海上风电产业链自主可控能力研究与提升建议

池亚微　余文博　郑江珊　袁逸博

摘要：海上风电产业链长、关联度大、技术先导性强，其国产化进程不仅直接关系到我国海上风电资源开发和沿海城市“双碳”目标落实进程，也与航空航天、新能源汽车、机器人、精密仪器等高端领域工业制造能力息息相关。经过多年持续攻关，我国海上风电重大装备已基本实现国产化，但部分关键零部件及软件自主可控能力仍旧不足，需要依赖进口，引发了国产整机产能受限、机组大型化受限、成本下降缓慢等问题。文章通过对产业链上下游的调研，分析了目前海上风电产业链在原材料、制造工艺、零部件、软件、标准认证等方面存在的自主可控能力不足的问题，结合国外先进经验提出提升措施建议，以期为我国海上风电自主可控能力提升及国产化步伐推进助力。

关键词：海上风电；产业链；自主可控能力

中图分类号：TK89 文献标志码：A文献标志码

0 引言

海上风电具有资源丰富、发电功率大、距离负荷中心近等优点，是促进能源结构优化、实现“双碳”目标的重要举措。在国家政策的大力支持下，我国海上风电行业呈现快速发展态势，截至2022年，累计装机容量达3251万kW，持续保持全球第一地位。近2年，全国各地纷纷出台了海上风电发展规划，其中，“十四五”期间规划开发规模约8000万kW，预计到2030年累计装机将超过2亿kW。经过多年发展，我国海上风电行业发展已逐渐实现专业化，海上风电产业链各环节不断开拓创新，核心技术和重大装备研发不断取得突破，全产业链国产化率已达95%以上。然而，我国海上风电技术水平与欧洲海上风电强国仍存在差距，在基础软件、核心硬件、基础原材料等领域仍存在短板，部分关键零部件依然需要依赖进口，从而导致装备产能受限、成本下降缓慢、性能提升困难、机组大型化受阻。其中，部分技术痛点也是影响我国航空航天、新能源汽车、机器人、精密仪器等高端领域工业制造能力提升的关键因素。增强产业链自主可控能力、提升产业链现代化水平，一直是关乎我国经济安全和高质量发展的关键议题，对于建设制造强国意义重大。因此，对海上风电产业链自主可控水平及提升措施的研究，对于保障国家能源安全、经济安全和国防安全至关重要，是促进我国相关产业向全球价值链中高端迈进的必要手段。

1 国内海上风电产业发展现状

我国海上风电产业经过10多年的发展，已具备较好的技术储备、产业链基础和规模化发展条件。目前，我国已具备自主完成大型海上风电机组设计、研发、生产、安装、调试及运营的全面能力，海上风电机组产业链体系完备，全产业链国产化率已达95%以上，目前已推出的海上风电机组最大单机容量达到20 MW，最长叶片超过120 m，漂浮式风电机组、6 MW以上主轴承和PLC主控系统均实现了零的突破。在实现自主化创新的同时，我国风电设备已经实现了向30多个国家的出口，风电机组的产量占全球的2/3以上，发电机、轮毂、机架、叶片、齿轮箱、轴承等零部件产量占全球的60%～70%。在设计施工方面，新型海上测风设备及海底岩土工程勘测手段应用均取得进展，浅海风电机组基础技术成熟，升压站施工及海缆敷设技术不断精进，首座换流站顺利安装，自航自升式平台成为主流。在海上风电并网输电方面，国内高压交流输电系统技术成熟、应用广泛，柔性直流送出技术的垄断被打破，低频输电技术已开展试点示范，大容量、紧凑型海上升压站设计水平持续提升，330 kV或500 kV送出+66 kV集电方案已进入初步探索阶段。在海上风电运维环节，运维模式逐步向以状态检修为主、计划检修与故障检修为辅的模式转变，采集监视、气象预报、船舶运维等智能化运维技术初步应用，专业运维母船设计初具成效。产业融合发展方面，海上风电与海洋观测网站、海洋牧场融合已经取得应用成果，与制氢、漂浮式光伏融合均有试点推动，与能源岛和旅游融合仍处于概念设计及理论研究阶段。

在我国海上风电向“深远海”推进的过程中，大容量、漂浮式、新型送出系统、新型海洋经济等都是重点发展方向。其中，大容量整机和子系统零部件的技术研究与开发、漂浮式机组示范和小批量验证、柔性直流送出技术、漂浮式机组动态电缆技术、紧凑化轻型化海上换流站技术以及海上风电与渔业、制氢/制氨、能源岛等多种海洋经济的融合，都有望为行业带来技术创新和突破。海洋工程和装备方面，高效的施工技术、起重大和起吊高的专业自动化海上风电安装平台的设计建造也将是未来重点发展的方向。

