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海上风电发展前景分析
作者:管理员    发布于:2021-02-27 16:43   文字:【】【】【
  一、前言
  面对动力短缺、环境污染、气候改动等人类共同的难题,一场以大力开发使用可再生动力为主题的动力革新在国际范围内兴起。十九大陈述中指出,要推进动力出产和消费革新,构建清洁低碳、安全高效的动力系统。2020年9月和12月,习近平主席分别在第七十五届联合国大会和气候大志峰会上宣布将前进国家自主贡献力度,提出到2030年,非化石动力占一次动力消费比重将到达25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将到达12亿kW以上;二氧化碳排放力争于2030年前到达峰值,努力争取于2060年前完成碳中和。这一系列措施进一步清晰了新年代我国动力展开的方向。
  我国动力供应和动力需求呈逆向散布,在资源上(包含新动力资源)“西富东贫、北多南少”,在需求上恰恰相反。我国海优势电资源丰富,一起具有运转功率高、输电间隔短、就地消纳便利、不占用土地、适合大规划开发等特色,海优势电将成为我国大力展开可再生动力的必然选择。“十三五”期间,我国海优势电尽管得到快速展开,但是截至2019年年末累计装机只有642万kW,比较海优势电已进入规划化阶段的英国、德国等欧洲国家,我国仍处于商业化展开初期阶段,“十四五”期间面对着许多应战。
  为推进我国海优势电高质量展开,支撑我国动力转型,2019年9月,我国工程院正式发动“海优势电支撑我国动力转型展开战略研讨”严峻咨询项目,旨在从战略高度上清晰我国海优势电的展开战略,从实践层面上策划我国海优势电的展开途径,为海优势电的高质量展开供给咨询主张。
  本文作为“海优势电支撑我国动力转型展开战略研讨”项目的阶段性效果,对我国海优势电这一新兴严峻技能和工业的战略展开方向进行系统性的剖析和研讨。在剖析我国动力展开现状、趋势及面对应战的根底上,研判海优势电在我国动力转型中的前景和位置,并梳理影响海优势电展开的要点技能范畴,最终针对现在海优势电展开存在的问题,研讨提出相关对策主张,为我国经济建造和动力转型供给刚强、绿色、继续的支撑。
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海上风电
  二、我国动力革新的紧迫性
  跟着经济社会的高速展开,我国经济总量已跃居国际前列。与之相应的动力消耗总量也继续大幅增加,现在已成为国际上最大的动力出产国和消费国。2019年我国动力出产总量到达39.7亿tce,发电量到达7.14万亿kW·h,包含可再生动力发电装机在内的目标均到达国际首位。2019年我国一次动力消费总量到达48.6亿tce,其中煤炭占比为57.7%,石油占比为18.9%,天然气占比为8.1%,非化石动力占比为15.3%。在我国动力电力事业取得引人注目成果的一起,动力资源束缚日益加剧,生态环境问题突出,调整结构、前进能效和保证动力安全的压力进一步加大,动力展开面对一系列严峻应战。
  (一)动力消费总量继续添加,动力使用功率较低
  21世纪初以来,我国一次动力消费总量继续增加,年均增加近2亿tce,有力支撑了我国经济社会的快速展开。我国单位国内出产总值(GDP)能耗从1978年的15.66t/万元下降到2019年的0.49t/万元,但仍高于国际平均水平50%左右。多年来,我国GDP增加过多依托出资和出口拉动,高能耗工业展开过快。我国动力转化和使用功率偏低,先进高效动力技能普及率仍然较低,煤炭等化石动力清洁高效使用技能展开不平衡,部分职业开发使用滞后,动力优质化使用程度不高,与发达国家差距显着,节能潜力巨大。
  (二)用能结构不行绿色,碳减排压力大
  我国“富煤、贫油、少气”的动力资源禀赋,使煤炭一直在我国一次动力出产和消费结构中占据主导位置。2019年我国煤炭占一次动力消费比重约为57.7%,非化石动力近年来有所增加,占比为15.3%,与国际平均水平(15.7%)适当。2019年全球动力相关CO2排放总量为342亿t,我国CO2排放量坐落全球第一,排放量为98亿t,是美国的2倍,欧盟的3倍。2020年12月,习近平主席在气候大志峰会上宣布到2030年,我国单位国内出产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上。在全球二氧化碳排放量止增的一起,我国排放量仍在继续上升,为完成这一方针,未来温室气体减排压力巨大。
