窺探風(fēng)電行業(yè)發(fā)展下一風(fēng)口——海上風(fēng)電

隨著風(fēng)電技術(shù)日益進(jìn)步，成本持續(xù)下降，風(fēng)能正成為低碳經(jīng)濟(jì)背景下的主力軍。其中海上風(fēng)電作為實(shí)現(xiàn)碳中和的主要路徑之一，將迎來(lái)其發(fā)展的高光時(shí)刻。

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

另?yè)?jù)世界風(fēng)電權(quán)威媒體《風(fēng)能月刊》去年9月發(fā)布的一份報(bào)告，預(yù)計(jì)2021年至2025年間，全球?qū)惭b超過(guò)70吉瓦海上風(fēng)電裝機(jī)容量，這意味著其在所有風(fēng)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(guó)也明確提出將大力提升風(fēng)電規(guī)模，有序發(fā)展海上風(fēng)電建設(shè)。

1 我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展近況

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電發(fā)電量占比不斷提升，2021年中國(guó)風(fēng)電發(fā)電量占總發(fā)電量的7.0%，較2014年提升4.6個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)展前景十分廣闊。

資料來(lái)源：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、智研咨詢整理

2021年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)32848萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)16.6%。

從累計(jì)裝機(jī)情況來(lái)看，2021年我國(guó)陸上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為30209萬(wàn)千瓦(占裝機(jī)容量的92%);海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為2639萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)193.2%(占裝機(jī)容量的8%)。

新增裝機(jī)容量方面，2021年我國(guó)陸上風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量為3067萬(wàn)千瓦(占比為64.5%);海上風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量為1690萬(wàn)千瓦，占比為35.5%(同比增長(zhǎng)452.3%)。

隨著2019年末、2020年初國(guó)家風(fēng)電中央財(cái)政補(bǔ)貼相關(guān)政策的落地，2020年成為我國(guó)陸上風(fēng)電的“搶裝”年，風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)7211萬(wàn)千瓦;2021年成為我國(guó)海上風(fēng)電的“搶裝”年，風(fēng)電新增裝機(jī)容量為4757萬(wàn)千瓦，風(fēng)電開(kāi)發(fā)布局得以進(jìn)一步優(yōu)化。

2 風(fēng)電下一階段發(fā)展方向

我國(guó)現(xiàn)階段風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)已逐漸完善，“30·60目標(biāo)”的提出，加之風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”的到來(lái)，預(yù)示作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)主力軍的風(fēng)電，行業(yè)發(fā)展前景極為廣闊。“十四五”規(guī)劃期間，國(guó)內(nèi)風(fēng)電將加快發(fā)展，隨著陸上風(fēng)能資源利用趨于飽和，海上風(fēng)電和分散式風(fēng)電是未來(lái)的風(fēng)口。

海上風(fēng)電有望迎來(lái)大爆發(fā)

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有穩(wěn)定性高、風(fēng)速大等特點(diǎn)。

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

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，根據(jù)發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》報(bào)告，中國(guó)水深5～50米海域，100米高度的海上風(fēng)能資源開(kāi)放量為5億千瓦，總面積為39.4萬(wàn)平方千米。另外近岸潮間帶、深遠(yuǎn)海也具備較豐富的風(fēng)能資源。

海上風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)：

(1)不占用土地資源，適合大規(guī)模開(kāi)發(fā)：海上風(fēng)電發(fā)展主要集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，人口密度較高，土地資源寶貴。

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

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

(4)風(fēng)資源相對(duì)平穩(wěn)，出力波動(dòng)較?。汉Ｉ巷L(fēng)電的接入對(duì)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(fēng)電，電網(wǎng)友好性更強(qiáng)。

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

“十四五”分散式風(fēng)電前景

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

雖然分散式風(fēng)電的發(fā)展一直低于預(yù)期，正處于萌芽階段，但是隨著近年來(lái)地方政府加快規(guī)劃與資源儲(chǔ)備，分散式風(fēng)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(guó)風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)之一，有望成為我國(guó)局部缺電最有力的電能補(bǔ)充方式。

