本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第1期
作者：劉吉臻，馬利飛，王慶華，房方，朱彥愷
來源：海上風電支撐我國能源轉型發(fā)展的思考[J].中國工程科學,2021,23(1):149-159.
編者按
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興起。推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、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構轉型的重要戰(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等4個領域歸納提煉了我國海上風電發(fā)展的關鍵技術。針對目前我國海上風電產業(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量發(fā)展和政府有關部門決策提供參考。
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興起。十九大報告中指出，要推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、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)模化階段的英國、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量發(fā)展，支撐我國能源轉型，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和產業(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)的基礎上，研判海上風電在我國能源轉型中的前景和地位，并梳理影響海上風電發(fā)展的重點技術領域，最后針對目前海上風電發(fā)展存在的問題，研究提出相關對策建議，為我國經濟建設和能源轉型提供堅強、綠色、持續(xù)的支撐。
二、我國能源革命的緊迫性
隨著經濟社會的高速發(fā)展，我國經濟總量已躍居世界前列。與之相應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國和消費國。2019 年我國能源生產總量達到 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，調整結構、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，有力支撐了我國經濟社會的快速發(fā)展。我國單位國內生產總值（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，高能耗產業(yè)發(fā)展過快。我國能源轉化和利用效率偏低，先進高效能源技術普及率仍然較低，煤炭等化石能源清潔高效利用技術發(fā)展不平衡，部分行業(yè)開發(fā)應用滯后，能源優(yōu)質化利用程度不高，與發(fā)達國家差距明顯，節(jié)能潛力巨大。
（二）用能結構不夠綠色，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和消費結構中占據主導地位。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 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，中國單位國內生產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）產能過剩，同質化嚴重，技術創(chuàng)新能力不足
當前能源及其相關領域，特別是煤炭、鋼鐵和煤電行業(yè)的投資過剩、產能過?，F(xiàn)象較為普遍?？萍际峭七M經濟發(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。新能源產業(yè)屬于戰(zhàn)略性新興產業(yè)和技術密集型產業(yè)，尚有大型軸承和齒輪箱、控制系統(tǒng)等部分核心設備和工具軟件還嚴重依賴進口，需要攻克其中的“卡脖子”關鍵技術。高比例新能源并網系統(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)基礎理論、規(guī)劃方法、調度運行技術等角度研發(fā)解決高比例新能源接入電網造成安全運行與可靠供電等問題。此外，在新能源領域，國家和行業(yè)標準尚不完善，技術研發(fā)缺乏大型測試平臺。
三、海上風電在能源轉型發(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《我國未來電網格局研究（2020 年）咨詢意見》指出，隨著我國西部產業(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，加快能源結構轉型。
3. 帶動沿海地區(qū)經濟發(fā)展，形成海洋經濟新的增長極
黨的十九大報告中明確要求堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設海洋強國。發(fā)展海上風電，與大力發(fā)展海洋經濟、建設海洋強國戰(zhàn)略高度吻合?！笆濉逼陂g，海上風電產業(yè)對沿海縣域經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)域年產值已超過 100 多億元，成為地方經濟支柱產業(yè)。據估算，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)經濟發(fā)展，不僅助力海洋經濟再上新臺階，而且在當前形勢下形成新的產業(yè)鏈，對于穩(wěn)增長穩(wěn)就業(yè)起到重要作用。
根據各省規(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，對促進我國能源結構轉型和構建清潔低碳、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)展重心轉移到海上風電資源的開發(fā)，海上風電將支撐我國能源結構轉型和海洋經濟發(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)?；Ｉ巷L電四點支撐的局面，結構見圖 1。
圖 1 中東部電力負荷中心能源互補
（二）國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
1. 國內外海上風電的發(fā)展現(xiàn)狀
根據全球風能理事會（GWEC）統(tǒng)計數(shù)據， 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)據來自中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（CWEA）。
2. 國內外海上風電的發(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)的技術集成與關鍵裝備領域進步巨大，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)?；_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，深遠海化趨勢明顯；競價上網成為海上風電發(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
（一）風電機組技術
