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“雙碳"目標下的海上風電高質量發展路徑

作者:【未知】

2022-06-08 09:09:11 來源:南方電網報  瀏覽量:

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“雙碳"目標下的海上風電高質量發展路徑


南方電網公司董事、黨組副書記 畢亞雄


  清潔低碳是全球能源轉型發展的必然趨勢。作為全球最大的能源生產和消費國,中國大力推動非化石能源發展和能源轉型。黨中央高瞻遠矚,描繪了我國綠色發展的宏偉藍圖,確立了2030年碳達峰、2060年碳中和的目標,提出了“雙碳”目標下構建新型電力係統的要求,明確了新時代能源電力的發展方向,也為全國海上風電產業發展創造了良好的環境。


  全球海上風電蓬勃發展


  近年來,全球海上風電呈現持續發展態勢。截至2021年底,全球海上風電累計裝機4859萬千瓦,中國海上風電裝機2069萬千瓦,占比42.59%。2021年全球新增海上風電裝機容量約1340萬千瓦,其中,中國約1080萬千瓦,占比80%,排名第一;荷蘭為1130萬千瓦,排名第二。


  根據全球風能理事會統計和預測,未來20年,全球海上風電規劃裝機將每年增長13%。到2030年,全球規劃新增裝機約2億千瓦;到2040年,預測海上風電裝機將增加到約5.6億千瓦。未來海上風電的增長將主要集中在歐盟、中國、美國、韓國、日本和印度。


  全球海上風電發展取得了巨大成績,積累了以下幾方麵的經驗:一是規範化市場機製提升了海上風電開發效率。明確的市場職責分工、規範的管理製度及高效的審批機製極大地簡化了海上風電開發流程,提升了海上風電開發建設效率。


  二是產業鏈高效協同有效降低海上風電開發成本。通過高效整合規劃設計、整機製造、施工安裝、交通運輸、運營維護的海上風電全產業鏈,細化產業分工,利用產業集群效應降低海上風電建設運營成本,促進海上風電高速發展。


  三是技術創新有效促進了海上風電降本提質。國際上普遍采用的大容量機組、一體化設計、大型海工裝備等技術創新,有效促進海上風電降本提質。


  四是風電試驗場及產業基地建設促進海上風電產業良性發展。海上風電試驗場對推動海上風電新機型、新技術推廣應用發揮了重大作用,海上風電產業基地則發揮了重要的規模化效益,促進海上風電產業良性發展。


  五是有力的網源協調規劃及配套電網建設對保障海上風電消納起到重要作用。合理的源網協調發展規劃和海上風力資源富集地區骨幹網架建設,充分保障了區域海上風電的開發建設與高比例消納。


  大規模海上風電並網的挑戰


  當海上風電大規模接入時,電力係統將麵臨電力可靠供應、安全穩定運行、經濟性、體製機製諸多方麵的挑戰。


  可靠性方麵,海上風電出力的隨機性、波動性強,預測難度大,部分時段出力極低,特殊時段出力近零,反調峰特性明顯,隨著接入規模擴大,僅依靠常規電源調節,將無法實現電網穩態平衡和功率調節,威脅電力的可靠供應。


  安全性方麵,風電機組電力電子化特征明顯,打破傳統發電設備機械係統的“經典”慣性特征,目前無法像常規發電機組一樣參與電網頻率的快速調節以支撐電網頻率穩定,因此當海上風電場大規模接入電網後,將導致電力係統整體轉動慣量水平降低,電力係統的頻率抗擾動能力明顯弱化,將增大傳統大火電、大水電等機組的調節壓力,不利於電網能源結構的優化及電力係統的健康發展。


  經濟性方麵,隨著海上風電持續發展的規模效應和技術迭代,未來自身成本有望進一步下降。但短期來看,海上風電場的初始投資成本難以降低,大規模海上風電利用需要常規電源和儲能提供有效容量以便穩定使用,導致輔助性投資係統的成本也居高不下。同時,海上環境複雜,風電場的運行成本也顯著高於陸上風電場,對海上風電場經濟性帶來一定挑戰。