“十四五”時(shí)期，隨著我國(guó)風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”的到來(lái)，分散式風(fēng)電將再次受到市場(chǎng)關(guān)注。

發(fā)展分散式風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)：

(1)分散式風(fēng)電靠近用戶，一般不新建升壓站，能節(jié)省輸配電設(shè)備費(fèi)用;分散式風(fēng)電項(xiàng)目不需要進(jìn)行大規(guī)模、遠(yuǎn)距離電力輸送，可以實(shí)現(xiàn)就地消納，對(duì)緩解棄風(fēng)限電具有重要作用。

(2)分散式風(fēng)電項(xiàng)目不占用國(guó)家核準(zhǔn)計(jì)劃指標(biāo)，由各省自行建設(shè)，審批時(shí)間短，項(xiàng)目裝機(jī)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(fēng)速風(fēng)能資源為主，分散式風(fēng)電可供開(kāi)發(fā)空間廣闊，產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向?qū)⒅鸩较蚍稚⑹絻A斜。

3 海上風(fēng)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(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組具有一定的技術(shù)門檻要求。

從技術(shù)角度來(lái)看，風(fēng)電機(jī)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(jī)組的葉輪通過(guò)增速齒輪箱與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。由于有增速齒輪箱的加持，在風(fēng)電機(jī)組向恒頻電網(wǎng)送電時(shí)，不需要調(diào)速，有功和無(wú)功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器的容量較小等優(yōu)勢(shì)。目前全球大部分機(jī)組采用的是雙饋技術(shù)。

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

直驅(qū)技術(shù)的葉輪直接與發(fā)電機(jī)相連，省去了增速齒輪箱，轉(zhuǎn)子為永磁體勵(lì)磁，無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源。直驅(qū)機(jī)組的發(fā)電機(jī)通過(guò)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)方面，電機(jī)和電子裝置成本高，電機(jī)質(zhì)量大，為了適應(yīng)低風(fēng)速需要配備很多的級(jí)對(duì)數(shù)極，導(dǎo)致電機(jī)體積龐大，且只能通過(guò)水冷降溫。

同時(shí)，由于直驅(qū)式?jīng)]有齒輪箱，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)發(fā)電機(jī)性能要求高，成本偏高。直驅(qū)機(jī)組雖然能夠正常發(fā)電，但太過(guò)沉重，安裝運(yùn)送存在問(wèn)題。

因此雙饋機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組都不是海上風(fēng)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(fēng)機(jī)技術(shù)的迭代方向是半直驅(qū)電機(jī)。半直驅(qū)綜合了雙饋、直驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)規(guī)避了二者的缺點(diǎn)，是行業(yè)公認(rèn)的下一代風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。

半直驅(qū)技術(shù)較雙饋風(fēng)機(jī)可靠性更高、成本更低，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)，有利于減小發(fā)電機(jī)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(jī)+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(shì)，即避免使用多級(jí)齒輪箱導(dǎo)致的故障率偏高，也減輕了永磁發(fā)電機(jī)的體積和重量。

半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

資料來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)，平安證券研究所

4 “十四五”海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

趨勢(shì)一：機(jī)組容量大型化

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

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

趨勢(shì)二：半直驅(qū)比重不斷增大

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的核心設(shè)備之一是風(fēng)電機(jī)組。隨著海上風(fēng)電需求上升，機(jī)組單機(jī)容量增大，目前半直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機(jī)和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機(jī)在海上風(fēng)電中的應(yīng)用比例不斷增加。半直驅(qū)技術(shù)路線預(yù)計(jì)將成為“十四五”海上風(fēng)電發(fā)展的選擇趨勢(shì)。

趨勢(shì)三：選址深遠(yuǎn)?；?/strong>