維護水平展開。設計水平方面，主要考察風能資源情況與風電機組的選型和布置情況，運行維護水平則主要從年利用小時數、平均故障間隔時間兩個方面進行評估。

開發可再生清潔能源是解決能源危機和環境問題的關鍵舉措之一，風能資源在地球表面儲量豐富，是目前發展最快和應用最廣泛的清潔可再生能源之一。大力發展風力發電是我國實施可持續發展戰略和新能源戰略必由之路。

一、風力發電行業概況

1、行業現狀

在全球化石能源日漸枯竭和氣候變化形勢嚴峻的背景下，風能作為一種可再生、環境影響小的清潔能源，其戰略價值日益突顯，各國都非常重視風能的開發利用。根據全球風能理事會(GWEC)發布的數據，2017年全球新增風電裝機5,257萬千瓦，到2017年底全球累計裝機5.40億千瓦。

2017年，在全球新增風電裝機容量中，中國新增1,950萬千瓦(占37.1%)、美國702萬千瓦(13.4%)、德國658萬千瓦(12.5%)、英國427萬千瓦(8.1%)、印度415萬千瓦(7.9%)、巴西220萬千瓦(4.2%)、法國169萬千瓦(3.2%)、土耳其77萬千瓦(1.5%)、墨西哥48萬千瓦(0.9%)、比利時47萬千瓦(0.9%)。以上10個國家的新增風電裝機4,694萬千瓦，占2017年全球新增裝機89.3%；世界其他國家新增風電裝機合計為563萬千瓦(10.7%)[2017年全球風電新增裝機52吉瓦中國占37%[J]。

風力發電在我國得到了快速發展，其中，2008~2017年中國新增和累計風電裝機容量如下圖所示。截至2017年底，我國風力發電累計裝機容量達到1.88億千瓦，同比增長11.7%[數據來源為中國可再生能源學會風能專業委員會發布的《2017年中國風電吊裝容量統計簡報》]，累計裝機占全球規模的34.81%，仍然是全球最大的風電發展市場。

從裝機區域分布上來看，我國重要的風電基地多分布在“三北”地區。雖然具有天然的資源稟賦，但負荷中心主要集中在中東部地區，“三北”地區電力需求不足、電力市場狹小，受消納困難等因素影響，發電與負荷空間不匹配，產生輸電與并網矛盾。2017年，“三北”地區棄風量達413.6億千瓦時，占全國棄風量的98.71%。

我國風電全產業鏈基本實現國產化，產業集中度不斷提高。從近5年來看，國內風電整機制造企業的市場份額呈現明顯的集中趨勢。排名前五的風電機組制造企業新增裝機市場份額由2013年的54.1%增長至2017年的67.1%，增長了13%；排名前十的市場份額由2013年的77.8%增長至2017年的89.5%，增長了12%。隨著風電設備技術水平與可靠性的不斷提高2mw風力發電機組，中國在滿足國內市場需求的同時，已將風電機組同時出口到33個國家。截至2017年底，中國風電機組制造企業已出口的風電機組共計1,707臺，累計裝機容量320.5萬千瓦。

海上風電方面，作為一種清潔的、擁有巨大發展空間的能源形式，海上風電在近年來發展活躍，歐洲仍然是全球海上風電的中心。截至2017年底，歐洲海上風電累計裝機達到1,578萬千瓦，其中2017年新增并網容量314.8萬千瓦。包括部分并網的項目在內二手吊車，歐洲目前共建造了92座海上風電場，分布在11個國家，有4,149臺機組并入電網[夏云峰。2017年歐洲海上風電新增并網容量3148MW[J]。風能，2018(02)：38-43]，具體如下表所示。

2017年，中國海上風電取得重要進展，新增裝機共319臺，新增裝機容量達116萬千瓦，同比增長97%，增速較快；累計裝機達到279萬千瓦。其中，中國2013~2017年中國海上風電新增和累計裝機容量如下圖所示。現階段，技術與成本仍然是制約海上風電進一步發展的關鍵性因素。根據行業相關數據進行測算，若只考慮海水深度，當海水深度從15m增至30m，支撐基礎造價將由3,000元/kW增至5,000元/kW；當離岸距離從5km增至200km時，安裝成本將由4000元/kW增加到8,000元/kW[葉軍，仲雅娟。海上風能利用及其成本分析綜述[J]。太陽能，2018(06)：19-25]。

