面對能源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等人類共同的難題,一場以大力開發(fā)利用可再生能源為主題的能源革命在世界范圍內(nèi)興起。推進能源生產(chǎn)和消費革命,構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系,是實現(xiàn)我國“雙碳“戰(zhàn)略目標的必由之路。我國海上風電資源豐富,同時具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點,海上風電將成為我國大力發(fā)展可再生能源的必然選擇。
中國工程院劉吉臻院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第1期撰文指出,發(fā)展海上風電是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐。文章分析了我國能源發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢和面臨挑戰(zhàn),從風電機組、海上輸電、海洋工程和運維技術(shù)等4個領(lǐng)域歸納提煉了我國海上風電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。針對目前我國海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的諸多瓶頸問題,從海上風電資源勘查與評估、提高能源轉(zhuǎn)型認識、宏觀統(tǒng)籌與整體規(guī)劃、科技創(chuàng)新、政策扶持機制等5個方面提出了促進我國海上風電產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的對策與建議,以期為我國海上風電高質(zhì)量發(fā)展和政府有關(guān)部門決策提供參考。
一、前言
面對能源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等人類共同的難題,一場以大力開發(fā)利用可再生能源為主題的能源革命在世界范圍內(nèi)興起。十九大報告中指出,要推進能源生產(chǎn)和消費革命,構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。2020 年 9 月和 12 月,習近平主席分別在第七十五屆聯(lián)合國大會和氣候雄心峰會上宣布將提高國家自主貢獻力度,提出到 2030 年,非化石能源占一次能源消費比重將達到 25% 左右,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到 1.2×109kW 以上;二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值,努力爭取于 2060 年前實現(xiàn)碳中和。這一系列措施進一步明確了新時代我國能源發(fā)展的方向。
我國能源供應(yīng)和能源需求呈逆向分布,在資源上(包括新能源資源)“西富東貧、北多南少”,在需求上恰恰相反。我國海上風電資源豐富,同時具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點,海上風電將成為我國大力發(fā)展可再生能源的必然選擇。“十三五”期間,我國海上風電雖然得到快速發(fā)展,但是截至 2019 年年底累計裝機只有 6.42×106kW,相比海上風電已進入規(guī)?;A段的英國、德國等歐洲國家,我國仍處于商業(yè)化發(fā)展初期階段,“十四五”期間面臨著諸多挑戰(zhàn)。
為推動我國海上風電高質(zhì)量發(fā)展,支撐我國能源轉(zhuǎn)型,2019 年 9 月,中國工程院正式啟動“海上風電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目,旨在從戰(zhàn)略高度上明確我國海上風電的發(fā)展戰(zhàn)略,從實踐層面上策劃我國海上風電的發(fā)展路徑,為海上風電的高質(zhì)量發(fā)展提供咨詢建議。
本文作為“海上風電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目的階段性成果,對我國海上風電這一新興重大技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向進行系統(tǒng)性的分析和研究。在分析我國能源發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,研判海上風電在我國能源轉(zhuǎn)型中的前景和地位,并梳理影響海上風電發(fā)展的重點技術(shù)領(lǐng)域,最后針對目前海上風電發(fā)展存在的問題,研究提出相關(guān)對策建議,為我國經(jīng)濟建設(shè)和能源轉(zhuǎn)型提供堅強、綠色、持續(xù)的支撐。
二、我國能源革命的緊迫性
隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展,我國經(jīng)濟總量已躍居世界前列。與之相應(yīng)的能源消耗總量也持續(xù)大幅增長,目前已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國。2019 年我國能源生產(chǎn)總量達到 3.97×109tce,發(fā)電量達到 7.14×1012kW · h,包括可再生能源發(fā)電裝機在內(nèi)的指標均達到世界首位。2019 年我國一次能源消費總量達到 4.86×109tce,其中煤炭占比為 57.7%,石油占比為 18.9%,天然氣占比為 8.1%,非化石能源占比為 15.3%。在我國能源電力事業(yè)取得舉世矚目成就的同時,能源資源約束日益加劇,生態(tài)環(huán)境問題突出,調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大,能源發(fā)展面臨一系列嚴峻挑戰(zhàn)。
(一)能源消費總量持續(xù)增加,能源利用效率較低
21 世紀初以來,我國一次能源消費總量持續(xù)增長,年均增長近 2×108tce,有力支撐了我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)能耗從 1978 年的 15.66 t/ 萬元下降到 2019 年的 0.49 t/ 萬元,但仍高于世界平均水平 50% 左右。多年來,我國 GDP 增長過多依靠投資和出口拉動,高能耗產(chǎn)業(yè)發(fā)展過快。我國能源轉(zhuǎn)化和利用效率偏低,先進高效能源技術(shù)普及率仍然較低,煤炭等化石能源清潔高效利用技術(shù)發(fā)展不平衡,部分行業(yè)開發(fā)應(yīng)用滯后,能源優(yōu)質(zhì)化利用程度不高,與發(fā)達國家差距明顯,節(jié)能潛力巨大。
(二)用能結(jié)構(gòu)不夠綠色,碳減排壓力大
