海上風電產業(yè)鏈自主可控能力研究與提升建議

池亞微　余文博　鄭江珊　袁逸博

摘要：海上風電產業(yè)鏈長、關聯(lián)度大、技術先導性強，其國產化進程不僅直接關系到我國海上風電資源開發(fā)和沿海城市“雙碳”目標落實進程，也與航空航天、新能源汽車、機器人、精密儀器等高端領域工業(yè)制造能力息息相關。經(jīng)過多年持續(xù)攻關，我國海上風電重大裝備已基本實現(xiàn)國產化，但部分關鍵零部件及軟件自主可控能力仍舊不足，需要依賴進口，引發(fā)了國產整機產能受限、機組大型化受限、成本下降緩慢等問題。文章通過對產業(yè)鏈上下游的調研，分析了目前海上風電產業(yè)鏈在原材料、制造工藝、零部件、軟件、標準認證等方面存在的自主可控能力不足的問題，結合國外先進經(jīng)驗提出提升措施建議，以期為我國海上風電自主可控能力提升及國產化步伐推進助力。

關鍵詞：海上風電；產業(yè)鏈；自主可控能力

中圖分類號：TK89 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

海上風電具有資源豐富、發(fā)電功率大、距離負荷中心近等優(yōu)點，是促進能源結構優(yōu)化、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措。在國家政策的大力支持下，我國海上風電行業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，截至2022年，累計裝機容量達3251萬kW，持續(xù)保持全球第一地位。近2年，全國各地紛紛出臺了海上風電發(fā)展規(guī)劃，其中，“十四五”期間規(guī)劃開發(fā)規(guī)模約8000萬kW，預計到2030年累計裝機將超過2億kW。經(jīng)過多年發(fā)展，我國海上風電行業(yè)發(fā)展已逐漸實現(xiàn)專業(yè)化，海上風電產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)不斷開拓創(chuàng)新，核心技術和重大裝備研發(fā)不斷取得突破，全產業(yè)鏈國產化率已達95%以上。然而，我國海上風電技術水平與歐洲海上風電強國仍存在差距，在基礎軟件、核心硬件、基礎原材料等領域仍存在短板，部分關鍵零部件依然需要依賴進口，從而導致裝備產能受限、成本下降緩慢、性能提升困難、機組大型化受阻。其中，部分技術痛點也是影響我國航空航天、新能源汽車、機器人、精密儀器等高端領域工業(yè)制造能力提升的關鍵因素。增強產業(yè)鏈自主可控能力、提升產業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，一直是關乎我國經(jīng)濟安全和高質量發(fā)展的關鍵議題，對于建設制造強國意義重大。因此，對海上風電產業(yè)鏈自主可控水平及提升措施的研究，對于保障國家能源安全、經(jīng)濟安全和國防安全至關重要，是促進我國相關產業(yè)向全球價值鏈中高端邁進的必要手段。

1 國內海上風電產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國海上風電產業(yè)經(jīng)過10多年的發(fā)展，已具備較好的技術儲備、產業(yè)鏈基礎和規(guī)模化發(fā)展條件。目前，我國已具備自主完成大型海上風電機組設計、研發(fā)、生產、安裝、調試及運營的全面能力，海上風電機組產業(yè)鏈體系完備，全產業(yè)鏈國產化率已達95%以上，目前已推出的海上風電機組最大單機容量達到20 MW，最長葉片超過120 m，漂浮式風電機組、6 MW以上主軸承和PLC主控系統(tǒng)均實現(xiàn)了零的突破。在實現(xiàn)自主化創(chuàng)新的同時，我國風電設備已經(jīng)實現(xiàn)了向30多個國家的出口，風電機組的產量占全球的2/3以上，發(fā)電機、輪轂、機架、葉片、齒輪箱、軸承等零部件產量占全球的60%～70%。在設計施工方面，新型海上測風設備及海底巖土工程勘測手段應用均取得進展，淺海風電機組基礎技術成熟，升壓站施工及海纜敷設技術不斷精進，首座換流站順利安裝，自航自升式平臺成為主流。在海上風電并網(wǎng)輸電方面，國內高壓交流輸電系統(tǒng)技術成熟、應用廣泛，柔性直流送出技術的壟斷被打破，低頻輸電技術已開展試點示范，大容量、緊湊型海上升壓站設計水平持續(xù)提升，330 kV或500 kV送出+66 kV集電方案已進入初步探索階段。在海上風電運維環(huán)節(jié)，運維模式逐步向以狀態(tài)檢修為主、計劃檢修與故障檢修為輔的模式轉變，采集監(jiān)視、氣象預報、船舶運維等智能化運維技術初步應用，專業(yè)運維母船設計初具成效。產業(yè)融合發(fā)展方面，海上風電與海洋觀測網(wǎng)站、海洋牧場融合已經(jīng)取得應用成果，與制氫、漂浮式光伏融合均有試點推動，與能源島和旅游融合仍處于概念設計及理論研究階段。