2、風電機組

風力發電機組可將風的動能轉化為電能，按照設備的主要結構特點，可將風力發電分為水平軸風力發電和垂直軸風力發電。目前，世界普遍采用水平軸升力型風力發電機。

中小型風電機組方面，功率為5~10kW的水平軸離網型風電機組一般是由3個機械變槳距葉片組成的風輪驅動永磁發電機發電，發出的電經控制器整流成直流電充入蓄電池儲存，蓄電池里的直流電經逆變器轉換成交流電后，輸出220V交流電帶動用電器工作。該類風電機組多用于為發展中國家和部分發達國家遠離電網地區的農牧民家庭供電或社區供電，屬于風力分布式能源。

大型并網型風電機組方面，2005年以前，定槳距風電機組曾是全球風電場建設的主流機型，但由于變槳距的功率調節方式具有載荷控制平穩、安全和高效等優點，變槳距2005年以后在大型風電機組上得到了廣泛應用。2014年以后，世界上新安裝的大型并網型風電機組全部采用了變槳變速恒頻技術，總體來看，世界風電機組主流實現了定槳距向變槳距的轉變。其中，雙饋異步發電機變速恒頻風電機組是目前世界上技術最成熟的變速恒頻風電機組。歐美多家領先的風電機組制造商都在批量生產此類風電機組。近十年來，1.5~4MW的雙饋異步發電機變速恒頻風電機組在全球風電場的建設中占據主力地位。

我國多數風電機組制造企業也都在生產雙饋異步發電機變速恒頻風電機組。2016年我國新增的風電機組中，雙饋異步發電機變速恒頻風電機組占比約為61%。目前，我國2MW雙饋異步發電機變速恒頻風電機組的技術已經非常成熟，并已成為主流機型。預計到2020年，我國新增風電機組中，雙饋異步發電機變速恒頻風電機組的占比仍將超過50%。但是，因直驅式和半直驅風電機組技術的不斷成熟和發展，雙饋異步發電機變速恒頻風電機組的競爭性將不斷下降，預計到2030年以后，此類風電機組將逐步退出風電市場。

直驅永磁式風電機組采用無齒輪箱的直驅方式，能有效減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統運行的可靠性和壽命，減少風電場維護成本，因而得到了市場青睞，市場占有率逐年上升。2016年，我國新增大型風電機組中，永磁直驅式風電機組的占比達34%以上。預計到2020年，我國新增風電機組中，此類風電機組將占到45%以上的市場份額[沈德昌。當前風電設備技術發展現狀及前景[J]。太陽能，2018(04)：13-18]。

3、未來發展

為實現2020年和2030年非化石能源占一次能源消費比重15%和20%的目標，促進能源轉型，我國必須加快推動風電等可再生能源產業發展。《風電發展“十三五”規劃》(以下簡稱“規劃”)指出，到2020年底，我國風電累計并網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上，風電年發電量確保達到4,200億千瓦時，約占全國總發電量的6%。考慮到截至2017年底我國風電累計裝機達到1.88億千瓦。未來我國風電發展仍有一定的空間。

我國政府在政策層面大力推動風電發展，同時持續推進電力市場化改革，并將解決棄風限電問題當做下一階段重點解決的問題。近期關于國內風電產業發展的政策整理匯總如下所示。

隨著過往十幾年的快速發展，我國風電裝機規模已經穩居世界第一，風電裝備技術水平也進入世界領先梯隊。與此同時，我國面臨較為嚴峻的棄風限電問題，2016年我國棄風電量達到峰值497億千瓦時，造成嚴重的經濟損失。國內風電產業面臨的主要矛盾，從原有爭取大規模、高速度的風電裝機規模，轉向如何消納風電與建設速度之間的矛盾。對此，未來我國將從合理規劃電網結構、挖掘系統調峰潛力及優化調度運行方面，力爭解決風電消納問題。

