窺探風電行業(yè)發(fā)展下一風口——海上風電

隨著風電技術(shù)日益進步，成本持續(xù)下降，風能正成為低碳經(jīng)濟背景下的主力軍。其中海上風電作為實現(xiàn)碳中和的主要路徑之一，將迎來其發(fā)展的高光時刻。

根據(jù)全球風能委員會(GWEC)的數(shù)據(jù)，去年，海上風能投資首次超過了海上石油和天然氣。

另據(jù)世界風電權(quán)威媒體《風能月刊》去年9月發(fā)布的一份報告，預計2021年至2025年間，全球?qū)惭b超過70吉瓦海上風電裝機容量，這意味著其在所有風能中的份額將從目前的6.5%飆升至21%。

“十四五”規(guī)劃中，我國也明確提出將大力提升風電規(guī)模，有序發(fā)展海上風電建設(shè)。

1 我國風電行業(yè)發(fā)展近況

近年來，我國風電發(fā)電量占比不斷提升，2021年中國風電發(fā)電量占總發(fā)電量的7.0%，較2014年提升4.6個百分點，發(fā)展前景十分廣闊。

資料來源：國家統(tǒng)計局、智研咨詢整理

2021年我國風力發(fā)電裝機容量達32848萬千瓦，同比增長16.6%。

從累計裝機情況來看，2021年我國陸上風力發(fā)電裝機容量為30209萬千瓦(占裝機容量的92%);海上風力發(fā)電裝機容量為2639萬千瓦，同比增長193.2%(占裝機容量的8%)。

新增裝機容量方面，2021年我國陸上風力發(fā)電新增裝機容量為3067萬千瓦(占比為64.5%);海上風力發(fā)電新增裝機容量為1690萬千瓦，占比為35.5%(同比增長452.3%)。

隨著2019年末、2020年初國家風電中央財政補貼相關(guān)政策的落地，2020年成為我國陸上風電的“搶裝”年，風電新增裝機容量達7211萬千瓦;2021年成為我國海上風電的“搶裝”年，風電新增裝機容量為4757萬千瓦，風電開發(fā)布局得以進一步優(yōu)化。

2 風電下一階段發(fā)展方向

我國現(xiàn)階段風電發(fā)電系統(tǒng)已逐漸完善，“30·60目標”的提出，加之風電“平價時代”的到來，預示作為實現(xiàn)碳中和目標主力軍的風電，行業(yè)發(fā)展前景極為廣闊。“十四五”規(guī)劃期間，國內(nèi)風電將加快發(fā)展，隨著陸上風能資源利用趨于飽和，海上風電和分散式風電是未來的風口。

海上風電有望迎來大爆發(fā)

與陸上風電相比，海上風電具有穩(wěn)定性高、風速大等特點。

海上風力普遍比陸上大，風速更為穩(wěn)定，空間廣闊，允許風機機組更為大型化。海上風電設(shè)備利用率比陸上風電高一倍，且具有一定的規(guī)律性，利于峰谷調(diào)配。中國海上風電資源多集中于東南部沿海地區(qū)，更靠近負荷中心。

我國海上風能資源豐富，根據(jù)發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國風電發(fā)展路線圖2050》報告，中國水深5～50米海域，100米高度的海上風能資源開放量為5億千瓦，總面積為39.4萬平方千米。另外近岸潮間帶、深遠海也具備較豐富的風能資源。

海上風電的優(yōu)勢：

(1)不占用土地資源，適合大規(guī)模開發(fā)：海上風電發(fā)展主要集中在經(jīng)濟較發(fā)達的國家和地區(qū)，人口密度較高，土地資源寶貴。

(2)距離用電負荷近：沿海地區(qū)往往是電力負荷中心，消納能力強。海上風電的就近消納恰恰規(guī)避了遠距離輸電帶來的較高輸電成本。

(3)發(fā)電利用小時數(shù)高：以福建為例，部分海域海風利用小時超過4000小時，陸上平均僅約2600小時。

(4)風資源相對平穩(wěn)，出力波動較?。汉Ｉ巷L電的接入對系統(tǒng)調(diào)頻的影響以及系統(tǒng)調(diào)頻能力的要求低于陸上風電，電網(wǎng)友好性更強。

(5)發(fā)電量高：海上風速比陸上高20%左右，同等發(fā)電容量下海上風機的年發(fā)電量能比陸上高70%;海上風電單機裝機容量更大，在同一區(qū)域的掃風面積和利用風的能量也越多。

