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“双碳”目标下的海上风电高质量发展路径

[《南方能源观察》2022年第9期], 国研网 发布于 2022/9/1


清洁低碳是全球能源转型发展的必然趋势。作为全球最大的能源生产和消费国,中国大力推动非化石能源发展和能源转型。党中央高瞻远瞩,描绘了我国绿色发展的宏伟蓝图,制订2030年碳达峰、2060年碳中和的目标,提出了“双碳”目标下构建新型电力系统的要求,明确了新时代能源电力的发展方向,也为全国海上风电产业发展创造了良好的环境。

全球海上风电蓬勃发展

近年来,全球海上风电呈现持续发展态势。截2021年底,全球海上风电累计装4859万千瓦,中国海上风电装2069万千瓦,占比42.59%2021年全球新增海上风电装机容量约1340万千瓦,其中,中国约1080万千瓦,占比80%,排名第一;荷兰为1130万千瓦,排名第二。

根据全球风能理事会统计和预测,未来二十年,全球海上风电规划装机将每年增13%2030年,全球规划新增装机2亿千瓦;到2040年,预测海上风电装机将增加到5.6亿千瓦。未来海上风电的增长将主要集中在欧盟、中国、美国、韩国、日本和印度。

全球海上风电发展取得了巨大成绩,积累了以下几方面的经验:一是规范化市场机制提升了海上风电开发效率。明确的市场职责分工、规范的管理制度及高效的审批机制极大地简化了海上风电开发流程,提升了海上风电开发建设效率。

二是产业链高效协同有效降低海上风电开发成本。通过高效整合规划设计、整机制造、施工安装、交通运输、运营维护的海上风电全产业链,细化产业分工,利用产业集群效应降低海上风电建设运营成本,促进海上风电高速发展。

三是技术创新有效促进了海上风电降本提质。国际上普遍采用的大容量机组、一体化设计、大型海工装备等技术创新,有效促进海上风电降本提质。

四是风电试验场及产业基地建设促进海上风电产业良性发展。海上风电试验场对推动海上风电新机型、新技术推广应用发挥了重大作用,海上风电产业基地则发挥了重要的规模化效益,促进海上风电产业良性发展。

五是有力的网源协调规划及配套电网建设对保障海上风电消纳起到重要作用。合理源网协调发展规划和海上风力资源富集地区骨干网架建设,充分保障了区域海上风电的开发建设与高比例消纳。

大规模海上风电并网的挑战

当海上风电大规模接入时,电力系统将面临电力可靠供应、安全稳定运行、经济性、体制机制诸多方面的挑战。

可靠性方面,海上风电出力的随机性、波动性强,预测难度大,部分时段出力极低,特殊时段出力近零,反调峰特性明显,随着接入规模扩大,仅依靠常规电源调节,将无法实现电网稳态平衡和功率调节,威胁电力的可靠供应。

安全性方面,风电机组电力电子化特征明显,打破传统发电设备机械系统的“经典”惯性特征,目前无法像常规发电机组一样参与电网频率的快速调节以支撑电网频率稳定,因此当海上风电场大规模接入电网后,将导致电力系统整体转动惯量水平降低,电力系统的频率抗扰动能力明显弱化,将增大传统大火电、大水电等机组的调节压力,不利于电网能源结构的优化及电力系统的健康发展。

经济性方面,随着海上风电持续发展的规模效应和技术迭代,未来自身成本有望进一步下降。但短期来看,海上风电场的初始投资成本难以降低,大规模海上风电利用需要常规电源和储能提供有效容量以便稳定使用,导致辅助性投资系统的成本也居高不下。同时,海上环境复杂,风电场的运行成本也显著高于陆上风电场,对海上风电场经济性带来一定挑战。

体制机制方面,海上风电建设运营过程中,需要考虑更合理的利益分配方式,兼顾各方面的正当要求,建立产业链广大参与方得以可持续发展的配套政策、市场机制、利益保障体制机制。