  體製機製方麵,海上風電建設運營過程中,需要考慮更合理的利益分配方式,兼顧各方麵的正當要求,建立產業鏈廣大參與方得以可持續發展的配套政策、市場機製、利益保障體製機製。


  這些問題,需要產業鏈上下遊企業共同努力,有針對性地合作技術攻關加以解決。


  推動海上風電高質量發展


  為實現海上風電產業的高質量發展,首先需要從整個生態鏈出發,建立共同目標,凝聚各方力量,做好頂層設計,從技術、經濟等方麵共同發力,推動海上風電高質量發展。


  在提高海上風電可靠性方麵,既要研究海上風電精準預測技術,結合數值天氣預報和AI組件、大數據以及超算能力,開展基於數據驅動的人工智能輕量化海上風電場建模和高精度發電(出力)預測,以促進運行方式安排,解決靜態、動態電力平衡問題。


  現階段,南方電網公司已經開展海上風電精準預測關鍵技術研究,南方電網數字電網集團有限公司自主編碼建立了10多種預測算法模型,研發了“誇父”係列新能源高精度預測產品,經實例驗證,可有效提高海上風電發電預測準確率。


  還要研究提高協同互補能力,實現源網荷儲一體化規劃與運行,增強各環節協調性,提升係統靈活性,彌補海上風電出力隨機性、波動性、間歇性給供需平衡和電網安全帶來的衝擊。


  目前,南方電網公司已經開展了《構建新型電力係統關鍵問題及措施》《南方電網“十四五”儲能發展規劃》等專題研究,明確了實現海上風電與電網的協同,關鍵在於發展不同功能定位的儲能及布局,主要包括:抽水蓄能和電化學儲能等,以及推進電源側儲能建設、電網側儲能合理化布局。實現源網協同互補,不僅需要統籌好海上風電開發與係統送出工作,確定海上風電配套儲能規模與控製策略,還需匹配政策機製,促進源網荷儲協調發展。


  在提升海上風電安全性方麵,首先要實現機網安全高效協同要求,研究優化完善大型海上風力發電機組主控技術,研發10兆瓦及以上大型海上風電機組主控裝置,增強機組的風—浪—流—湧耦合影響下安全穩定運行、智能化抗台風能力,提升機組對我國沿海台風氣候的適應能力,促進海上風電機組大型化、智能化發展。


  目前,南方電網公司牽頭承接了廣東省重點研發計劃項目“10MW及以上海上風力發電機組主控裝置研發”。聯合風機製造商、高校等開展攻關,力圖以網源控製調節策略最匹配、最適應和經濟技術最優,攻克10兆瓦及以上“直驅+半直驅”海上風電機組的主控核心關鍵技術,自主研製應對台風的智能化風機主控裝置。


  其次,要研究海上風電功率主動支撐技術,麵向海上風電場,研發功率快速控製係統,增強海上風電場的一次調頻控製能力、AGC/AVC控製能力,推動構建電網友好型海上風電場,提升對係統的頻率支撐能力,提高新型電力係統安全穩定裕度。


  目前,南方電網公司已經穩步推進麵向新型電力係統邊緣控製的“智控”係列產品研發。其中,“智控”I型產品將麵向海上風電場開展功率快速控製,並同步開展“智控”係列產品配套專用芯片關鍵技術的研究與應用工作。希望各方共同合作,積極推進場站端功率快速控製係統部署,合作打造電網友好型海上風電場。


  在安全性方麵,要開展構網型海上風電控製技術研究,促進海上風電的外特性從電流源向電壓源轉變,並提供與同步機相似的慣量特性,提升電網適應性,提升弱係統下的功率傳輸極限,降低電網複雜環境下振蕩風險。另外,還要研究電網與海上風電場協同控製技術,推動海上風電場可靠響應係統側下達的功角、慣量等方麵控製要求,保障係統的靜態、暫態以及動態功率平衡,進一步提升海上風電對電力係統安全穩定的支撐能力,更好地適應新型電力係統中新能源占比逐步提高的趨勢。


  目前,南方電網公司已完成構網型海上風電控製的理論研究和仿真建模,正在開展實證試驗平台建設;推動構網型樣機在海風場景的試製與試用;同步建立構網型變流器技術規範體係,規範構網型控製在統一技術框架下功能和性能要求。