  (三)油气对外依存度继续增高,动力安全形势严峻
  我国化石动力的储采比非常低,远远低于国际平均水平。2019年我国石油、天然气、煤炭的储采比分别为18.7年、47.3年和37年,国际石油、天然气、煤炭平均储采比为49.9年、49.8年和132年,石油仅为国际平均水平的约1/3,煤炭仅为国际平均水平的约1/4。2017年我国超越美国成为全球第一大石油进口国,2019年原油消费量到达6.4亿t,产值为1.9亿t,进口量为5.1亿t,对外依存度达71%。自2018年起我国成为最大天然气进口国,2019年天然气消费量为3001亿m3,产值为1762亿m3,进口量为1391亿m3,对外依存度到达43%。跟着全球地缘政治改动、国际动力需求添加和资源商场抢夺加剧,我国动力安全形势严峻。
  (四)产能过剩,同质化严峻,技能立异才能不足
  当时动力及其相关范畴,特别是煤炭、钢铁和煤电职业的出资过剩、产能过剩现象较为遍及。科技是推进经济展开和社会前进的底子动力,也是一个国家核心竞争力的重要标志。新动力工业属于战略性新兴工业和技能密集型工业,尚有大型轴承和齿轮箱、操控系统等部分核心设备和工具软件还严峻依靠进口,需要霸占其中的“卡脖子”关键技能。高份额新动力并网系统遭到新动力波动性、间歇性和不确定性等的影响,供电牢靠性不高,且简单受极点气候等影响,亟需从电力系统根底理论、规划办法、调度运转技能等角度研发解决高份额新动力接入电网造成安全运转与牢靠供电等问题。此外,在新动力范畴,国家和职业标准尚不完善,技能研发缺乏大型测试渠道。
  三、海优势电在动力转型展开中的位置和前景
  (一)海优势电将成为我国大力展开可再生动力的必然选择
  1.海优势能资源丰富,风电功率高
  我国拥有超越1.8万km的大陆海岸线,可使用海域面积超越300万km2,5~50m水深、70m高度的海优势电可开发资源量约为5亿kW;考虑到70m以上的技能开发才能,实际可开发资源量更多。海优势速高,风机单机容量大,年运转小时数最高可达4000h以上,海优势电功率较陆优势电年发电量多出20%~40%,具有更高的动力效益;海优势电场远离陆地,不受城市规划影响,也不用忧虑噪音、电磁波等对居民的影响。
  2.海优势电接近东部负荷中心,就地消纳便利
  我国绝大部分陆地风能、太阳能资源散布在西北部,北部和西北部煤炭资源占全国的76%,西南部水能资源占全国的80%,而中东部负荷需求则占全国的70%以上。动力基地大多远离负荷中心,最大间隔到达3000km。我国工程院《我国未来电网格式研讨(2020年)咨询定见》指出,跟着我国西部工业展开和东部清洁动力的开发,东部和西部源荷不平衡程度将下降,“西电东送”规划会出现拐点,“西电东送”也面对着不行继续问题。我国工程院咨询研讨团队猜测,2030年我国中东部地区最大用电负荷将到达9.7亿kW,需受入电力超越3.6亿kW,有必要采纳“会集开发、远间隔运送”与“散布式开发、就地消纳”并重形式。紧邻东部负荷中心的海优势电大规划开发,能够减轻“西电东送”通道建造压力;海优势电与“西电东送”的水电还能在出力上构成季节互补。展开海优势电能够进一步前进可再生动力占比,加速动力结构转型。
  3.带动滨海地区经济展开,构成海洋经济新的增加极
  党的十九大陈述中清晰要求坚持陆海统筹,加速建造海洋强国。展开海优势电,与大力展开海洋经济、建造海洋强国战略高度符合。“十三五”期间,海优势电工业对滨海县域经济的拉动效果初步闪现,广东阳江,江苏如东、大丰等地都在打造国际级海优势电基地,部分积累区域年产值已超越100多亿元,成为当地经济支柱工业。据估算,现在滨海地区海优势电项目储藏总出资约为1.6万亿元,能够有效地拉动滨海地区经济展开,不仅助力海洋经济再上新台阶,并且在当时形势下构成新的工业链,关于稳增加稳就业起到重要效果。
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  根据各省规划,到2035年,我国海优势电装机将到达1.3亿kW左右,与我国现在西电东送容量适当,对促进我国动力结构转型和构建清洁低碳、安全高效的现代动力系统,将发挥无足轻重的效果。海优势电归纳优势显着,东部地区能够把展开重心转移到海优势电资源的开发,海优势电将支撑我国动力结构转型和海洋经济展开。未来中东部电力负荷也将构成以本地传统电源、“西电东送”、就地散布式新动力和规划化海优势电四点支撑的局面,结构见图1。