我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦,使煤炭一直在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。2019 年我國煤炭占一次能源消費比重約為 57.7%,非化石能源近年來有所增長,占比為 15.3%,與世界平均水平(15.7%)相當。2019 年全球能源相關(guān) CO2排放總量為 3.42×1010t,我國 CO2排放量位于全球第一,排放量為 9.8×109 t,是美國的 2 倍,歐盟的 3 倍。2020 年 12 月,習近平主席在氣候雄心峰會上宣布到 2030 年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比 2005 年下降 65% 以上。在全球二氧化碳排放量止增的同時,我國排放量仍在繼續(xù)上升,為實現(xiàn)這一目標,未來溫室氣體減排壓力巨大。
(三)油氣對外依存度持續(xù)增高,能源安全形勢嚴峻
我國化石能源的儲采比非常低,遠遠低于世界平均水平。2019 年我國石油、天然氣、煤炭的儲采比分別為 18.7 年、47.3 年和 37 年,世界石油、天然氣、煤炭平均儲采比為 49.9 年、49.8 年和 132 年,石油僅為世界平均水平的約 1/3,煤炭僅為世界平均水平的約 1/4。2017 年我國超過美國成為全球第一大石油進口國,2019 年原油消費量達到 6.4×108t,產(chǎn)量為 1.9×108t,進口量為 5.1×108t,對外依存度達 71%。自 2018 年起我國成為最大天然氣進口國,2019 年天然氣消費量為 3.001×1011m3,產(chǎn)量為 1.762×1011m3,進口量為 1.391×1011m3,對外依存度達到 43%。隨著全球地緣政治變化、國際能源需求增加和資源市場爭奪加劇,我國能源安全形勢嚴峻。
(四)產(chǎn)能過剩,同質(zhì)化嚴重,技術(shù)創(chuàng)新能力不足
當前能源及其相關(guān)領(lǐng)域,特別是煤炭、鋼鐵和煤電行業(yè)的投資過剩、產(chǎn)能過?,F(xiàn)象較為普遍??萍际峭七M經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的根本動力,也是一個國家核心競爭力的重要標志。新能源產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),尚有大型軸承和齒輪箱、控制系統(tǒng)等部分核心設(shè)備和工具軟件還嚴重依賴進口,需要攻克其中的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。高比例新能源并網(wǎng)系統(tǒng)受到新能源波動性、間歇性和不確定性等的影響,供電可靠性不高,且容易受極端天氣等影響,亟需從電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、規(guī)劃方法、調(diào)度運行技術(shù)等角度研發(fā)解決高比例新能源接入電網(wǎng)造成安全運行與可靠供電等問題。此外,在新能源領(lǐng)域,國家和行業(yè)標準尚不完善,技術(shù)研發(fā)缺乏大型測試平臺。
三、海上風電在能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中的地位和前景
(一)海上風電將成為我國大力發(fā)展可再生能源的必然選擇
1. 海上風能資源豐富,風電效率高
我國擁有超過 1.8×104km 的大陸海岸線,可利用海域面積超過 3×106km2,5~50 m 水深、70 m 高度的海上風電可開發(fā)資源量約為 5×108kW;考慮到 70 m 以上的技術(shù)開發(fā)能力,實際可開發(fā)資源量更多。海上風速高,風機單機容量大,年運行小時數(shù)最高可達 4000 h 以上,海上風電效率較陸上風電年發(fā)電量多出 20%~40%,具有更高的能源效益;海上風電場遠離陸地,不受城市規(guī)劃影響,也不必擔心噪音、電磁波等對居民的影響。
2. 海上風電靠近東部負荷中心,就地消納方便
我國絕大部分陸地風能、太陽能資源分布在西北部,北部和西北部煤炭資源占全國的 76%,西南部水能資源占全國的 80%,而中東部負荷需求則占全國的 70% 以上。能源基地大多遠離負荷中心,最大距離達到 3000 km。中國工程院《我國未來電網(wǎng)格局研究(2020 年)咨詢意見》指出,隨著我國西部產(chǎn)業(yè)發(fā)展和東部清潔能源的開發(fā),東部和西部源荷不平衡程度將降低,“西電東送”規(guī)模會出現(xiàn)拐點,“西電東送”也面臨著不可持續(xù)問題。中國工程院咨詢研究團隊預(yù)測,2030 年我國中東部地區(qū)最大用電負荷將達到 9.7×108kW,需受入電力超過 3.6×108kW,必須采取“集中開發(fā)、遠距離輸送”與“分布式開發(fā)、就地消納”并舉模式。緊鄰東部負荷中心的海上風電大規(guī)模開發(fā),能夠減輕“西電東送”通道建設(shè)壓力;海上風電與“西電東送”的水電還能在出力上形成季節(jié)互補。發(fā)展海上風電能夠進一步提高可再生能源占比,加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
3. 帶動沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,形成海洋經(jīng)濟新的增長極
黨的十九大報告中明確要求堅持陸海統(tǒng)籌,加快建設(shè)海洋強國。發(fā)展海上風電,與大力發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略高度吻合。“十三五”期間,海上風電產(chǎn)業(yè)對沿海縣域經(jīng)濟的拉動作用初步顯現(xiàn),廣東陽江,江蘇如東、大豐等地都在打造世界級海上風電基地,部分積聚區(qū)域年產(chǎn)值已超過 100 多億元,成為地方經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)估算,目前沿海地區(qū)海上風電項目儲備總投資約為 1.6 萬億元,能夠有效地拉動沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,不僅助力海洋經(jīng)濟再上新臺階,而且在當前形勢下形成新的產(chǎn)業(yè)鏈,對于穩(wěn)增長穩(wěn)就業(yè)起到重要作用。
根據(jù)各省規(guī)劃,到 2035 年,我國海上風電裝機將達到 1.3×108kW 左右,與我國目前西電東送容量相當,對促進我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系,將發(fā)揮舉足輕重的作用。海上風電綜合優(yōu)勢明顯,東部地區(qū)可以把發(fā)展重心轉(zhuǎn)移到海上風電資源的開發(fā),海上風電將支撐我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和海洋經(jīng)濟發(fā)展。未來中東部電力負荷也將形成以本地傳統(tǒng)電源、“西電東送”、就地分布式新能源和規(guī)模化海上風電四點支撐的局面,結(jié)構(gòu)見圖 1。