2 海上风电产业链现状和存在问题

2.1 关键基础材料研发不足

2.1.1 碳纤维

碳纤维作为21世纪的“新材料之王”，在风电机组大型化趋势下，以其轻量、高强度、高模量优势，逐渐成为制造风电机组超长柔性叶片最理想的材料。在海上风电爆发增长和风机大型化趋势下，风电逐渐成为推动碳纤维需求增长的第一动力。2021年，国内风机叶片碳纤维需求量占全部需求量的36%，未来随着10MW以上大型机组批量应用，该需求还有望进一步提升。碳纤维生产全过程涉及3000多个工艺点，生产流程复杂，技术关键点较多，预氧化、原丝制备、碳化/石墨化等技术壁垒严重制约了碳纤维质量和产能的提升。目前，我国原丝生产设备大量依赖进口，高级别碳纤维生产设备性能与国外有明显差距，进口核心设备由于适配性问题，常导致生产线运行及产品质量不稳定，引发高产能、低产量现象［1］。

2.1.2 海洋防腐涂料

海洋防腐技术对风电机组的可靠运行至關重要，涂层防腐是海上风电设备最常用的防腐手段。海洋防腐涂料科技含量较高［2］，其研发具有周期长、投资大、门槛高且风险大的特点，我国海洋防腐涂料的95%以上市场主要被荷兰阿克苏诺贝尔、美国PPG、德国汉高、美国杜邦、美国RPM、德国巴斯夫、丹麦Hemple、挪威Jotun等公司占据，国内海洋防腐涂料的生产大部分聚焦在中低端涂料市场。

2.2 制造工艺待突破

2.2.1 铸造工艺

铸件是重工装备制造业的关键基础部件之一，其应用领域较为广泛。根据中国铸造协会测算，每兆瓦风电需要20～25 t铸件，主要用于轮毂、底座、轴及轴承座、梁、齿轮箱等部件，海上风电机组运行环境恶劣，对铸铁件性能和稳定性要求更高，因此多以厚大断面球墨铸铁件为主。但厚大断面球墨铸铁件的熔体成分、内在组织、铸件性能、外观质量等不易精准控制，故生产难度较大。虽然我国有很多可生产此类铸件的企业，但具备连续、稳定生产高质量的厚大断面球墨铸铁件条件的企业较少。

2.2.2 海缆制造工艺

随着风电场离岸距离增加，超长、高电压等级、大容量直流海缆需求持续提升。该类海缆生产需要克服导体绞合、绝缘材料交联挤出及脱气、大直径铅套挤制工艺等诸多技术挑战，其中导体绞合、铅套挤制质量直接影响到海缆的阻水性能，绝缘挤制和除气工艺则关系到海缆绝缘性能优劣［3］。欧洲海上风电场离岸距离较远，已投运项目普遍选用±320 kV直流电缆，国外多家厂商已具备±525 kV直流海缆的技术，国内直流海缆生产技术尚处于起步阶段，目前仅有极少数企业攻破了500 kV海缆批量生产技术。

2.3 核心零部件依赖进口

2.3.1 PLC

作为风电机组“大脑”的核心部件，PLC（可编程逻辑控制器）性能直接关系着国产化风电机组的发电能力与运行效率。PLC元器件和软件的应用范围几乎涵盖所有工业领域，是生产制造系统、重大基础设施和军用装备的通用基础核心控制设备。然而，由于我国PLC系统底层的现场仪表和上层的综合自动化软件基础薄弱［4］，国内95%以上PLC市场被西门子、三菱、欧姆龙等国外企业占据，国内风电行业PLC市场则基本上被西门子、Beckhoff、B&R和Bachmann壟断。

2.3.2 IGBT

作为风电变流器的IGBT（绝缘栅双极晶体管）也是另外一个亟须国产化的核心器件。鉴于IGBT在设计及工艺上的高要求，加之国内在这一领域的技术人才短缺和工艺基础薄弱，且企业产业化起步较晚［5］，因此，英飞凌、三菱、富士电机等大型国际企业长期主导了IGBT市场。目前，国内IGBT自给率不足30%，难以满足“双碳”目标下快速增长的新能源产业需求，国外企业IGBT超长的交付周期和高昂的价格持续制约着新能源产业发展。IGBT等核心器件的国产化不仅对海上风电成本降低、运行安全稳定至关重要，更对推动我国集成电路和半导体产业发展、实现新一代半导体产业的自主可控具有重要的战略意义。