  碳中和来了,海优势电展开前景剖析
  (二)国内外海优势电展开现状及趋势
  1.国内外海优势电的展开现状
  根据全球风能理事会(GWEC)统计数据,2019年全球海优势电新增装机610万kW,累计装机容量到达2914万kW,比2018年增加了35.5%。2015—2019年,全球海优势电商场年均增加近16%。我国连续两年成为新增装机容量最多的国家,全球新增/累计装机容量状况见图2和图3。
  2019年我国海优势电新增装机198万kW,累计装机642万kW,提早1年完成了“十三五”末装机500万kW的规划方针,仅次于英国和德国,位居全球第三,海优势电装机容量状况见图4。截至2019年年末,在建项目装机1095万kW,已核准待建项目4048万kW。按照各省规划,江苏、广东等是未来海优势电展开的要点区域,我国海优势电也将进入高速展开时期。
  2.国内外海优势电的展开趋势
  近些年欧美发达国家在大规划海优势电会集开发的技能集成与关键配备范畴前进巨大,海优势电总体出现“由小及大、由近及远、由浅入深”的展开趋势,即单机额定容量逐渐增大,海优势电机组进入10MW年代;风电场规划越来越大,单体规划超越百万千瓦,规划化开发趋势显着;风场离岸间隔和水深不断添加,分别超越100km和100m,深远海化趋势显着;竞价上网成为海优势电展开最新形式,海优势电本钱逐渐下降。
  四、海优势电要点技能
  (一)风电机组技能
  现在海优势电机组向着“大容量、轻量化、高牢靠”趋势展开。国外最大单机容量到达12MW,国内最大单机容量为10MW,国内外供应商首要风机类型见表1。
  1.超长超柔叶片技能
  叶片是影响风机功能和本钱的关键部件,是衡量国家技能实力的标志之一,经过弯扭耦合操控完成叶片的自适应降载,下降叶片单位长度的本钱。经过合理的材料安置计划前进叶片面内的气动阻尼,前进叶片牢靠性。柔性叶片配合气动附件的规划计划能够削减叶片的失速风险,保证机组的发电量。柔性叶片的弯扭耦合,柔性叶片与变桨系统耦合的安稳性,叶片变形动态测试等方面仍受制于国外的技能,相关部件材料/软件等进口状况见表2。
  2.风电机组主轴承技能
  风电机组主轴承式风机的核心纽带,不但要具有防腐防潮等功能,还有必要承载整个风机巨大震动冲击。现在国内在主轴承规划布局等方面仍然存在薄弱环节,一定程度上依托国外引进技能,还需进一步深入研讨整个轴系,规划适合我国滨海风情的轴承技能,相关设备进口状况见表3。
  3.直驱永磁风力发电
  现在国内海优势力发电机类型首要有双馈风机和永磁直驱风机两种。它们的首要差异在于发电结构不同,传动不同。永磁直驱风机相对双馈风机功率更高、能耗较小、受风速等条件约束小,关于我国风电职业展开具有更重要的含义。但因永磁直驱风机制作本钱较高,操控难度较大,技能还不老练等问题,国内未来一段时刻永磁直驱风机和双馈风机仍将并行展开。双馈式风机与永磁直驱式风机差异剖析见表4。
  4.新式高效风能转换设备
  在单风轮Cpmax(风能使用系数最大值)到达0.48的状况下,流过风轮后的风速仅下降20%左右,且首要经过风轮外叶展吸收能量,内叶展能量使用率很低,具有很高的能量梯级使用价值。串列式双风轮机组结构紧凑,单位面积功率密度更高,单位面积内机位更多,总容量更大。双风轮风机功率密度高、占地少,能够有效前进动力使用率,具有较高风能使用系数。浙江某300MW海优势电场,风场面积47.5km2,装有58台5.2MW机组,如选用等功率双风轮机组,可添加20%~30%机位。
  (二)海上输电技能
  1.海优势电单场送出技能
  现在海优势电单场送出的技能首要有高压沟通输电(HVAC)、惯例直流输电(LCC-HVDC)、柔性直流输电(VSC-HVDC)、分频输电(FFTS)四种办法,海优势电场输电办法选择首要参考风电场容量和离岸间隔,具体见表5。海优势电场开发规划的扩大,输电容量和输电间隔的添加,机组大型化、受端电网短路电流水平、电网安全安稳等要素,使得海优势电输电直流化方向的展开趋势愈加显着。
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  2.大规划海优势电集群组网送出技能
  未来可用于大规划海优势电集群组网送出的计划首要有根据HVAC技能的场间沟通并联组网沟通送出,根据VSC-HVDC的沟通并联组网柔直送出,根据VSC-HVDC的多端柔性直流输电和根据LCCHVDC和VSC-HVDC的混合直流输电。