圖 1 中東部電力負荷中心能源互補
(二)國內(nèi)外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
1. 國內(nèi)外海上風電的發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)全球風能理事會(GWEC)統(tǒng)計數(shù)據(jù), 2019 年全球海上風電新增裝機 6.1×106kW,累計裝機容量達到 2.914×107kW,比 2018 年增長了 35.5%。2015—2019 年,全球海上風電市場年均增長近 16%。中國連續(xù)兩年成為新增裝機容量最多的國家,全球新增 / 累計裝機容量情況見圖 2 和圖 3。
圖 2 全球每年新增 / 累計裝機容量
圖 3 各國 2019 年新增 / 累計裝機容量
2019 年我國海上風電新增裝機 1.98×106kW,累計裝機 6.42×106kW,提前 1 年完成了“十三五”末裝機 5×106kW 的規(guī)劃目標,僅次于英國和德國,位居全球第三,海上風電裝機容量情況見圖 4。截至 2019 年年底,在建項目裝機 1.095×107kW,已核準待建項目 4.048×107kW。按照各省規(guī)劃,江蘇、廣東等是未來海上風電發(fā)展的重點區(qū)域,我國海上風電也將進入高速發(fā)展時期。
圖 4 我國海上風電裝機容量
注:數(shù)據(jù)來自中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會(CWEA)。
2. 國內(nèi)外海上風電的發(fā)展趨勢
近些年歐美發(fā)達國家在大規(guī)模海上風電集中開發(fā)的技術(shù)集成與關(guān)鍵裝備領(lǐng)域進步巨大,海上風電總體呈現(xiàn)“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發(fā)展趨勢,即單機額定容量逐步增大,海上風電機組進入 10 MW 時代;風電場規(guī)模越來越大,單體規(guī)模超過百萬千瓦,規(guī)模化開發(fā)趨勢明顯;風場離岸距離和水深不斷增加,分別超過 100 km 和 100 m,深遠?;厔菝黠@;競價上網(wǎng)成為海上風電發(fā)展最新模式,海上風電成本逐步下降。
四、海上風電重點技術(shù)
(一)風電機組技術(shù)
目前海上風電機組向著“大容量、輕量化、高可靠”趨勢發(fā)展。國外最大單機容量達到 12 MW,國內(nèi)最大單機容量為 10 MW,國內(nèi)外供應(yīng)商主要風機型號見表 1。
表 1 國內(nèi)外供應(yīng)商主要風機型號
1. 超長超柔葉片技術(shù)
葉片是影響風機性能和成本的關(guān)鍵部件,是衡量國家技術(shù)實力的標志之一,通過彎扭耦合控制實現(xiàn)葉片的自適應(yīng)降載,降低葉片單位長度的成本。通過合理的材料布置方案提高葉片面內(nèi)的氣動阻尼,提高葉片可靠性。柔性葉片配合氣動附件的設(shè)計方案可以減少葉片的失速風險,保證機組的發(fā)電量。柔性葉片的彎扭耦合,柔性葉片與變槳系統(tǒng)耦合的穩(wěn)定性,葉片變形動態(tài)測試等方面仍受制于國外的技術(shù),相關(guān)部件材料 / 軟件等進口情況見表 2。
表 2 葉片相關(guān)部件材料 / 軟件等進口情況
2. 風電機組主軸承技術(shù)
風電機組主軸承式風機的核心樞紐,不但要具有防腐防潮等性能,還必須承載整個風機巨大震動沖擊。目前國內(nèi)在主軸承設(shè)計布局等方面依然存在薄弱環(huán)節(jié),一定程度上依靠國外引進技術(shù),還需進一步深入研究整個軸系,設(shè)計適合我國沿海風情的軸承技術(shù),相關(guān)設(shè)備進口情況見表 3。
表 3 主軸承、傳動鏈試驗檢測設(shè)備進口情況
3. 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機
目前國內(nèi)海上風力發(fā)電機類型主要有雙饋風機和永磁直驅(qū)風機兩種。它們的主要區(qū)別在于發(fā)電結(jié)構(gòu)不同,傳動不同。永磁直驅(qū)風機相對雙饋風機效率更高、能耗較小、受風速等條件限制小,對于我國風電行業(yè)發(fā)展具有更重要的意義。但因永磁直驅(qū)風機制造成本較高,控制難度較大,技術(shù)還不成熟等問題,國內(nèi)未來一段時間永磁直驅(qū)風機和雙饋風機仍將并行發(fā)展。雙饋式風機與永磁直驅(qū)式風機區(qū)別分析見表 4。
表 4 雙饋式風機與永磁直驅(qū)式風機的區(qū)別
4. 新型高效風能轉(zhuǎn)換裝置
在單風輪 Cpmax(風能利用系數(shù)最大值)達到 0.48的情況下,流過風輪后的風速僅降低20%左右,且主要通過風輪外葉展吸收能量,內(nèi)葉展能量利用率很低,具有很高的能量梯級利用價值。串列式雙風輪機組結(jié)構(gòu)緊湊,單位面積功率密度更高,單位面積內(nèi)機位更多,總?cè)萘扛?。雙風輪風機功率密度高、占地少,能夠有效提高能源利用率,具有較高風能利用系數(shù)。浙江某 300 MW 海上風電場,風場面積 47.5 km2,裝有 58 臺 5.2 MW 機組,如采用等功率雙風輪機組,可增加 20%~30% 機位。
(二)海上輸電技術(shù)
1. 海上風電單場送出技術(shù)
目前海上風電單場送出的技術(shù)主要有高壓交流輸電 (HVAC)、常規(guī)直流輸電 (LCC-HVDC)、柔性直流輸電 (VSC-HVDC)、分頻輸電 (FFTS) 四種方式,海上風電場輸電方式選擇主要參考風電場容量和離岸距離,詳細見表 5。海上風電場開發(fā)規(guī)模的擴大,輸電容量和輸電距離的增加,機組大型化、受端電網(wǎng)短路電流水平、電網(wǎng)安全穩(wěn)定等因素,使得海上風電輸電直流化方向的發(fā)展趨勢愈加明顯。
表 5 海上風電場輸電方式選擇
2. 大規(guī)模海上風電集群組網(wǎng)送出技術(shù)
未來可用于大規(guī)模海上風電集群組網(wǎng)送出的方案主要有基于 HVAC 技術(shù)的場間交流并聯(lián)組網(wǎng)交流送出,基于 VSC-HVDC 的交流并聯(lián)組網(wǎng)柔直送出,基于 VSC-HVDC 的多端柔性直流輸電和基于 LCCHVDC 和 VSC-HVDC 的混合直流輸電。
(三)海洋工程技術(shù)