在我國海上風電向“深遠海”推進的過程中，大容量、漂浮式、新型送出系統(tǒng)、新型海洋經(jīng)濟等都是重點發(fā)展方向。其中，大容量整機和子系統(tǒng)零部件的技術研究與開發(fā)、漂浮式機組示范和小批量驗證、柔性直流送出技術、漂浮式機組動態(tài)電纜技術、緊湊化輕型化海上換流站技術以及海上風電與漁業(yè)、制氫/制氨、能源島等多種海洋經(jīng)濟的融合，都有望為行業(yè)帶來技術創(chuàng)新和突破。海洋工程和裝備方面，高效的施工技術、起重大和起吊高的專業(yè)自動化海上風電安裝平臺的設計建造也將是未來重點發(fā)展的方向。

2 海上風電產業(yè)鏈現(xiàn)狀和存在問題

2.1 關鍵基礎材料研發(fā)不足

2.1.1 碳纖維

碳纖維作為21世紀的“新材料之王”，在風電機組大型化趨勢下，以其輕量、高強度、高模量優(yōu)勢，逐漸成為制造風電機組超長柔性葉片最理想的材料。在海上風電爆發(fā)增長和風機大型化趨勢下，風電逐漸成為推動碳纖維需求增長的第一動力。2021年，國內風機葉片碳纖維需求量占全部需求量的36%，未來隨著10MW以上大型機組批量應用，該需求還有望進一步提升。碳纖維生產全過程涉及3000多個工藝點，生產流程復雜，技術關鍵點較多，預氧化、原絲制備、碳化/石墨化等技術壁壘嚴重制約了碳纖維質量和產能的提升。目前，我國原絲生產設備大量依賴進口，高級別碳纖維生產設備性能與國外有明顯差距，進口核心設備由于適配性問題，常導致生產線運行及產品質量不穩(wěn)定，引發(fā)高產能、低產量現(xiàn)象［1］。

2.1.2 海洋防腐涂料

海洋防腐技術對風電機組的可靠運行至關重要，涂層防腐是海上風電設備最常用的防腐手段。海洋防腐涂料科技含量較高［2］，其研發(fā)具有周期長、投資大、門檻高且風險大的特點，我國海洋防腐涂料的95%以上市場主要被荷蘭阿克蘇諾貝爾、美國PPG、德國漢高、美國杜邦、美國RPM、德國巴斯夫、丹麥Hemple、挪威Jotun等公司占據(jù)，國內海洋防腐涂料的生產大部分聚焦在中低端涂料市場。

2.2 制造工藝待突破

2.2.1 鑄造工藝

鑄件是重工裝備制造業(yè)的關鍵基礎部件之一，其應用領域較為廣泛。根據(jù)中國鑄造協(xié)會測算，每兆瓦風電需要20～25 t鑄件，主要用于輪轂、底座、軸及軸承座、梁、齒輪箱等部件，海上風電機組運行環(huán)境惡劣，對鑄鐵件性能和穩(wěn)定性要求更高，因此多以厚大斷面球墨鑄鐵件為主。但厚大斷面球墨鑄鐵件的熔體成分、內在組織、鑄件性能、外觀質量等不易精準控制，故生產難度較大。雖然我國有很多可生產此類鑄件的企業(yè)，但具備連續(xù)、穩(wěn)定生產高質量的厚大斷面球墨鑄鐵件條件的企業(yè)較少。