  (三)海洋工程技能
  海洋工程技能首要包含勘查工程技能、结构工程技能、岩土工程技能、建造技能以及运营保护技能五部分(见图5)。水深超越50m的深海区域,如选用固定式根底结构,造价将大幅添加,且现在技能难以完成,深海浮式风电场将成为海优势电场展开的新趋势。2018年江苏利市光电股份有限公司成功中标葡萄牙海上浮式风力发电输出系统建造项目,为我国漂浮海优势电项目开发积累了成功经验。
  (四)运维技能
  1.激光雷达检测技能与风速实时猜测
  经过装设于漂浮式渠道的激光测风雷达进行风资源观测,可为规划规划以及优化调度供给高精度风况指导;经过机舱式激光雷达完成前馈变桨降载运转。剖析历史数据及气候数值信息树立猜测模型,输入高精度丈量数据进行模型核算,从而得到风速实时猜测结果,为多标准场级功率猜测以及海优势电能量优化办理供给了测算根据,风速实时猜测流程见图6。
  2.风电场尾流操控
  构建面向操控的稳态尾流模型,量化机组间因尾流效应发生的功率耦合联系;经过优化问题的构建求解,下降尾流效应引起的功率丢失,前进全场发电量。结合模态分化与频域剖析手段,剖析尾流的动态特性,量化尾流效应对机组载荷的影响,完成功率–载荷协同优化,风电场尾流操控技能结构如图7所示。
  3.风电场优化调度与操控
  归纳风–浪–流–机的复杂耦合影响,从固有/可变两个角度表征高牢靠性前提下的机组功率调理特性,量化功率调理与机械载荷目标间的联系。构建群–场–机多层框架的风电场群协同优化调度办法,前进规划化海优势电的并网友好性。风电场优化调度与操控流程如图8所示。
  4.设备智能检测与修理
  根据智能数字化检测技能构建风电场大数据云渠道,实时更新与核算风场监控状况、毛病剖析、设备监测及预警等,以定期保护与毛病预警修理相结合的形式,保证机组惯例保护,及早发现毛病并及时处理,削减毛病导致的停机时刻,海优势电场运维流程如图9所示。建造区域化运维基地及智能调度策略,结合设备健康度检测信息与精细化气候预报,优化布置海上修理交通工具及检修团队,前进修理功率,下降运维本钱。
  五、海优势电高质量展开的对策主张
  (一)加大海优势电资源勘察力度,树立资源评价系统
  主张政府部门和科研机构,对全国海优势电资源进行翔实的勘察,树立资源评价系统,强力支撑国家动力战略规划、方针法规编制,引导和优化可再生动力项目出资布局。主张在相关教育专业设置和可再生动力资源堪察评价专业人才培养等方面予以要点支撑。
  (二)前进海优势电对我国动力转型展开的认识
  革新我国动力资源禀赋理念,规范动力资源禀赋的内涵,旗帜鲜明地将海优势电等可再生动力作为国家动力规划和战略方针中不行或缺的组成部分;国内近海海优势电资源丰富,开发使用潜力巨大,且接近东部电力负荷中心,就近消纳便利,展开海优势电将成为我国动力结构转型的重要战略支撑,为海洋归纳开发使用与建造海洋强国贡献力量。
  (三)加大国家层面的宏观统筹与整体规划
  “十四五”期间强化对海优势电的顶层规划,统筹未来电网建造格式,支撑东部滨海加速构成海优势电统一规划、会集连片、规划化翻滚开发态势,优化电力出产和运送通道布局;聚集“新基建”,加速广东、江苏等风能资源杰出省份现有的海优势电基地建造,并逐渐推进海优势电往深海、远海方向展开,完成海上组网与就地消纳;主张电网企业一同参加海优势电开发,统筹考虑电网格式、电力流和电网安全的影响,统一规划建造海上电力运送通道,削减不用要的重复出资。
  (四)聚集“卡脖子”问题,加强科技立异
  海优势电技能和配备要求高、科技内容丰富,使用“十四五”窗口期,主张科学技能部、展开和改革委员会、动力局聚集海优势电全工业链“卡脖子”问题,加大科技攻关力度,前进配备国产化率,推进关键核心技能完成国产化突破;展开全生命周期多维度技能经济评价,树立引导海优势电科技立异的差异化方针扶持机制;在科研体制方面,探究面向国家需求的新式立异协作机制、激励机制、人才培养机制。
  (五)健全方针扶持机制,引导海优势电工业健康展开
  改动一刀切、限定时限予以补偿的机制,树立针对海优势电的阶段性退坡补助机制,防止海优势电片面追求规划、忽视质量的“抢装潮”;调集当地财政补助积极性,经过补助完成海优势电工业链延伸和推进当地经济转型晋级的良性循环;精确把握“放管服”方针标准,防止陆优势电“4.95万千瓦现象”;展开全生命周期多维度技能经济评价,树立引导海优势电科技立异的差异化方针扶持机制。