海洋工程技術(shù)主要包括勘查工程技術(shù)、結(jié)構(gòu)工程技術(shù)、巖土工程技術(shù)、建造技術(shù)以及運營維護技術(shù)五部分(見圖 5)。水深超過 50 m 的深海區(qū)域,如采用固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),造價將大幅增加,且目前技術(shù)難以實現(xiàn),深海浮式風電場將成為海上風電場發(fā)展的新趨勢。2018 年江蘇亨通光電股份有限公司成功中標葡萄牙海上浮式風力發(fā)電輸出系統(tǒng)建設(shè)項目,為我國漂浮海上風電項目開發(fā)積累了成功經(jīng)驗。
圖 5 海洋工程技術(shù)總覽
(四)運維技術(shù)
1. 激光雷達檢測技術(shù)與風速實時預(yù)測
通過裝設(shè)于漂浮式平臺的激光測風雷達進行風資源觀測,可為設(shè)計規(guī)劃以及優(yōu)化調(diào)度提供高精度風況指導(dǎo);通過機艙式激光雷達實現(xiàn)前饋變槳降載運行。分析歷史數(shù)據(jù)及氣象數(shù)值信息建立預(yù)測模型,輸入高精度測量數(shù)據(jù)進行模型計算,從而得到風速實時預(yù)測結(jié)果,為多尺度場級功率預(yù)測以及海上風電能量優(yōu)化管理提供了測算依據(jù),風速實時預(yù)測流程見圖 6。
圖 6 風速實時預(yù)測流程圖
注:SCADA 指數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。
2. 風電場尾流控制
構(gòu)建面向控制的穩(wěn)態(tài)尾流模型,量化機組間因尾流效應(yīng)產(chǎn)生的功率耦合關(guān)系;通過優(yōu)化問題的構(gòu)建求解,降低尾流效應(yīng)引起的功率損失,提高全場發(fā)電量。結(jié)合模態(tài)分解與頻域分析手段,分析尾流的動態(tài)特性,量化尾流效應(yīng)對機組載荷的影響,實現(xiàn)功率–載荷協(xié)同優(yōu)化,風電場尾流控制技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。
圖 7 風電場尾流控制技術(shù)
注:CFD 計算流體動力學。
3. 風電場優(yōu)化調(diào)度與控制
綜合風–浪–流–機的復(fù)雜耦合影響,從固有 / 可變兩個角度表征高可靠性前提下的機組功率調(diào)節(jié)特性,量化功率調(diào)節(jié)與機械載荷指標間的關(guān)系。構(gòu)建群–場–機多層框架的風電場群協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法,提高規(guī)?;I巷L電的并網(wǎng)友好性。風電場優(yōu)化調(diào)度與控制流程如圖 8 所示。
圖 8 風電場優(yōu)化調(diào)度與控制
注:AGC 為自動發(fā)電控制;AVC 為自動電壓控制。
4. 設(shè)備智能檢測與維修
基于智能數(shù)字化檢測技術(shù)構(gòu)建風電場大數(shù)據(jù)云平臺,實時更新與計算風場監(jiān)控狀態(tài)、故障分析、設(shè)備監(jiān)測及預(yù)警等,以定期維護與故障預(yù)警維修相結(jié)合的形式,保障機組常規(guī)維護,及早發(fā)現(xiàn)故障并及時處理,減少故障導(dǎo)致的停機時間,海上風電場運維流程如圖 9 所示。建設(shè)區(qū)域化運維基地及智能調(diào)度策略,結(jié)合設(shè)備健康度檢測信息與精細化氣象預(yù)報,優(yōu)化部署海上維修交通工具及檢修團隊,提高維修效率,降低運維成本。
圖 9 海上風電場運維流程
五、海上風電高質(zhì)量發(fā)展的對策建議
(一)加大海上風電資源勘察力度,建立資源評估體系
建議政府部門和科研機構(gòu),對全國海上風電資源進行詳盡的勘測,建立資源評估體系,強力支撐國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃、政策法規(guī)編制,引導(dǎo)和優(yōu)化可再生能源項目投資布局。建議在相關(guān)教育專業(yè)設(shè)置和可再生能源資源堪察評估專業(yè)人才培養(yǎng)等方面予以重點支持。
(二)提高海上風電對我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的認識
革新我國能源資源稟賦理念,規(guī)范能源資源稟賦的內(nèi)涵,旗幟鮮明地將海上風電等可再生能源作為國家能源規(guī)劃和戰(zhàn)略政策中不可或缺的組成部分;國內(nèi)近海海上風電資源豐富,開發(fā)利用潛力巨大,且靠近東部電力負荷中心,就近消納方便,發(fā)展海上風電將成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐,為海洋綜合開發(fā)利用與建設(shè)海洋強國貢獻力量。
(三)加大國家層面的宏觀統(tǒng)籌與整體規(guī)劃
“十四五”期間強化對海上風電的頂層設(shè)計,統(tǒng)籌未來電網(wǎng)建設(shè)格局,支持東部沿海加快形成海上風電統(tǒng)一規(guī)劃、集中連片、規(guī)?;瘽L動開發(fā)態(tài)勢,優(yōu)化電力生產(chǎn)和輸送通道布局;聚焦“新基建”,加快廣東、江蘇等風能資源良好省份現(xiàn)有的海上風電基地建設(shè),并逐步推動海上風電往深海、遠海方向發(fā)展,實現(xiàn)海上組網(wǎng)與就地消納;建議電網(wǎng)企業(yè)一同加入海上風電開發(fā),統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)格局、電力流和電網(wǎng)安全的影響,統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)海上電力輸送通道,減少不必要的重復(fù)投資。
(四)聚焦“卡脖子”問題,加強科技創(chuàng)新
海上風電技術(shù)和裝備要求高、科技內(nèi)容豐富,利用“十四五”窗口期,建議科學技術(shù)部、發(fā)展和改革委員會、能源局聚焦海上風電全產(chǎn)業(yè)鏈“卡脖子”問題,加大科技攻關(guān)力度,提高裝備國產(chǎn)化率,推動關(guān)鍵核心技術(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化突破;開展全生命周期多維度技術(shù)經(jīng)濟評價,建立引導(dǎo)海上風電科技創(chuàng)新的差異化政策扶持機制;在科研體制方面,探索面向國家需求的新型創(chuàng)新合作機制、激勵機制、人才培養(yǎng)機制。
(五)健全政策扶持機制,引導(dǎo)海上風電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展
