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

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

根據全球風(fēng)能委員會(huì )(GWEC)的數據，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)澜顼L(fēng)電權威媒體《風(fēng)能月刊》去年9月發(fā)布的一份報告，預計2021年至2025年間，全球將安裝超過(guò)70吉瓦海上風(fēng)電裝機容量，這意味著(zhù)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”規劃中，我國也明確提出將大力提升風(fēng)電規模，有序發(fā)展海上風(fēng)電建設。

1 我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展近況

近年來(lái)，我國風(fēng)電發(fā)電量占比不斷提升，2021年中國風(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：國家統計局、智研咨詢(xún)整理

2021年我國風(fēng)力發(fā)電裝機容量達32848萬(wàn)千瓦，同比增長(cháng)16.6%。

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

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

隨著(zhù)2019年末、2020年初國家風(fēng)電中央財政補貼相關(guān)政策的落地，2020年成為我國陸上風(fēng)電的“搶裝”年，風(fēng)電新增裝機容量達7211萬(wàn)千瓦;2021年成為我國海上風(fēng)電的“搶裝”年，風(fēng)電新增裝機容量為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

我國現階段風(fēng)電發(fā)電系統已逐漸完善，“30·60目標”的提出，加之風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”的到來(lái)，預示作為實(shí)現碳中和目標主力軍的風(fēng)電，行業(yè)發(fā)展前景極為廣闊。“十四五”規劃期間，國內風(fēng)電將加快發(fā)展，隨著(zhù)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)速更為穩定，空間廣闊，允許風(fēng)機機組更為大型化。海上風(fēng)電設備利用率比陸上風(fēng)電高一倍，且具有一定的規律性，利于峰谷調配。中國海上風(fēng)電資源多集中于東南部沿海地區，更靠近負荷中心。

我國海上風(fēng)能資源豐富，根據發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展路線(xiàn)圖2050》報告，中國水深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、深遠海也具備較豐富的風(fēng)能資源。

海上風(fēng)電的優(yōu)勢：

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

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

(3)發(fā)電利用小時(shí)數高：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)資源相對平穩，出力波動(dòng)較?。汉Ｉ巷L(fēng)電的接入對系統調頻的影響以及系統調頻能力的要求低于陸上風(fēng)電，電網(wǎng)友好性更強。

(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)機的年發(fā)電量能比陸上高70%;海上風(fēng)電單機裝機容量更大，在同一區域的掃風(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(zhù)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)展一直低于預期，正處于萌芽階段，但是隨著(zhù)近年來(lái)地方政府加快規劃與資源儲備，分散式風(fēng)電發(fā)展明顯提速。從集中式到分散式的模式，也已成為中國風(fēng)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(shí)期，隨著(zhù)我國風(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：

(1)分散式風(fēng)電靠近用戶(hù)，一般不新建升壓站，能節省輸配電設備費用;分散式風(fēng)電項目不需要進(jìn)行大規模、遠距離電力輸送，可以實(shí)現就地消納，對緩解棄風(fēng)限電具有重要作用。

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

(3)幅員遼闊的中東南部地區仍以低風(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)政策導向將逐步向分散式傾斜。

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)機對風(fēng)電機組具有一定的技術(shù)門(mén)檻要求。

從技術(shù)角度來(lái)看，風(fēng)電機組共有雙饋、直驅、半直驅三種類(lèi)型。其中雙饋和直驅是目前較成熟的主流路線(xiàn)。

就結構而言，雙饋技術(shù)和直驅技術(shù)最大的區別在于是否連接“齒輪箱”。雙饋機組的葉輪通過(guò)增速齒輪箱與發(fā)電機轉子相連。由于有增速齒輪箱的加持，在風(fēng)電機組向恒頻電網(wǎng)送電時(shí)，不需要調速，有功和無(wú)功功率可獨立調節、轉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(fēng)速的要求較高，很容易發(fā)生脫網(wǎng)現象，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，增加了維護成本。

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

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

同時(shí)，由于直驅式?jīng)]有齒輪箱，運行穩定，對發(fā)電機性能要求高，成本偏高。直驅機組雖然能夠正常發(fā)電，但太過(guò)沉重，安裝運送存在問(wèn)題。

因此雙饋機組和直驅機組都不是海上風(fēng)電的最佳選擇。

半直驅技術(shù)有望成為行業(yè)主流：

現階段風(fēng)機技術(shù)的迭代方向是半直驅電機。半直驅綜合了雙饋、直驅的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)規避了二者的缺點(diǎn)，是行業(yè)公認的下一代風(fēng)電機組技術(shù)。

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

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

半直驅技術(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)，兼顧直驅的高穩定性、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。

半直驅風(fēng)力發(fā)電系統示意圖

資料來(lái)源：中國知網(wǎng)，平安證券研究所

4 “十四五”海上風(fēng)電發(fā)展趨勢預測

趨勢一：機組容量大型化

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

2021年國內海上風(fēng)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(fēng)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：半直驅比重不斷增大

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

趨勢三：選址深遠?；?/strong>