2.4 高端海洋科学观测装备稀缺

海洋地形地质、水文、气象、生物、灾害等勘察观测既是海上风电场的规划设计、施工建设、运营运维的重要输入数据，也是海洋防灾减灾、海洋经济发展、海洋科技创新、海洋权益维护和海洋生态文明建设的重要支撑。海洋勘察需要探测平台和观测装备的配合，我国包括温盐深仪（CTD）、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、海洋岩土测试仪器等在内的海洋观测装备严重依赖进口［6］，国产装备研制大多处于原理样机或工程样机阶段，且存在体积较大、功耗较高、可靠性和稳定性较差等问题，参与国际市场竞争的实力薄弱，一些核心技术仍待攻关，需要建立起真正自主知识产权的综合性、系统性、国产化的海洋科研装备研发和产业化体系。

2.5 软件自主研发能力不足

2.5.1 风机仿真分析软件

当前国内常用风机载荷仿真分析、风资源数据分析、翼型气动设计软件等专业软件基本来自欧美国家，普遍存在无法适应国内资源环境、创新升级受限、授权费用过高等问题。早期我国风电发展过程中对于设计研发的忽视以及细分领域专业软件商业价值得不到体现，而长期依赖国外软件则使得软件的使用和升级受限。由于国内外自然环境差异，风资源、地形地势、运行场景不尽相同，进口软件无法满足中国的全部地理环境、设备制造等需求，当理论模型与实际参数不一致时，就需要对软件进行边界条件的定制以及对理论模型进行修订或优化，定制和优化的限制将严重影响风机制造和风电场运行的安全和效率。此外，在我国风电进入平价甚至低价发展的阶段，不菲的软件授权费用将给整机企业带来更高的成本压力。为了摆脱被“卡脖子”的被动和隐忧，我国风电专用软件的自主研发之路已迫在眉睫。

2.5.2 数据采集处理软件

风电场运营过程中，数据的采集和处理均高度依赖进口传感器和国外专用处理软件，存在数据泄露风险，严重威胁我国海洋权益保护和海洋安全，迫切需要实现数据及信息技术自给和软件研发。

2.6 标准和认证体系缺乏国际影响力

欧洲已建立较为完善且国际通用的标准体系，覆盖了风电设计认证、型式认证、项目认证和部件认证的全环节，且检测认证能力也是全球领先。全球共7家经IECRE（可再生能源设备认证体系）机构认证的认证机构，欧洲有6家。而国内海上风电标准是在陆上风电与海上油气开发等标准体系上进行拓展延伸的［7］，存在环节覆盖不全面、环境不适用、标准不严格等情况。伴随着海上风电的规模化发展，我国风电企业国际竞争参与度越来越高，缺乏具有国际影响力的国际标准和监测认证体系将严重制约海上风电设备及服务出口。

3 海上风电产业链自主可控能力提升建议

3.1 研发关键基础材料，助力产业链自主供应能力提升

加强对现有制备技术进行改进，开发新型纺丝、碳化技术等，实现纺丝速度、能效全面提升，开展碳纤维大丝束化制备技术研究，加强碳纤维产业化成套装备设计与制造能力提升，发展48 K以上低成本纺织级原丝及工业级碳纤维制备技术，实现我国高性能纤维及其复合材料技术比肩国际前沿发展，全面筑牢碳纤维工业应用的压舱石。加强海洋重防腐涂料研制，重点关注长寿命、低表面处理、高固体分、无溶剂水性防腐涂料及海洋环保性防腐涂料等研发，加强涂料涂装工艺的研究，改进海洋防腐涂料的防腐性能和施工性能，提高配套涂料体系的科学性与合理性，以适应不同海上风电应用场景中各类装备的不同防腐要求。

3.2 聚焦核心工艺，夯实先进制造基础

加强厚大球墨铸铁铸造工艺、成分设计、熔炼、球化及孕育处理等工艺环节研究和工艺固化，提升铸铁探伤检测技术水平和精度，实现厚大球墨铸铁件生产连续性和性能稳定性的严格控制。重点布局超高压交联聚乙烯绝缘挤出工艺技术，大长度绝缘、挤铅及护套连续生产技术，大截面和大水深阻水技术，柔性直流电缆绝缘结构设计技术等海缆生产关键技术，加强超深水和动态化设计技术攻关，为海上风电规模化、大容量、远距离电力传输提供可靠输送介质。