2.2.2 海纜制造工藝

隨著風電場離岸距離增加，超長、高電壓等級、大容量直流海纜需求持續(xù)提升。該類海纜生產需要克服導體絞合、絕緣材料交聯(lián)擠出及脫氣、大直徑鉛套擠制工藝等諸多技術挑戰(zhàn)，其中導體絞合、鉛套擠制質量直接影響到海纜的阻水性能，絕緣擠制和除氣工藝則關系到海纜絕緣性能優(yōu)劣［3］。歐洲海上風電場離岸距離較遠，已投運項目普遍選用±320 kV直流電纜，國外多家廠商已具備±525 kV直流海纜的技術，國內直流海纜生產技術尚處于起步階段，目前僅有極少數(shù)企業(yè)攻破了500 kV海纜批量生產技術。

2.3 核心零部件依賴進口

2.3.1 PLC

作為風電機組“大腦”的核心部件，PLC（可編程邏輯控制器）性能直接關系著國產化風電機組的發(fā)電能力與運行效率。PLC元器件和軟件的應用范圍幾乎涵蓋所有工業(yè)領域，是生產制造系統(tǒng)、重大基礎設施和軍用裝備的通用基礎核心控制設備。然而，由于我國PLC系統(tǒng)底層的現(xiàn)場儀表和上層的綜合自動化軟件基礎薄弱［4］，國內95%以上PLC市場被西門子、三菱、歐姆龍等國外企業(yè)占據(jù)，國內風電行業(yè)PLC市場則基本上被西門子、Beckhoff、B&R和Bachmann壟斷。

2.3.2 IGBT

作為風電變流器的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）也是另外一個亟須國產化的核心器件。鑒于IGBT在設計及工藝上的高要求，加之國內在這一領域的技術人才短缺和工藝基礎薄弱，且企業(yè)產業(yè)化起步較晚［5］，因此，英飛凌、三菱、富士電機等大型國際企業(yè)長期主導了IGBT市場。目前，國內IGBT自給率不足30%，難以滿足“雙碳”目標下快速增長的新能源產業(yè)需求，國外企業(yè)IGBT超長的交付周期和高昂的價格持續(xù)制約著新能源產業(yè)發(fā)展。IGBT等核心器件的國產化不僅對海上風電成本降低、運行安全穩(wěn)定至關重要，更對推動我國集成電路和半導體產業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)新一代半導體產業(yè)的自主可控具有重要的戰(zhàn)略意義。

2.4 高端海洋科學觀測裝備稀缺

海洋地形地質、水文、氣象、生物、災害等勘察觀測既是海上風電場的規(guī)劃設計、施工建設、運營運維的重要輸入數(shù)據(jù)，也是海洋防災減災、海洋經(jīng)濟發(fā)展、海洋科技創(chuàng)新、海洋權益維護和海洋生態(tài)文明建設的重要支撐。海洋勘察需要探測平臺和觀測裝備的配合，我國包括溫鹽深儀（CTD）、聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、海洋巖土測試儀器等在內的海洋觀測裝備嚴重依賴進口［6］，國產裝備研制大多處于原理樣機或工程樣機階段，且存在體積較大、功耗較高、可靠性和穩(wěn)定性較差等問題，參與國際市場競爭的實力薄弱，一些核心技術仍待攻關，需要建立起真正自主知識產權的綜合性、系統(tǒng)性、國產化的海洋科研裝備研發(fā)和產業(yè)化體系。

2.5 軟件自主研發(fā)能力不足

2.5.1 風機仿真分析軟件

當前國內常用風機載荷仿真分析、風資源數(shù)據(jù)分析、翼型氣動設計軟件等專業(yè)軟件基本來自歐美國家，普遍存在無法適應國內資源環(huán)境、創(chuàng)新升級受限、授權費用過高等問題。早期我國風電發(fā)展過程中對于設計研發(fā)的忽視以及細分領域專業(yè)軟件商業(yè)價值得不到體現(xiàn)，而長期依賴國外軟件則使得軟件的使用和升級受限。由于國內外自然環(huán)境差異，風資源、地形地勢、運行場景不盡相同，進口軟件無法滿足中國的全部地理環(huán)境、設備制造等需求，當理論模型與實際參數(shù)不一致時，就需要對軟件進行邊界條件的定制以及對理論模型進行修訂或優(yōu)化，定制和優(yōu)化的限制將嚴重影響風機制造和風電場運行的安全和效率。此外，在我國風電進入平價甚至低價發(fā)展的階段，不菲的軟件授權費用將給整機企業(yè)帶來更高的成本壓力。為了擺脫被“卡脖子”的被動和隱憂，我國風電專用軟件的自主研發(fā)之路已迫在眉睫。