改變一刀切、限定時限予以補償?shù)臋C制,建立針對海上風電的階段性退坡補貼機制,避免海上風電片面追求規(guī)模、忽視質(zhì)量的“搶裝潮”;調(diào)動地方財政補貼積極性,通過補貼實現(xiàn)海上風電產(chǎn)業(yè)鏈延伸和推動地方經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的良性循環(huán);準確把握“放管服”政策尺度,避免陸上風電“4.95 萬千瓦現(xiàn)象”;開展全生命周期多維度技術(shù)經(jīng)濟評價,建立引導(dǎo)海上風電科技創(chuàng)新的差異化政策扶持機制。
中國工程院劉吉臻院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第1期撰文指出,發(fā)展海上風電是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐。文章分析了我國能源發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢和面臨挑戰(zhàn),從風電機組、海上輸電、海洋工程和運維技術(shù)等4個領(lǐng)域歸納提煉了我國海上風電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。針對目前我國海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的諸多瓶頸問題,從海上風電資源勘查與評估、提高能源轉(zhuǎn)型認識、宏觀統(tǒng)籌與整體規(guī)劃、科技創(chuàng)新、政策扶持機制等5個方面提出了促進我國海上風電產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的對策與建議,以期為我國海上風電高質(zhì)量發(fā)展和政府有關(guān)部門決策提供參考。
一、前言
面對能源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等人類共同的難題,一場以大力開發(fā)利用可再生能源為主題的能源革命在世界范圍內(nèi)興起。十九大報告中指出,要推進能源生產(chǎn)和消費革命,構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。2020 年 9 月和 12 月,習近平主席分別在第七十五屆聯(lián)合國大會和氣候雄心峰會上宣布將提高國家自主貢獻力度,提出到 2030 年,非化石能源占一次能源消費比重將達到 25% 左右,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到 1.2×109kW 以上;二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值,努力爭取于 2060 年前實現(xiàn)碳中和。這一系列措施進一步明確了新時代我國能源發(fā)展的方向。
我國能源供應(yīng)和能源需求呈逆向分布,在資源上(包括新能源資源)“西富東貧、北多南少”,在需求上恰恰相反。我國海上風電資源豐富,同時具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點,海上風電將成為我國大力發(fā)展可再生能源的必然選擇。“十三五”期間,我國海上風電雖然得到快速發(fā)展,但是截至 2019 年年底累計裝機只有 6.42×106kW,相比海上風電已進入規(guī)?;A段的英國、德國等歐洲國家,我國仍處于商業(yè)化發(fā)展初期階段,“十四五”期間面臨著諸多挑戰(zhàn)。
為推動我國海上風電高質(zhì)量發(fā)展,支撐我國能源轉(zhuǎn)型,2019 年 9 月,中國工程院正式啟動“海上風電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目,旨在從戰(zhàn)略高度上明確我國海上風電的發(fā)展戰(zhàn)略,從實踐層面上策劃我國海上風電的發(fā)展路徑,為海上風電的高質(zhì)量發(fā)展提供咨詢建議。
本文作為“海上風電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目的階段性成果,對我國海上風電這一新興重大技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向進行系統(tǒng)性的分析和研究。在分析我國能源發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,研判海上風電在我國能源轉(zhuǎn)型中的前景和地位,并梳理影響海上風電發(fā)展的重點技術(shù)領(lǐng)域,最后針對目前海上風電發(fā)展存在的問題,研究提出相關(guān)對策建議,為我國經(jīng)濟建設(shè)和能源轉(zhuǎn)型提供堅強、綠色、持續(xù)的支撐。
二、我國能源革命的緊迫性
隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展,我國經(jīng)濟總量已躍居世界前列。與之相應(yīng)的能源消耗總量也持續(xù)大幅增長,目前已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國。2019 年我國能源生產(chǎn)總量達到 3.97×109tce,發(fā)電量達到 7.14×1012kW · h,包括可再生能源發(fā)電裝機在內(nèi)的指標均達到世界首位。2019 年我國一次能源消費總量達到 4.86×109tce,其中煤炭占比為 57.7%,石油占比為 18.9%,天然氣占比為 8.1%,非化石能源占比為 15.3%。在我國能源電力事業(yè)取得舉世矚目成就的同時,能源資源約束日益加劇,生態(tài)環(huán)境問題突出,調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大,能源發(fā)展面臨一系列嚴峻挑戰(zhàn)。
(一)能源消費總量持續(xù)增加,能源利用效率較低
21 世紀初以來,我國一次能源消費總量持續(xù)增長,年均增長近 2×108tce,有力支撐了我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)能耗從 1978 年的 15.66 t/ 萬元下降到 2019 年的 0.49 t/ 萬元,但仍高于世界平均水平 50% 左右。多年來,我國 GDP 增長過多依靠投資和出口拉動,高能耗產(chǎn)業(yè)發(fā)展過快。我國能源轉(zhuǎn)化和利用效率偏低,先進高效能源技術(shù)普及率仍然較低,煤炭等化石能源清潔高效利用技術(shù)發(fā)展不平衡,部分行業(yè)開發(fā)應(yīng)用滯后,能源優(yōu)質(zhì)化利用程度不高,與發(fā)達國家差距明顯,節(jié)能潛力巨大。
(二)用能結(jié)構(gòu)不夠綠色,碳減排壓力大