隨著陸地優質風能資源的逐步開發，海上風電已成為未來的發展趨勢，受到世界各國的重視。海上風電相比陸上風電，具有以下優勢：海上風速高于陸上風速高，風能資源豐富；海上風主導風向一般穩定，有利于機組穩定運行，延長壽命；海上風電單機容量可以提高較大，由于噪音限制小，使得能量產出大，年利用小時數更高；機組距海岸較遠，視覺影響小；環境負面影響小；不占用陸地寶貴的土地資源等。未來海上風電建設方面，《規劃》指出，未來我國將重點推動江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風電建設，積極推動天津、河北、上海、海南等省(市)的海上風電建設，探索性推進遼寧、山東、廣西等省(區)的海上風電項目，到2020年，全國海上風電開工建設規模達到1,000萬千瓦，力爭累計并網容量達到500萬千瓦以上。

二、風力發電環境效益

風電工程使用可再生的自然風力資源發電，同時不排放任何污染物，因此其節能減排環境效益的概念體現于所替代的其他發電類型將產生的能源消耗和污染物排放。由于目前燃煤火電在我國能源結構中占據主導地位，通常將風電與其進行對照比較，即以產出同等電量，節約燃煤火電的能耗及減少的污染物排放量值作為風電的環境效益指標。

燃煤火電使用化石燃料煤炭作為主要能源，在燃燒發電過程中排放溫室氣體CO2以及有害大氣污染物，包括SO2、NOx、煙塵等，造成全球氣候變化以及灰霾等環境污染問題。由此，對風電環境效益的考量，可以分別從節約能源量、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量、煙塵減排量進行。

1、節約能源

節約能源方面，以節約標煤量計算，可以參考火電行業平均的煤耗水平，即全國火電發電標準煤耗值。考慮到供電煤耗逐年降低的客觀情況，可以選取行業有關部門定期發布的基于相同統計原則確定的年度煤耗指標，以保證數據的統一性、可比性及實時性。具體計算中，可以采用中國電力企業聯合會每年發布的全國年度供電煤耗值，其中2010~2017年度煤耗指標如下圖所示。

2、減排CO2

CO2減排方面，根據風電場年度實際發電量及替代當年火電供電標準煤耗值，乘以噸標煤CO2排放系數，即得到風電場年度CO2的減排量數據。

根據《中國發電企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》(試行)，發電企業的溫室氣體排放總量等于企業邊界內化石燃料燃燒排放、脫硫過程的排放和凈購入使用電力產生的排放之和。其中，化石燃料燃燒是CO2主要的排放來源，其CO2排放量主要基于分品種的燃料燃燒量、燃料的低位發熱量、單位熱值的含碳量和碳氧化率計算得到。企業化石燃料消耗主要由燃煤、輔助燃油、移動設施用柴油和移動設施用汽油組成[蓋志杰，王鵬輝。燃煤電廠碳排放典型計算及分析[J]。中國電力，2017,50(05)：178-184]。

3、減排有害氣體

有害氣體減排方面，同樣可以根據風電場年度實際發電量及替代當年火電供電標準煤耗值，分別乘以噸標煤的SO2、NOx、煙塵排放系數，即可得到風電場年度SO2、NOx、煙塵的減排量數據。例如，下表為中國銀監會統計的近年來風電行業綠色信貸所產生的節能減排效果。

三、風電場環境效益評估框架

風力發電所產生的節能減排效益，主要來源于其替代傳統化石能源并生產供應電力。風電場的發電效率越高，則其理論上的節能減排效益越明顯。本篇研究對風電場環境效益的評估基于此假設，并分別從風電項目的設計水平與運行維護水平展開。

1、設計水平評估

作為風電場建設第一階段的風電場設計，對風電項目后來的運營有舉足輕重的作用和深遠的影響。風電場設計從最初的風場選址就開始了，包括宏觀選址、風資源評價和微觀選址等內容。風電場設計需要多專業協同工作，主要包括風能、系統、電氣、土建、水工、勘測、環保和技術經濟等專業。同時，風電場設計需綜合考慮風能資源、當地經濟、電網、交通、地質等多方面的因素。

考慮到對風電場設計水平進行評估時，不同區域地理特征、氣候條件各不相同，風資源條件差異較大，工程設計中常用的“風電場年等效滿負荷小時數”和“風電場容量系數”等性能參數僅客觀反映了地區風能資源的特性，設計中如果統一采用上述兩個參數來評價風電場的設計水平，由于風資源條件好的地方上述指標客觀就高，不能充分反映設計技術對工程的影響，如果得出風資源越豐富地區，風電場設計水平越高，顯然不能真實體現設計工作的價值，而且實踐證明與實際情況也不符。