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，國內最大單機容量為 10 MW，國內外供應商主要風機型號見表 1。
表 1 國內外供應商主要風機型號
1. 超長超柔葉片技術
葉片是影響風機性能和成本的關鍵部件，是衡量國家技術實力的標志之一，通過彎扭耦合控制實現(xiàn)葉片的自適應降載，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的氣動阻尼，提高葉片可靠性。柔性葉片配合氣動附件的設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，相關部件材料 / 軟件等進口情況見表 2。
表 2 葉片相關部件材料 / 軟件等進口情況
2. 風電機組主軸承技術
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。目前國內在主軸承設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，還需進一步深入研究整個軸系，設計適合我國沿海風情的軸承技術，相關設備進口情況見表 3。
表 3 主軸承、傳動鏈試驗檢測設備進口情況
3. 直驅永磁風力發(fā)電機
目前國內海上風力發(fā)電機類型主要有雙饋風機和永磁直驅風機兩種。它們的主要區(qū)別在于發(fā)電結構不同，傳動不同。永磁直驅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。但因永磁直驅風機制造成本較高，控制難度較大，技術還不成熟等問題，國內未來一段時間永磁直驅風機和雙饋風機仍將并行發(fā)展。雙饋式風機與永磁直驅式風機區(qū)別分析見表 4。
表 4 雙饋式風機與永磁直驅式風機的區(qū)別
4. 新型高效風能轉換裝置
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構緊湊，單位面積功率密度更高，單位面積內機位更多，總容量更大。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
1. 海上風電單場送出技術
目前海上風電單場送出的技術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、受端電網短路電流水平、電網安全穩(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送出技術
未來可用于大規(guī)模海上風電集群組網送出的方案主要有基于 HVAC 技術的場間交流并聯(lián)組網交流送出，基于 VSC-HVDC 的交流并聯(lián)組網柔直送出，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
海洋工程技術主要包括勘查工程技術、結構工程技術、巖土工程技術、建造技術以及運營維護技術五部分（見圖 5）。水深超過 50 m 的深海區(qū)域，如采用固定式基礎結構，造價將大幅增加，且目前技術難以實現(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)建設項目，為我國漂浮海上風電項目開發(fā)積累了成功經驗。
圖 5 海洋工程技術總覽
（四）運維技術
1. 激光雷達檢測技術與風速實時預測
通過裝設于漂浮式平臺的激光測風雷達進行風資源觀測，可為設計規(guī)劃以及優(yōu)化調度提供高精度風況指導；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)據及氣象數(shù)值信息建立預測模型，輸入高精度測量數(shù)據進行模型計算，從而得到風速實時預測結果，為多尺度場級功率預測以及海上風電能量優(yōu)化管理提供了測算依據，風速實時預測流程見圖 6。
圖 6 風速實時預測流程圖
注：SCADA 指數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。
2. 風電場尾流控制
構建面向控制的穩(wěn)態(tài)尾流模型，量化機組間因尾流效應產生的功率耦合關系；通過優(yōu)化問題的構建求解，降低尾流效應引起的功率損失，提高全場發(fā)電量。結合模態(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結構如圖 7 所示。
圖 7 風電場尾流控制技術
注：CFD 計算流體動力學。
3. 風電場優(yōu)化調度與控制
綜合風–浪–流–機的復雜耦合影響，從固有 / 可變兩個角度表征高可靠性前提下的機組功率調節(jié)特性，量化功率調節(jié)與機械載荷指標間的關系。構建群–場–機多層框架的風電場群協(xié)同優(yōu)化調度方法，提高規(guī)?；Ｉ巷L電的并網友好性。風電場優(yōu)化調度與控制流程如圖 8 所示。
圖 8 風電場優(yōu)化調度與控制
注：AGC 為自動發(fā)電控制；AVC 為自動電壓控制。
4. 設備智能檢測與維修
基于智能數(shù)字化檢測技術構建風電場大數(shù)據云平臺，實時更新與計算風場監(jiān)控狀態(tài)、故障分析、設備監(jiān)測及預警等，以定期維護與故障預警維修相結合的形式，保障機組常規(guī)維護，及早發(fā)現(xiàn)故障并及時處理，減少故障導致的停機時間，海上風電場運維流程如圖 9 所示。建設區(qū)域化運維基地及智能調度策略，結合設備健康度檢測信息與精細化氣象預報，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，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，引導和優(yōu)化可再生能源項目投資布局。建議在相關教育專業(yè)設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構轉型的重要戰(zhàn)略支撐，為海洋綜合開發(fā)利用與建設海洋強國貢獻力量。
（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計，統(tǒng)籌未來電網建設格局，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)模化滾動開發(fā)態(tài)勢，優(yōu)化電力生產和輸送通道布局；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，并逐步推動海上風電往深海、遠海方向發(fā)展，實現(xiàn)海上組網與就地消納；建議電網企業(yè)一同加入海上風電開發(fā)，統(tǒng)籌考慮電網格局、電力流和電網安全的影響，統(tǒng)一規(guī)劃建設海上電力輸送通道，減少不必要的重復投資。
（四）聚焦“卡脖子”問題，加強科技創(chuàng)新
海上風電技術和裝備要求高、科技內容豐富，利用“十四五”窗口期，建議科學技術部、發(fā)展和改革委員會、能源局聚焦海上風電全產業(yè)鏈“卡脖子”問題，加大科技攻關力度，提高裝備國產化率，推動關鍵核心技術實現(xiàn)國產化突破；開展全生命周期多維度技術經濟評價，建立引導海上風電科技創(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，引導海上風電產業(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、忽視質量的“搶裝潮”；調動地方財政補貼積極性，通過補貼實現(xiàn)海上風電產業(yè)鏈延伸和推動地方經濟轉型升級的良性循環(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經濟評價，建立引導海上風電科技創(chuàng)新的差異化政策扶持機制。