这些问题,需要产业链上下游企业共同努力,有针对性合作技术攻关加以解决。

推动海上风电高质量发展

为实现海上风电产业的高质量发展,首先需要从整个生态链出发,建立共同目标,凝聚各方力量,做好顶层设计,从技术、经济等方面共同发力,推动海上风电高质量发展。

在提高海上风电可靠性方面,既要研究海上风电精准预测技术,结合数值天气预报AI组件、大数据以及超算能力,开展基于数据驱动的人工智能轻量化海上风电场建模和高精度发电(出力)预测,以促进运行方式安排,解决静态、动态电力平衡问题。

现阶段,南方电网已经开展海上风电精准预测关键技术研究,南方电网数字电网集团有限公司自主编码建立10多种预测算法模型,研发了“夸父”系列新能源高精度预测产品,经实例验证,可有效提高海上风电发电预测准确率。

还要研究提高协同互补能力,实现源网荷储一体化规划与运行,增强各环节协调性,提升系统灵活性,弥补海上风电出力随机性、波动性、间歇性给供需平衡和电网安全带来的冲击。

目前,南方电网已经开展了《构建新型电力系统关键问题及措施》《南方电网“十四五”储能发展规划》等专题研究,明确了实现海上风电与电网的协同,关键在于发展不同功能定位的储能及布局,主要包括:抽水蓄能和电化学储能等,以及推进电源侧储能建设、电网侧储能合理化布局。实现源网协同互补,不仅需要统筹好海上风电开发与系统送出工作,确定海上风电配套储能规模与控制策略,还需匹配政策机制,促进源网荷储协调发展。

在提升海上风电安全性方面,首先要实现机网安全高效协同要求,研究优化完善大型海上风力发电机组主控技术,研10MW及以上大型海上风电机组主控装置,增强机组的风—浪—流—涌耦合影响下安全稳定运行、智能化抗台风能力,提升机组对我国沿海台风气候的适应能力,促进海上风电机组大型化、智能化发展。

目前,南方电网牵头承接了广东省重点研发计划项目10MW及以上海上风力发电机组主控装置研发。联合风机制造商、高校等开展攻关,力图以网源控制调节策略最匹配、最适应和经济技术最优,攻10MW及以上直驱+半直驱海上风电机组的主控核心关键技术,自主研制应对台风的智能化风机主控装置。

其次,要研究海上风电功率主动支撑技术,面向海上风电场,研发功率快速控制系统,增强海上风电场的一次调频控制能力AGC/AVC控制能力,推动构建电网友好型海上风电场,提升对系统的频率支撑能力,提高新型电力系统安全稳定度。

目前,南方电网已经稳步推进面向新型电力系统边缘控制的“智控”系列产品研发。其中,“智控”Ⅰ型产品将面向海上风电场开展功率快速控制,并同步开展“智控”系列产品配套专用芯片关键技术的研究与应用工作。希望各方共同合作,积极推进场站端功率快速控制系统部署,合作打造电网友好型海上风电场。

在安全性方面,要开展构网型海上风电控制技术研究,促进海上风电的外特性从电流源向电压源转变,并提供与同步机相似的惯量特性,提升电网适应性,提升弱系统下的功率传输极限,降低电网复杂环境下振荡风险。另外,还要研究电网与海上风电场协同控制技术,推动海上风电场可靠响应系统侧下达的功角、惯量等方面控制要求,保障系统的静态、暂态以及动态功率平衡,进一步提升海上风电对电力系统安全稳定的支撑能力,更好地适应新型电力系统中新能源占比逐步提高的趋势。

目前,南方电网已完成构网型海上风电控制的理论研究和仿真建模,正在开展实证试验平台建设;推动构网型样机在海风场景的试制与试用;同步建立构网型变流器技术规范体系,规范构网型控制在统一技术框架下功能和性能要求。