2.5.2 數(shù)據(jù)采集處理軟件

風電場運營過程中，數(shù)據(jù)的采集和處理均高度依賴進口傳感器和國外專用處理軟件，存在數(shù)據(jù)泄露風險，嚴重威脅我國海洋權益保護和海洋安全，迫切需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息技術自給和軟件研發(fā)。

2.6 標準和認證體系缺乏國際影響力

歐洲已建立較為完善且國際通用的標準體系，覆蓋了風電設計認證、型式認證、項目認證和部件認證的全環(huán)節(jié)，且檢測認證能力也是全球領先。全球共7家經(jīng)IECRE（可再生能源設備認證體系）機構認證的認證機構，歐洲有6家。而國內海上風電標準是在陸上風電與海上油氣開發(fā)等標準體系上進行拓展延伸的［7］，存在環(huán)節(jié)覆蓋不全面、環(huán)境不適用、標準不嚴格等情況。伴隨著海上風電的規(guī)?；l(fā)展，我國風電企業(yè)國際競爭參與度越來越高，缺乏具有國際影響力的國際標準和監(jiān)測認證體系將嚴重制約海上風電設備及服務出口。

3 海上風電產業(yè)鏈自主可控能力提升建議

3.1 研發(fā)關鍵基礎材料，助力產業(yè)鏈自主供應能力提升

加強對現(xiàn)有制備技術進行改進，開發(fā)新型紡絲、碳化技術等，實現(xiàn)紡絲速度、能效全面提升，開展碳纖維大絲束化制備技術研究，加強碳纖維產業(yè)化成套裝備設計與制造能力提升，發(fā)展48 K以上低成本紡織級原絲及工業(yè)級碳纖維制備技術，實現(xiàn)我國高性能纖維及其復合材料技術比肩國際前沿發(fā)展，全面筑牢碳纖維工業(yè)應用的壓艙石。加強海洋重防腐涂料研制，重點關注長壽命、低表面處理、高固體分、無溶劑水性防腐涂料及海洋環(huán)保性防腐涂料等研發(fā)，加強涂料涂裝工藝的研究，改進海洋防腐涂料的防腐性能和施工性能，提高配套涂料體系的科學性與合理性，以適應不同海上風電應用場景中各類裝備的不同防腐要求。

3.2 聚焦核心工藝，夯實先進制造基礎

加強厚大球墨鑄鐵鑄造工藝、成分設計、熔煉、球化及孕育處理等工藝環(huán)節(jié)研究和工藝固化，提升鑄鐵探傷檢測技術水平和精度，實現(xiàn)厚大球墨鑄鐵件生產連續(xù)性和性能穩(wěn)定性的嚴格控制。重點布局超高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣擠出工藝技術，大長度絕緣、擠鉛及護套連續(xù)生產技術，大截面和大水深阻水技術，柔性直流電纜絕緣結構設計技術等海纜生產關鍵技術，加強超深水和動態(tài)化設計技術攻關，為海上風電規(guī)?；⒋笕萘?、遠距離電力傳輸提供可靠輸送介質。

3.3 發(fā)力PLC和IGBT等核心器件，破解中國“芯”難題

加強PLC軟硬件系統(tǒng)所需CPU、FPGA、MCU、DDR3、Flash、EEPROM、以太網(wǎng)PHY等核心芯片自研力度，著重研究復雜的工程項目中快速編譯技術、風力發(fā)電機組的工藝化軟件控制策略等核心技術，并開發(fā)能夠在不同操作系統(tǒng)間通用的編譯編程軟件以及監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）軟件，擺脫PLC主控系統(tǒng)軟件依賴國外操作系統(tǒng)運行的問題［8］。不斷提升硅晶圓薄片工藝、高電壓的IGBT封裝材料研究，推進國產化光刻機、離子注入設備等研發(fā)，減少IGBT原材料和生產設備進口依賴，聚焦減薄工藝、背面工藝研究，加強IGBT芯片以及模組的設計、制造、封裝及測試技術，加快實現(xiàn)高電壓、大電流、高頻率、高可靠性功率芯片研發(fā)與產業(yè)化。