3.3 发力PLC和IGBT等核心器件，破解中国“芯”难题

加强PLC软硬件系统所需CPU、FPGA、MCU、DDR3、Flash、EEPROM、以太网PHY等核心芯片自研力度，着重研究复杂的工程项目中快速编译技术、風力发电机组的工艺化软件控制策略等核心技术，并开发能够在不同操作系统间通用的编译编程软件以及监控与数据采集（SCADA）软件，摆脱PLC主控系统软件依赖国外操作系统运行的问题［8］。不断提升硅晶圆薄片工艺、高电压的IGBT封装材料研究，推进国产化光刻机、离子注入设备等研发，减少IGBT原材料和生产设备进口依赖，聚焦减薄工艺、背面工艺研究，加强IGBT芯片以及模组的设计、制造、封装及测试技术，加快实现高电压、大电流、高频率、高可靠性功率芯片研发与产业化。

3.4 突破高端海洋装备，逐浪“高精尖”海洋产业

探索海洋观测的新概念、新原理、新方法，着力研发微型、智能、高精度、低功耗的新型深海多学科传感器，覆盖动力环境、生物地球化学要素、生物基因、声场、电磁、重力等多种环境观测功能［9］；支持开展深海芯片级、量子型新原理海洋传感器前沿研究，打破美国、挪威、日本、英国等国在传统海洋传感器方面的技术垄断。加强水下实时通信、水下高精度导航定位、水下自主探测识别、传感器系统观测、能源自主补给、水下自动对接/接驳/布放/回收等关键基础技术研究布局，筑牢海洋科学观测仪器、设备及系统的发展基础。

3.5 坚持技术自给和信息保护，捍卫海洋权益和国防安全

加强大型机组结构非线性、大变形、大位移和气动特性等理论基础研究，开展针对我国海洋环境特点的海上风资源评估及风电场风机布置软件国产化研发。加大力度推动国产化操作系统、数据库等软件基础研发及应用，加快推进去IOE（IBM/Oracle/EMC）进程，构建安全可控的信息技术体系，实现核心业务架构国产化，保障信息安全。

3.6 构建国际标准和认证体系，筑牢技术壁垒

加强探索海上风电重大工程创新、核心技术攻关、专利技术和自主知识产权的标准化、国际化方法路径，加快构建与国际接轨的海上风电国际标准与认证服务体系，进一步提升我国在国际标准化组织中的影响力，打造具有国际影响力的认证机构，建立海上风电技术壁垒，加强国内风电企业在国际竞争中的技术优势。

4 结论

海上风电产业发展不仅对构建清洁低碳安全高效的能源体系具有重要支撑作用，同时也预期将促进一个万亿规模的海洋高端装备制造产业集群的形成。当前，虽然海上风电全产业链大部分环节已经实现了国产化，但海上风电产业核心技术攻关任务依然紧迫，部分关键材料、核心工艺、高端装备、自研软件等环节仍然存在卡点。借着海上风电规模化发展机遇，应加强核心技术攻关，实现关键核心技术自主可控，从而保障国家能源安全、经济安全和国防安全，促进我国相关产业向全球价值链中高端迈进。

参考文献

［1］荆云娟，崔博，马军，等.碳纤维复合材料产业链发展现状［J］.合成纤维，2023（10）：37-42.

［2］陈建华.船舶重防腐涂料的发展方向研究［J］.中国水运（下半月），2019（10）：122-123.

［3］李特，王少华，姜文东，等.交流500 kV交联聚乙烯海缆制造工艺控制要点［J］.浙江电力，2018（6）：1-5.

［4］饶志波.国产PLC发展任重道远［J］.自动化博览，2020（4）：22-23.

［5］王芳.平价之下，变流器之变［J］.风能，2022（8）：26-32.

［6］马蕊，赵修涛，柳存根.海洋水下立体观测技术装备发展研究［J］.中国工程科学，2020（6）：19-25.

［7］曹毅，涂亮，聂金峰，等.欧洲海上风电标准化经验及其对我国的启示［J］.南方电网技术，2019（3）：3-11.

［8］曾卫东，于景龙，王介昌，等.国产风电机组主控系统开发与应用［J］.热力发电，2022（12）：1-9.

［9］宋宪仓，杜君峰，王树青，等.海洋科学装备研究进展与发展建议［J］.中国工程科学，2020（6）：76-83.

（编辑 李春燕编辑）

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

基金项目：上海勘测设计研究院有限公司科标业；项目名称：双碳及国际航运中心背景下上海深远海海上风电发展战略研究；项目编号：2023FD（83）-002。

作者简介：池亚微（1992—），女，工程师，博士；研究方向：新能源，产业规划，电力市场。