在提升海上风电经济性方面,经过综合调研和分析,目前广东省海上风电典型造价约17600/千瓦。风电机组及塔筒、风电机组基础、海缆环节在海上风电建设成本中占比较高,分别占初始投资45%27%19%;同时,海上风电场的运营费用居高不下,全生命周期动态运营成本约等于海上风电初始投资,而运维成本、贷款利息成本以及税收成本三者分别占总运营成本48%30%22%

降低海上风电成本,关键在于突破降本技术、实现智慧运维。通过测算各项核心技术对降低海上风电各主要环节成本的贡献,促成风机及塔筒制造成本、基础建设成本、运维成本等关键环节的降本,可有效促进海上风电全生命周期成本的下降。

南方电网主要聚焦海上风电送出方面,研究高可靠、低成本集中送出技术,全方位降低海上风电送出系统成本,提升海上风电经济性。

目前,南方电网已研究形成±500kV/2000MW海上风电汇集送出方案,可实现单位容量电容用量降20%、平台重量降低40%成本降低25%,极大提高了海上风电建设的经济性。

在海上风电体制机制方面,首先,要形成集约化开发、规模化送出的发展局面,总体规划海上风电开发、建设和并网各环节,促进资源集约化利用;优化投资分界面,推动以海上升压/换流站为划界的投资运营模式,实现发电侧和电网侧的产权划分及资源整合,实现边际效益的最大化,这是最直接和有效的降本措施。

其次,积极探索建立海上风电参与碳交易市场的模式和机制,海上风电作为零排放的清洁能源,应积极参与碳市场交易,争取获得相应的碳减排收益,以促进降本增效。

最后,积极拓展海上风电场衍生(附带)产业及多能协调发展,促进产业链良性循环。这里举两个例子,一是积极探索海洋牧场与海上风电融合发展,在带动能源和渔业经济的同时,不忘保护近海生态环境。二是促进海上风电、波浪能、太阳能等多类型能源资源开发,实现多类型能源互补利用,同时还提高了运维安全系数。

南方电网正在全面bet356亚洲版在线体育投注和融入海上风电产业,从制度层面促进海上风电消纳。由广东电网海上风电bet356亚洲版在线体育投注分公司统一面向海上风电业主,为海上风电送出和并网提供专业化、一站式bet356亚洲版在线体育投注。由相关子公司负责具体承接,提供海上风电工程规划咨询、工程设计、试验检测、运维调试、软硬件开发、施工建设等产品和bet356亚洲版在线体育投注。

南方电网积极bet356亚洲版在线体育投注海上风电发展,推动价值链整合,促进新能源事业共同进步。促进海上风电健康发展,需要产业链上下游建立共同目标,做强做优海上风电产业。产业链上下游应树立“提升我国海上风电产业竞争力”的共同目标;做好科技研发、装备制造、工程建设、运行维护等全产业链各环节分工协作的系统规划;以创新为主要引领和支撑,实现降本增效,以全域多种能源发电能力互补、全系统设备技术性能协同、全市场动力机制优化配合,解决目前海上风电建设运维成本高等难题。

各方需要共同协作,互相支撑,破解发展难题。聚焦各自优势,既明确分工又相互协作,同时,加大联合攻关、项目示范等力度,全力破解海上风电机组稳定性冗余设计优化和发电精准预测、机组主控及整场快速功率控制、海上风电柔性并网等技术难题;充分研究海上风电与储能、煤电、水电、核电等其他能源协调作用,统筹谋划降低海上风电接入对电网安全稳定的影响;充分发挥海上风电规模化发展优势,降低海上风电开发成本,提升海上风电发展竞争力。

南方电网将坚决贯彻落实习近平总书记“四个革命、一个合作”能源安全新战略,全力bet356亚洲版在线体育投注和支撑国家加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,以实际行动更好地bet356亚洲版在线体育投注和融入海上风电发展,加快推动新型电力系统建设和数字化转型。有色、石化等行业也在准备进入全国碳市场。

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