我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦,使煤炭一直在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。2019 年我國煤炭占一次能源消費比重約為 57.7%,非化石能源近年來有所增長,占比為 15.3%,與世界平均水平(15.7%)相當。2019 年全球能源相關(guān) CO2排放總量為 3.42×1010t,我國 CO2排放量位于全球第一,排放量為 9.8×109 t,是美國的 2 倍,歐盟的 3 倍。2020 年 12 月,習近平主席在氣候雄心峰會上宣布到 2030 年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比 2005 年下降 65% 以上。在全球二氧化碳排放量止增的同時,我國排放量仍在繼續(xù)上升,為實現(xiàn)這一目標,未來溫室氣體減排壓力巨大。
(三)油氣對外依存度持續(xù)增高,能源安全形勢嚴峻
我國化石能源的儲采比非常低,遠遠低于世界平均水平。2019 年我國石油、天然氣、煤炭的儲采比分別為 18.7 年、47.3 年和 37 年,世界石油、天然氣、煤炭平均儲采比為 49.9 年、49.8 年和 132 年,石油僅為世界平均水平的約 1/3,煤炭僅為世界平均水平的約 1/4。2017 年我國超過美國成為全球第一大石油進口國,2019 年原油消費量達到 6.4×108t,產(chǎn)量為 1.9×108t,進口量為 5.1×108t,對外依存度達 71%。自 2018 年起我國成為最大天然氣進口國,2019 年天然氣消費量為 3.001×1011m3,產(chǎn)量為 1.762×1011m3,進口量為 1.391×1011m3,對外依存度達到 43%。隨著全球地緣政治變化、國際能源需求增加和資源市場爭奪加劇,我國能源安全形勢嚴峻。
(四)產(chǎn)能過剩,同質(zhì)化嚴重,技術(shù)創(chuàng)新能力不足
當前能源及其相關(guān)領(lǐng)域,特別是煤炭、鋼鐵和煤電行業(yè)的投資過剩、產(chǎn)能過?,F(xiàn)象較為普遍??萍际峭七M經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的根本動力,也是一個國家核心競爭力的重要標志。新能源產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),尚有大型軸承和齒輪箱、控制系統(tǒng)等部分核心設(shè)備和工具軟件還嚴重依賴進口,需要攻克其中的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。高比例新能源并網(wǎng)系統(tǒng)受到新能源波動性、間歇性和不確定性等的影響,供電可靠性不高,且容易受極端天氣等影響,亟需從電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、規(guī)劃方法、調(diào)度運行技術(shù)等角度研發(fā)解決高比例新能源接入電網(wǎng)造成安全運行與可靠供電等問題。此外,在新能源領(lǐng)域,國家和行業(yè)標準尚不完善,技術(shù)研發(fā)缺乏大型測試平臺。
三、海上風電在能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中的地位和前景
(一)海上風電將成為我國大力發(fā)展可再生能源的必然選擇
1. 海上風能資源豐富,風電效率高
我國擁有超過 1.8×104km 的大陸海岸線,可利用海域面積超過 3×106km2,5~50 m 水深、70 m 高度的海上風電可開發(fā)資源量約為 5×108kW;考慮到 70 m 以上的技術(shù)開發(fā)能力,實際可開發(fā)資源量更多。海上風速高,風機單機容量大,年運行小時數(shù)最高可達 4000 h 以上,海上風電效率較陸上風電年發(fā)電量多出 20%~40%,具有更高的能源效益;海上風電場遠離陸地,不受城市規(guī)劃影響,也不必擔心噪音、電磁波等對居民的影響。
2. 海上風電靠近東部負荷中心,就地消納方便
我國絕大部分陸地風能、太陽能資源分布在西北部,北部和西北部煤炭資源占全國的 76%,西南部水能資源占全國的 80%,而中東部負荷需求則占全國的 70% 以上。能源基地大多遠離負荷中心,最大距離達到 3000 km。中國工程院《我國未來電網(wǎng)格局研究(2020 年)咨詢意見》指出,隨著我國西部產(chǎn)業(yè)發(fā)展和東部清潔能源的開發(fā),東部和西部源荷不平衡程度將降低,“西電東送”規(guī)模會出現(xiàn)拐點,“西電東送”也面臨著不可持續(xù)問題。中國工程院咨詢研究團隊預(yù)測,2030 年我國中東部地區(qū)最大用電負荷將達到 9.7×108kW,需受入電力超過 3.6×108kW,必須采取“集中開發(fā)、遠距離輸送”與“分布式開發(fā)、就地消納”并舉模式。緊鄰東部負荷中心的海上風電大規(guī)模開發(fā),能夠減輕“西電東送”通道建設(shè)壓力;海上風電與“西電東送”的水電還能在出力上形成季節(jié)互補。發(fā)展海上風電能夠進一步提高可再生能源占比,加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
3. 帶動沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,形成海洋經(jīng)濟新的增長極
黨的十九大報告中明確要求堅持陸海統(tǒng)籌,加快建設(shè)海洋強國。發(fā)展海上風電,與大力發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略高度吻合。“十三五”期間,海上風電產(chǎn)業(yè)對沿海縣域經(jīng)濟的拉動作用初步顯現(xiàn),廣東陽江,江蘇如東、大豐等地都在打造世界級海上風電基地,部分積聚區(qū)域年產(chǎn)值已超過 100 多億元,成為地方經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)估算,目前沿海地區(qū)海上風電項目儲備總投資約為 1.6 萬億元,能夠有效地拉動沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,不僅助力海洋經(jīng)濟再上新臺階,而且在當前形勢下形成新的產(chǎn)業(yè)鏈,對于穩(wěn)增長穩(wěn)就業(yè)起到重要作用。
根據(jù)各省規(guī)劃,到 2035 年,我國海上風電裝機將達到 1.3×108kW 左右,與我國目前西電東送容量相當,對促進我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系,將發(fā)揮舉足輕重的作用。海上風電綜合優(yōu)勢明顯,東部地區(qū)可以把發(fā)展重心轉(zhuǎn)移到海上風電資源的開發(fā),海上風電將支撐我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和海洋經(jīng)濟發(fā)展。未來中東部電力負荷也將形成以本地傳統(tǒng)電源、“西電東送”、就地分布式新能源和規(guī)模化海上風電四點支撐的局面,結(jié)構(gòu)見圖 1。
圖 1 中東部電力負荷中心能源互補