“十四五”分散式風電前景

隨著大型集中風能發(fā)電站越來越少，分散式風電將迎來快速發(fā)展階段。

雖然分散式風電的發(fā)展一直低于預期，正處于萌芽階段，但是隨著近年來地方政府加快規(guī)劃與資源儲備，分散式風電發(fā)展明顯提速。從集中式到分散式的模式，也已成為中國風電的發(fā)展趨勢之一，有望成為我國局部缺電最有力的電能補充方式。

“十四五”時期，隨著我國風電“平價時代”的到來，分散式風電將再次受到市場關(guān)注。

發(fā)展分散式風電的優(yōu)勢：

(1)分散式風電靠近用戶，一般不新建升壓站，能節(jié)省輸配電設(shè)備費用;分散式風電項目不需要進行大規(guī)模、遠距離電力輸送，可以實現(xiàn)就地消納，對緩解棄風限電具有重要作用。

(2)分散式風電項目不占用國家核準計劃指標，由各省自行建設(shè)，審批時間短，項目裝機容量較小，占地面積小，建設(shè)周期短，選址靈活。

(3)幅員遼闊的中東南部地區(qū)仍以低風速風能資源為主，分散式風電可供開發(fā)空間廣闊，產(chǎn)業(yè)政策導向?qū)⒅鸩较蚍稚⑹絻A斜。

3 海上風電技術(shù)發(fā)展方向

受特殊地理環(huán)境因素的制約，海上風機對風電機組具有一定的技術(shù)門檻要求。

從技術(shù)角度來看，風電機組共有雙饋、直驅(qū)、半直驅(qū)三種類型。其中雙饋和直驅(qū)是目前較成熟的主流路線。

就結(jié)構(gòu)而言，雙饋技術(shù)和直驅(qū)技術(shù)最大的區(qū)別在于是否連接“齒輪箱”。雙饋機組的葉輪通過增速齒輪箱與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連。由于有增速齒輪箱的加持，在風電機組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調(diào)速，有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子勵磁變換器的容量較小等優(yōu)勢。目前全球大部分機組采用的是雙饋技術(shù)。

然而，雙饋技術(shù)對于風速的要求較高，很容易發(fā)生脫網(wǎng)現(xiàn)象，如果風速很低，即使有齒輪加速也難以進行發(fā)電，具有一定的局限性。同時由于齒輪箱的存在，增加了維護成本。

直驅(qū)技術(shù)的葉輪直接與發(fā)電機相連，省去了增速齒輪箱，轉(zhuǎn)子為永磁體勵磁，無需外部提供勵磁電源。直驅(qū)機組的發(fā)電機通過全功率變流器并網(wǎng)，具有效率高、噪音低、低電壓穿越能力強等優(yōu)點。

缺點方面，電機和電子裝置成本高，電機質(zhì)量大，為了適應(yīng)低風速需要配備很多的級對數(shù)極，導致電機體積龐大，且只能通過水冷降溫。

同時，由于直驅(qū)式?jīng)]有齒輪箱，運行穩(wěn)定，對發(fā)電機性能要求高，成本偏高。直驅(qū)機組雖然能夠正常發(fā)電，但太過沉重，安裝運送存在問題。

因此雙饋機組和直驅(qū)機組都不是海上風電的最佳選擇。

半直驅(qū)技術(shù)有望成為行業(yè)主流：

現(xiàn)階段風機技術(shù)的迭代方向是半直驅(qū)電機。半直驅(qū)綜合了雙饋、直驅(qū)的優(yōu)點，同時規(guī)避了二者的缺點，是行業(yè)公認的下一代風電機組技術(shù)。

半直驅(qū)技術(shù)較雙饋風機可靠性更高、成本更低，具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。

與直驅(qū)技術(shù)相比，半直驅(qū)增加了中速齒輪箱，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比永磁直驅(qū)高，可以減少永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極數(shù)，有利于減小發(fā)電機的體積和質(zhì)量。

半直驅(qū)技術(shù)采用中速齒輪箱+中速永磁同步發(fā)電機+全功率變頻技術(shù)，兼顧直驅(qū)的高穩(wěn)定性、高效率和雙饋的低成本、小體積優(yōu)勢，即避免使用多級齒輪箱導致的故障率偏高，也減輕了永磁發(fā)電機的體積和重量。