  在提升海上風電經濟性方麵,經過綜合調研和分析,目前廣東省海上風電典型造價約為17600元/千瓦。風電機組及塔筒、風電機組基礎、海纜環節在海上風電建設成本中占比較高,分別占初始投資的45%、27%和19%;同時,海上風電場的運營費用居高不下,全生命周期動態運營成本約等於海上風電初始投資,而運維成本、貸款利息成本以及稅收成本三者分別占總運營成本的48%、30%和22%。


  降低海上風電成本,關鍵在於突破降本技術、實現智慧運維。通過測算各項核心技術對降低海上風電各主要環節成本的貢獻,促成風機及塔筒製造成本、樁基礎建設成本、運維成本等關鍵環節的降本,可有效促進海上風電全生命周期成本的下降。


  南方電網公司主要聚焦海上風電送出方麵,研究高可靠、低成本集中送出技術,全方位降低海上風電送出係統成本,提升海上風電經濟性。


  目前,南方電網公司已研究形成±500千伏/2000兆瓦海上風電匯集送出方案,可實現單位容量電容用量降低20%、平台重量降低40%、成本降低25%,極大提高了海上風電建設的經濟性。


  在海上風電體製機製方麵,首先,要形成集約化開發、規模化送出的發展局麵,總體規劃海上風電開發、建設和並網各環節,促進資源集約化利用;優化投資分界麵,推動以“海上升壓站/換流站”為劃界的投資運營模式,實現發電側和電網側的產權劃分及資源整合,實現邊際效益的最大化,這是最直接和有效的降本措施。


  其次,積極探索建立海上風電參與碳交易市場的模式和機製,海上風電作為零排放的清潔能源,應積極參與碳市場交易,爭取獲得相應的碳減排收益,以促進降本增效。


  最後,積極拓展海上風電場衍生(附帶)產業及多能協調發展,促進產業鏈良性循環。這裏舉兩個例子,一是積極探索海洋牧場與海上風電融合發展,在帶動能源和漁業經濟的同時,不忘保護近海生態環境。二是促進海上風電、波浪能、太陽能等多類型能源資源開發,實現多類型能源互補利用,同時還提高運維安全係數。


  南方電網公司正在全麵服務和融入海上風電產業,從製度層麵促進海上風電消納。由廣東電網海上風電服務分公司統一麵向海上風電業主,為海上風電送出和並網提供專業化、一站式服務。由相關分子公司負責具體承接,提供海上風電工程規劃谘詢、工程設計、試驗檢測、運維調試、軟硬件開發、施工建設等產品和服務。


  南方電網公司積極服務海上風電發展,推動價值鏈整合,促進新能源事業共同進步。促進海上風電健康發展,需要產業鏈上下遊建立共同目標,做強做優海上風電產業。產業鏈上下遊應樹立“提升我國海上風電產業競爭力”的共同目標;做好科技研發、裝備製造、工程建設、運行維護等全產業鏈各環節分工協作的係統規劃;以創新為主要引領和支撐,實現降本增效,以全域多種能源發電能力互補、全係統設備技術性能協同、全市場動力機製優化配合,解決目前海上風電建設運維成本高等難題。


  各方需要共同協作,互相支撐,破解發展難題。聚焦各自優勢,既明確分工又相互協作,同時,加大聯合攻關、項目示範等力度,全力破解海上風電機組穩定性冗餘設計優化和發電精準預測、機組主控及整場快速功率控製、海上風電柔性並網等技術難題;充分研究海上風電與儲能、煤電、水電、核電等其他能源協調作用,統籌謀劃降低海上風電接入對電網安全穩定的影響;充分發揮海上風電規模化發展優勢,降低海上風電開發成本,提升海上風電發展競爭力。


  南方電網公司將堅決貫徹落實習近平總書記“四個革命、一個合作”能源安全新戰略,全力服務和支撐國家加快構建清潔低碳、安全高效的能源體係,以實際行動更好地服務和融入海上風電發展,加快推動新型電力係統建設和數字化轉型。


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