(二)國內(nèi)外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
1. 國內(nèi)外海上風電的發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)全球風能理事會(GWEC)統(tǒng)計數(shù)據(jù), 2019 年全球海上風電新增裝機 6.1×106kW,累計裝機容量達到 2.914×107kW,比 2018 年增長了 35.5%。2015—2019 年,全球海上風電市場年均增長近 16%。中國連續(xù)兩年成為新增裝機容量最多的國家,全球新增 / 累計裝機容量情況見圖 2 和圖 3。
圖 2 全球每年新增 / 累計裝機容量
圖 3 各國 2019 年新增 / 累計裝機容量
2019 年我國海上風電新增裝機 1.98×106kW,累計裝機 6.42×106kW,提前 1 年完成了“十三五”末裝機 5×106kW 的規(guī)劃目標,僅次于英國和德國,位居全球第三,海上風電裝機容量情況見圖 4。截至 2019 年年底,在建項目裝機 1.095×107kW,已核準待建項目 4.048×107kW。按照各省規(guī)劃,江蘇、廣東等是未來海上風電發(fā)展的重點區(qū)域,我國海上風電也將進入高速發(fā)展時期。
圖 4 我國海上風電裝機容量
注:數(shù)據(jù)來自中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會(CWEA)。
2. 國內(nèi)外海上風電的發(fā)展趨勢
近些年歐美發(fā)達國家在大規(guī)模海上風電集中開發(fā)的技術(shù)集成與關(guān)鍵裝備領(lǐng)域進步巨大,海上風電總體呈現(xiàn)“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發(fā)展趨勢,即單機額定容量逐步增大,海上風電機組進入 10 MW 時代;風電場規(guī)模越來越大,單體規(guī)模超過百萬千瓦,規(guī)模化開發(fā)趨勢明顯;風場離岸距離和水深不斷增加,分別超過 100 km 和 100 m,深遠?;厔菝黠@;競價上網(wǎng)成為海上風電發(fā)展最新模式,海上風電成本逐步下降。
四、海上風電重點技術(shù)
(一)風電機組技術(shù)
目前海上風電機組向著“大容量、輕量化、高可靠”趨勢發(fā)展。國外最大單機容量達到 12 MW,國內(nèi)最大單機容量為 10 MW,國內(nèi)外供應(yīng)商主要風機型號見表 1。
表 1 國內(nèi)外供應(yīng)商主要風機型號
1. 超長超柔葉片技術(shù)
葉片是影響風機性能和成本的關(guān)鍵部件,是衡量國家技術(shù)實力的標志之一,通過彎扭耦合控制實現(xiàn)葉片的自適應(yīng)降載,降低葉片單位長度的成本。通過合理的材料布置方案提高葉片面內(nèi)的氣動阻尼,提高葉片可靠性。柔性葉片配合氣動附件的設(shè)計方案可以減少葉片的失速風險,保證機組的發(fā)電量。柔性葉片的彎扭耦合,柔性葉片與變槳系統(tǒng)耦合的穩(wěn)定性,葉片變形動態(tài)測試等方面仍受制于國外的技術(shù),相關(guān)部件材料 / 軟件等進口情況見表 2。
表 2 葉片相關(guān)部件材料 / 軟件等進口情況
2. 風電機組主軸承技術(shù)
風電機組主軸承式風機的核心樞紐,不但要具有防腐防潮等性能,還必須承載整個風機巨大震動沖擊。目前國內(nèi)在主軸承設(shè)計布局等方面依然存在薄弱環(huán)節(jié),一定程度上依靠國外引進技術(shù),還需進一步深入研究整個軸系,設(shè)計適合我國沿海風情的軸承技術(shù),相關(guān)設(shè)備進口情況見表 3。
表 3 主軸承、傳動鏈試驗檢測設(shè)備進口情況
3. 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機
目前國內(nèi)海上風力發(fā)電機類型主要有雙饋風機和永磁直驅(qū)風機兩種。它們的主要區(qū)別在于發(fā)電結(jié)構(gòu)不同,傳動不同。永磁直驅(qū)風機相對雙饋風機效率更高、能耗較小、受風速等條件限制小,對于我國風電行業(yè)發(fā)展具有更重要的意義。但因永磁直驅(qū)風機制造成本較高,控制難度較大,技術(shù)還不成熟等問題,國內(nèi)未來一段時間永磁直驅(qū)風機和雙饋風機仍將并行發(fā)展。雙饋式風機與永磁直驅(qū)式風機區(qū)別分析見表 4。
表 4 雙饋式風機與永磁直驅(qū)式風機的區(qū)別
4. 新型高效風能轉(zhuǎn)換裝置
在單風輪 Cpmax(風能利用系數(shù)最大值)達到 0.48的情況下,流過風輪后的風速僅降低20%左右,且主要通過風輪外葉展吸收能量,內(nèi)葉展能量利用率很低,具有很高的能量梯級利用價值。串列式雙風輪機組結(jié)構(gòu)緊湊,單位面積功率密度更高,單位面積內(nèi)機位更多,總?cè)萘扛?。雙風輪風機功率密度高、占地少,能夠有效提高能源利用率,具有較高風能利用系數(shù)。浙江某 300 MW 海上風電場,風場面積 47.5 km2,裝有 58 臺 5.2 MW 機組,如采用等功率雙風輪機組,可增加 20%~30% 機位。
(二)海上輸電技術(shù)
1. 海上風電單場送出技術(shù)
目前海上風電單場送出的技術(shù)主要有高壓交流輸電 (HVAC)、常規(guī)直流輸電 (LCC-HVDC)、柔性直流輸電 (VSC-HVDC)、分頻輸電 (FFTS) 四種方式,海上風電場輸電方式選擇主要參考風電場容量和離岸距離,詳細見表 5。海上風電場開發(fā)規(guī)模的擴大,輸電容量和輸電距離的增加,機組大型化、受端電網(wǎng)短路電流水平、電網(wǎng)安全穩(wěn)定等因素,使得海上風電輸電直流化方向的發(fā)展趨勢愈加明顯。
表 5 海上風電場輸電方式選擇
2. 大規(guī)模海上風電集群組網(wǎng)送出技術(shù)
未來可用于大規(guī)模海上風電集群組網(wǎng)送出的方案主要有基于 HVAC 技術(shù)的場間交流并聯(lián)組網(wǎng)交流送出,基于 VSC-HVDC 的交流并聯(lián)組網(wǎng)柔直送出,基于 VSC-HVDC 的多端柔性直流輸電和基于 LCCHVDC 和 VSC-HVDC 的混合直流輸電。
(三)海洋工程技術(shù)
海洋工程技術(shù)主要包括勘查工程技術(shù)、結(jié)構(gòu)工程技術(shù)、巖土工程技術(shù)、建造技術(shù)以及運營維護技術(shù)五部分(見圖 5)。水深超過 50 m 的深海區(qū)域,如采用固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),造價將大幅增加,且目前技術(shù)難以實現(xiàn),深海浮式風電場將成為海上風電場發(fā)展的新趨勢。2018 年江蘇亨通光電股份有限公司成功中標葡萄牙海上浮式風力發(fā)電輸出系統(tǒng)建設(shè)項目,為我國漂浮海上風電項目開發(fā)積累了成功經(jīng)驗。