影響風電場發電量的兩個主要因素是：風能資源情況與風電機組的選型和布置。對于一個特定的場址，其風能資源情況是無法改變的固有條件，而真正體現設計水平和技術能力同時對風電場設計水平有直接影響的工作是風電機組的選型和布置方案。

相關研究在選取多個風電場作為樣本統計分析的基礎上，總結出相關能夠反映風電場設計評價水平的指標[劉豐，彭懷午，孫立新。關于風電場設計水平的探討[J]。電力勘測設計，2012(01)：77-80]2mw風力發電機組，其中部分如下表所示。

在評估風電場設計水平時，可以借鑒以上研究所采用的評估指標以及參考值。

2、運營水平評估

對于已經建成并投入穩定運營的風電項目，可從年利用小時數、平均故障間隔時間兩個方面進行運營水平的評估。

風電年利用小時數與風能資源條件、系統調峰能力、負荷水平等因素相關，可較為全面地反映風電場利用風能的實際效率情況。風能資源條件好、風電接納水平程度高的區域年利用小時數通常較高。我國局部地區風能資源較豐富，風功率密度在200W/m2以上，但與此同時，我國跨區聯網和系統調峰能力與國外差距較大，局部地區風電已達到較高比重，當前部分風電場年利用小時數偏低。由此可知，利用小時數可綜合反映風電項目利用風能的效率情況。下圖為我國2009~2017年全國風電平均利用小時數情況，由圖中可知，近年國內風電利用小時數存在一定波動。

風電機組在大風期長時間高負荷運行，會顯著增加變頻器、傳動系統和控制系統故障的發生概率；而機組在小風期運行，會相對增加變槳系統和通訊系統故障的發生概率。

夏季的高溫使控制系統和變槳系統的故障增多，冬季的嚴寒使變頻器和液壓系統的故障增多。以上風電機組故障輕則導致計劃外停機檢修，降低發電量；重則需要更換零部件，影響正常運行。平均故障間隔時間可以反映風電場在設備選型、預防、應對故障、運行管理、設備維護方面的水平，間接評估其發電效率及節能減排效益的大小。

四、總結

風能作為一種可再生、環境影響小的清潔能源，其開發利用對于應對全球氣溫變暖、氣候變化等問題有重要意義。經過近十幾年的快速發展，截至2017年底，我國風力發電累計裝機容量已穩居世界第一，同時海上風電取得重要進展。此外，國內風電全產業鏈基本實現國產化，產業集中度不斷提高，在滿足國內市場需求的同時，將風電機組同時出口到33個國家，產業國際競爭力不斷增強。

雙饋異步發電機變速恒頻風電機組是目前世界上技術最成熟的變速恒頻風電機組。近十年來，1.5~4MW的雙饋異步發電機變速恒頻風電機組在全球風電場的建設中占據主力地位。隨著直驅式和半直驅風電機組技術的不斷成熟和發展，雙饋異步發電機變速恒頻風電機組的競爭性將不斷下降，并逐漸被前二者所取代。

風電裝機規模高速發展的同時，我國面臨著較為嚴峻的棄風限電問題。如何消納風電與建設速度之間的矛盾，成為國內亟待解決的問題。對此，未來我國將從合理規劃電網結構、挖掘系統調峰潛力及優化調度運行方面，力爭解決風電消納問題。

風電項目開發利用自然風資源，產生電力的同時不排放任何污染物，因此其節能減排環境效益的概念體現于所替代的其他發電類型將產生的能源消耗和污染物排放。由于目前燃煤火電在我國能源結構中占據主導地位，通常將風電與其進行對照比較，即以產出同等電量，節約燃煤火電的能耗及減少的污染物排放量值作為風電的環境效益指標。

風電場的發電效率越高，則其理論上的節能減排效益越明顯。對風電場環境效益的評估可分別從風電項目的設計水平與運行維護水平展開。設計水平方面，主要考察風能資源情況與風電機組的選型和布置情況，運行維護水平則主要從年利用小時數、平均故障間隔時間兩個方面進行評估。