3.4 突破高端海洋裝備，逐浪“高精尖”海洋產業(yè)

探索海洋觀測的新概念、新原理、新方法，著力研發(fā)微型、智能、高精度、低功耗的新型深海多學科傳感器，覆蓋動力環(huán)境、生物地球化學要素、生物基因、聲場、電磁、重力等多種環(huán)境觀測功能［9］；支持開展深海芯片級、量子型新原理海洋傳感器前沿研究，打破美國、挪威、日本、英國等國在傳統(tǒng)海洋傳感器方面的技術壟斷。加強水下實時通信、水下高精度導航定位、水下自主探測識別、傳感器系統(tǒng)觀測、能源自主補給、水下自動對接/接駁/布放/回收等關鍵基礎技術研究布局，筑牢海洋科學觀測儀器、設備及系統(tǒng)的發(fā)展基礎。

3.5 堅持技術自給和信息保護，捍衛(wèi)海洋權益和國防安全

加強大型機組結構非線性、大變形、大位移和氣動特性等理論基礎研究，開展針對我國海洋環(huán)境特點的海上風資源評估及風電場風機布置軟件國產化研發(fā)。加大力度推動國產化操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等軟件基礎研發(fā)及應用，加快推進去IOE（IBM/Oracle/EMC）進程，構建安全可控的信息技術體系，實現(xiàn)核心業(yè)務架構國產化，保障信息安全。

3.6 構建國際標準和認證體系，筑牢技術壁壘

加強探索海上風電重大工程創(chuàng)新、核心技術攻關、專利技術和自主知識產權的標準化、國際化方法路徑，加快構建與國際接軌的海上風電國際標準與認證服務體系，進一步提升我國在國際標準化組織中的影響力，打造具有國際影響力的認證機構，建立海上風電技術壁壘，加強國內風電企業(yè)在國際競爭中的技術優(yōu)勢。

4 結論

海上風電產業(yè)發(fā)展不僅對構建清潔低碳安全高效的能源體系具有重要支撐作用，同時也預期將促進一個萬億規(guī)模的海洋高端裝備制造產業(yè)集群的形成。當前，雖然海上風電全產業(yè)鏈大部分環(huán)節(jié)已經(jīng)實現(xiàn)了國產化，但海上風電產業(yè)核心技術攻關任務依然緊迫，部分關鍵材料、核心工藝、高端裝備、自研軟件等環(huán)節(jié)仍然存在卡點。借著海上風電規(guī)模化發(fā)展機遇，應加強核心技術攻關，實現(xiàn)關鍵核心技術自主可控，從而保障國家能源安全、經(jīng)濟安全和國防安全，促進我國相關產業(yè)向全球價值鏈中高端邁進。

參考文獻

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（編輯 李春燕編輯）

Research and enhancement suggestions for independent controllability in the offshore wind power industry chain

Chi? Yawei， Yu? Wenbo， Zheng? Jiangshan， Yuan? Yibo

（Shanghai Investigation Design & Research Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200335， China）

Abstract： The industry chain of offshore wind-power is long and closely correlated， requiring strong technological leadership. Its localization progress will not only advance the development of offshore wind power resources and the implementation of the “dual carbon” strategy in China， but also push forward manufacturing capabilities in many high-level industry like aerospace， new energy vehicles， robots and precision instruments. After years of continuous research， localization of major offshore wind power equipment has basically achieved in China. However， due to weakness in independence capability， we still rely on imports for some key components and software， causing some limitation in units amplification， domestic production capacity for integrated equipment， cost reduction， etc. Through survey of whole offshore wind-power industrial chain， this article analyzes the insufficiency in independency from several aspects， including raw materials， manufacturing processes， components， software and standard certification. Based on abroad advanced experience in offshore wind power， suggestions are proposed to improve the independent controllability and localization of offshore wind power industry chain.

Key words： offshore wind power; industry chain; independent controllability

基金項目：上海勘測設計研究院有限公司科標業(yè)；項目名稱：雙碳及國際航運中心背景下上海深遠海海上風電發(fā)展戰(zhàn)略研究；項目編號：2023FD（83）-002。

作者簡介：池亞微（1992—），女，工程師，博士；研究方向：新能源，產業(yè)規(guī)劃，電力市場。