圖 5 海洋工程技術(shù)總覽
(四)運維技術(shù)
1. 激光雷達檢測技術(shù)與風速實時預(yù)測
通過裝設(shè)于漂浮式平臺的激光測風雷達進行風資源觀測,可為設(shè)計規(guī)劃以及優(yōu)化調(diào)度提供高精度風況指導(dǎo);通過機艙式激光雷達實現(xiàn)前饋變槳降載運行。分析歷史數(shù)據(jù)及氣象數(shù)值信息建立預(yù)測模型,輸入高精度測量數(shù)據(jù)進行模型計算,從而得到風速實時預(yù)測結(jié)果,為多尺度場級功率預(yù)測以及海上風電能量優(yōu)化管理提供了測算依據(jù),風速實時預(yù)測流程見圖 6。
圖 6 風速實時預(yù)測流程圖
注:SCADA 指數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。
2. 風電場尾流控制
構(gòu)建面向控制的穩(wěn)態(tài)尾流模型,量化機組間因尾流效應(yīng)產(chǎn)生的功率耦合關(guān)系;通過優(yōu)化問題的構(gòu)建求解,降低尾流效應(yīng)引起的功率損失,提高全場發(fā)電量。結(jié)合模態(tài)分解與頻域分析手段,分析尾流的動態(tài)特性,量化尾流效應(yīng)對機組載荷的影響,實現(xiàn)功率–載荷協(xié)同優(yōu)化,風電場尾流控制技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。
圖 7 風電場尾流控制技術(shù)
注:CFD 計算流體動力學。
3. 風電場優(yōu)化調(diào)度與控制
綜合風–浪–流–機的復(fù)雜耦合影響,從固有 / 可變兩個角度表征高可靠性前提下的機組功率調(diào)節(jié)特性,量化功率調(diào)節(jié)與機械載荷指標間的關(guān)系。構(gòu)建群–場–機多層框架的風電場群協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法,提高規(guī)?;I巷L電的并網(wǎng)友好性。風電場優(yōu)化調(diào)度與控制流程如圖 8 所示。
圖 8 風電場優(yōu)化調(diào)度與控制
注:AGC 為自動發(fā)電控制;AVC 為自動電壓控制。
4. 設(shè)備智能檢測與維修
基于智能數(shù)字化檢測技術(shù)構(gòu)建風電場大數(shù)據(jù)云平臺,實時更新與計算風場監(jiān)控狀態(tài)、故障分析、設(shè)備監(jiān)測及預(yù)警等,以定期維護與故障預(yù)警維修相結(jié)合的形式,保障機組常規(guī)維護,及早發(fā)現(xiàn)故障并及時處理,減少故障導(dǎo)致的停機時間,海上風電場運維流程如圖 9 所示。建設(shè)區(qū)域化運維基地及智能調(diào)度策略,結(jié)合設(shè)備健康度檢測信息與精細化氣象預(yù)報,優(yōu)化部署海上維修交通工具及檢修團隊,提高維修效率,降低運維成本。
圖 9 海上風電場運維流程
五、海上風電高質(zhì)量發(fā)展的對策建議
(一)加大海上風電資源勘察力度,建立資源評估體系
建議政府部門和科研機構(gòu),對全國海上風電資源進行詳盡的勘測,建立資源評估體系,強力支撐國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃、政策法規(guī)編制,引導(dǎo)和優(yōu)化可再生能源項目投資布局。建議在相關(guān)教育專業(yè)設(shè)置和可再生能源資源堪察評估專業(yè)人才培養(yǎng)等方面予以重點支持。
(二)提高海上風電對我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的認識
革新我國能源資源稟賦理念,規(guī)范能源資源稟賦的內(nèi)涵,旗幟鮮明地將海上風電等可再生能源作為國家能源規(guī)劃和戰(zhàn)略政策中不可或缺的組成部分;國內(nèi)近海海上風電資源豐富,開發(fā)利用潛力巨大,且靠近東部電力負荷中心,就近消納方便,發(fā)展海上風電將成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐,為海洋綜合開發(fā)利用與建設(shè)海洋強國貢獻力量。
(三)加大國家層面的宏觀統(tǒng)籌與整體規(guī)劃
“十四五”期間強化對海上風電的頂層設(shè)計,統(tǒng)籌未來電網(wǎng)建設(shè)格局,支持東部沿海加快形成海上風電統(tǒng)一規(guī)劃、集中連片、規(guī)?;瘽L動開發(fā)態(tài)勢,優(yōu)化電力生產(chǎn)和輸送通道布局;聚焦“新基建”,加快廣東、江蘇等風能資源良好省份現(xiàn)有的海上風電基地建設(shè),并逐步推動海上風電往深海、遠海方向發(fā)展,實現(xiàn)海上組網(wǎng)與就地消納;建議電網(wǎng)企業(yè)一同加入海上風電開發(fā),統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)格局、電力流和電網(wǎng)安全的影響,統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)海上電力輸送通道,減少不必要的重復(fù)投資。
(四)聚焦“卡脖子”問題,加強科技創(chuàng)新
海上風電技術(shù)和裝備要求高、科技內(nèi)容豐富,利用“十四五”窗口期,建議科學技術(shù)部、發(fā)展和改革委員會、能源局聚焦海上風電全產(chǎn)業(yè)鏈“卡脖子”問題,加大科技攻關(guān)力度,提高裝備國產(chǎn)化率,推動關(guān)鍵核心技術(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化突破;開展全生命周期多維度技術(shù)經(jīng)濟評價,建立引導(dǎo)海上風電科技創(chuàng)新的差異化政策扶持機制;在科研體制方面,探索面向國家需求的新型創(chuàng)新合作機制、激勵機制、人才培養(yǎng)機制。
(五)健全政策扶持機制,引導(dǎo)海上風電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展
改變一刀切、限定時限予以補償?shù)臋C制,建立針對海上風電的階段性退坡補貼機制,避免海上風電片面追求規(guī)模、忽視質(zhì)量的“搶裝潮”;調(diào)動地方財政補貼積極性,通過補貼實現(xiàn)海上風電產(chǎn)業(yè)鏈延伸和推動地方經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的良性循環(huán);準確把握“放管服”政策尺度,避免陸上風電“4.95 萬千瓦現(xiàn)象”;開展全生命周期多維度技術(shù)經(jīng)濟評價,建立引導(dǎo)海上風電科技創(chuàng)新的差異化政策扶持機制。