半直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

資料來源：中國知網(wǎng)，平安證券研究所

4 “十四五”海上風電發(fā)展趨勢預測

趨勢一：機組容量大型化

風電機組向更大規(guī)格發(fā)展，截至2020年年底，2.0-2.9MW風電機組裝機量占比為52.5%。

2021年國內(nèi)海上風電新增裝機單機功率由5MW提升到6MW、7MW，并逐漸成為主流，但仍然低于國外水平。(目前歐洲新增海上風電裝機平均容量已從2019年的7.2MW提高至2020年的8.2MW。)

趨勢二：半直驅(qū)比重不斷增大

海上風電場建設(shè)的核心設(shè)備之一是風電機組。隨著海上風電需求上升，機組單機容量增大，目前半直驅(qū)式永磁同步風機和直驅(qū)式永磁同步風機在海上風電中的應(yīng)用比例不斷增加。半直驅(qū)技術(shù)路線預計將成為“十四五”海上風電發(fā)展的選擇趨勢。

趨勢三：選址深遠海化

目前世界上80%的海上風資源位于水深超過60米的海域，在水深超過50米之后，風能密度是近海的將近4倍，深海資源非常豐富?？紤]資源潛力、消納能力、近海海域用地緊張等因素，海上風電未來將呈現(xiàn)規(guī)?；?、集群化、深遠?；忍攸c。

從世界海上風電建設(shè)與規(guī)劃來看，離岸距離大于100km、水深超過50m的深遠海域的風能資源更加豐富，德國、英國等歐洲海上風電技術(shù)強國已率先布局深遠海風電。

國內(nèi)方面，2021年12月26日，江蘇大豐H8-2海上風電項目并網(wǎng)，場址離岸最遠距離超80千米，水深7.5至20.9米，安裝20臺套6.45兆瓦和38臺套4.5兆瓦機組，總裝機容量30萬千瓦。

趨勢四：主設(shè)備價格不斷下降

近期招標顯示海上風電主設(shè)備價格由7000元/kW下降到3500元/kW左右，降幅接近50%。根據(jù)2021年21個公開指標項目統(tǒng)計，海上風電平均單機價格約為7095元/kW。

趨勢五：消納更多依賴柔直送出

隨著深遠海風電場開發(fā)規(guī)模的擴大化，輸電容量和輸電距離增加，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，從技術(shù)經(jīng)濟性角度看，使得海上風電直流送出方案優(yōu)勢愈加明顯。

在輸送功率相等、可靠性相當?shù)目杀葪l件下，直流輸電的換流站投資高于交流輸電的變電站投資，而直流輸電線路投資低于交流輸電線路投資;隨著輸電距離的增加，交/直流輸電存在等價距離，目前通常認為約在50~75km范圍。

我國在“十四五”乃至更長時期內(nèi)，將主要采用高壓交流、柔性直流輸電技術(shù)來實現(xiàn)海上風電并網(wǎng)送出。

趨勢六：海洋資源一體化開發(fā)

海上風電緊鄰負荷中心，海上風電逐漸走向深遠海，新建輸電設(shè)施成本較高，而利用現(xiàn)成的天然氣管道可以大大降低成本，同時海上風電與海洋牧場、海上油氣、海水淡化，氫能、儲能多種能源綜合開發(fā)利用融合發(fā)展，有助于提升海域利用效率，推進海上風電制氫等綜合應(yīng)用，是海上風電的重要發(fā)展方向。

5 結(jié) 語

我國擁有發(fā)展海上風電得天獨厚的天然優(yōu)勢：中國海岸線長，風力資源豐富(海岸線長達1.8萬公里，可利用海域面積300多萬平方公里)，且東南沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，用電量大，海上風電將完全消納。近幾年來，風電開發(fā)中心逐步由三北地區(qū)向中東部、沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移，并將大力發(fā)展海上風電。

“十四五”期間我國海上風電將逐步步入快速發(fā)展期。我國海上風電潛力巨大，可開發(fā)容量達到30億千瓦;沿海省份高度重視海上風電發(fā)展，根據(jù)相關(guān)地方政府相關(guān)規(guī)劃，“十四五”海上風電新增裝機超過4400萬千瓦，年均新增將超過1000萬千瓦。

來源：中國能源網(wǎng)文：李穎