風場要求發(fā)生變化！
—風機的性能與可靠性變得比以往更加重要
研究項目概要
本研究主要以一個全球性風能發(fā)電行業(yè)調(diào)查中參與者的答卷為基礎(chǔ)。研究旨在更好了解風機制造商和運營商在變槳控制方面的需求。該調(diào)查通過電話進行，并得到58個公司的參與及答復，其中風場運營商28家，風機制造商21家，其它9家企業(yè)多數(shù)為咨詢公司。同時也參考了另一個關(guān)于狀態(tài)監(jiān)控的全球性調(diào)查，作為二級研究。
執(zhí)行摘要
排除宏觀經(jīng)濟影響的因素，風能源領(lǐng)域共有三種關(guān)鍵的趨勢將可能會在中期內(nèi)影響風機的設(shè)計：
越來越多的新風場將位于氣候條件惡劣的偏遠地方。陸上與海上風場都有這種趨勢。
風力發(fā)電量占總供電量的比例將不斷增大，因而要求更準確的發(fā)電量預測以及滿足并網(wǎng)規(guī)范要求。
風機效率將變得更加重要，尤其在成熟市場。
這些趨勢將在以下幾方面影響風機的技術(shù)規(guī)格和參數(shù)：
風機尺寸不斷增大要求風場運營商增加資金投入，一旦風機發(fā)生故障運營商的損失也更大。
因此，風場營運商最關(guān)注的焦點將是風機的可靠性。
風機尺寸增大、海上安裝以及偏遠荒蕪的地點可能將增加對狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的使用。
隨著風機尺寸不斷增大，變槳控制系統(tǒng)的重要性可能也將增大，因為它們在滿足并網(wǎng)規(guī)范要求、提高風機效率、以及載荷控制方面起著一定的作用。鑒于相同的原因，對獨立變槳控制技術(shù)的采用也可能增多。
在應對這些問題的同時保持快速的增長將是巨大的挑戰(zhàn)。風機制造商需要與關(guān)鍵的系統(tǒng)供應商建立起互惠互利的關(guān)系以提高效績，擴大產(chǎn)能，同時擴大覆蓋的地域范圍。
將影響未來風機設(shè)計的三個主要趨勢
1） 新風場多位于氣候條件惡劣的偏遠地方
隨著風能日益重要，越來越多的新風場將位于環(huán)境條件惡劣且交通不便的偏遠地區(qū)。
上風電尤其構(gòu)成艱巨挑戰(zhàn)
海上風場尤其如此。海上風力發(fā)電能力將增長迅速，2010年至2014年之間全球預計將安裝的新發(fā)電能力將達13,500 兆瓦。當前的海上風機已經(jīng)能夠應對強風條件和高達一米以上海浪的挑戰(zhàn)。
隨著海上風場的數(shù)量不斷增加，其位置將極有可能處于距離海岸越來越遠的遠海地區(qū)。以英國為例，2005年至2009 年開工項目風機所在地點的平均最大水深為15.6米，而2010年至2014年間開工項目風機所在地點的平均最大水深預計將增加到27.1米。同樣，離岸距離預計也將從9.1公里增加到19.8公里。
陸上風場所在位置也日具挑戰(zhàn)性
陸上風場也有此趨勢，即越來越多的新風場位于氣候條件差的偏遠地區(qū)。以中國為例，中國已經(jīng)宣布到2020年準備興建七個風力發(fā)電基地，每個基地的發(fā)電能力均達10千兆瓦以上。其中兩個基地位于內(nèi)蒙古的東部和西部。內(nèi)蒙古氣候惡劣，冬季時間長，溫度會降至零下23°C，且常爆發(fā)大風雪。而在短暫的夏季，則時常出現(xiàn)沙塵暴 。
2）風能發(fā)電量將占總供電量的一大部分
總供電量中風能發(fā)電量份額增長，尤其在歐洲
國際能源機構(gòu)（IEA）在其基準情景中預期，假定能源政策不發(fā)生重大變化，則風能在全球發(fā)電總量中所占的比重將從2007年的0.9%上升到2020年的3.7%，到2030年則會達到4.5%。根據(jù)其450情景假定各國積極配合控制溫室氣體排放量，則風能所占比重到2020年將提高到5.1%，到2030年將達到9.3%。而歐洲風能所占比重將比世界平均值高出很多。IEA在其基準情景中預計，到2030年風能比例將提高到14.6%，而在其450情境中則預計歐盟范圍內(nèi)的風能比重將升至20.1%。而且丹麥和西班牙的比重可能還高于此比例。
風場規(guī)模增大
風場規(guī)模也相應增大，50兆瓦以上規(guī)模的風場已經(jīng)變得司空見慣，中國、美國和海上風電尤為如此。此外，在一個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)風場群的現(xiàn)象也將更加普遍（如在中國）。隨著風場規(guī)模的增大，其對當?shù)氐挠绊懥σ蚕鄳岣撸驗樗鼈冊谠搮^(qū)域內(nèi)的總發(fā)電量的比例也隨之增大。
風機尺寸越來越大
預計風機的尺寸也將進一步增大。2009年風機平均尺寸增加到1,599千瓦。這一數(shù)據(jù)可能還將進一步增大，因為在新的地點安裝的都是更大型的風機，而且歐洲的現(xiàn)有風機也正在由新的型號所取代。
歐洲的成熟市場如丹麥、西班牙和德國對原有老舊的較小型風機進行增容改造以提高優(yōu)質(zhì)風場的發(fā)電量，這將加強此趨勢的發(fā)展。參與調(diào)查的作答者普遍同意，風機的增容改造將在歐洲變得日益重要。
“有些風場幾乎已經(jīng)運作了10年，因此我們在接下來的10年內(nèi)將看到其中很多開展增容改造工作。丹麥和德國目前已經(jīng)開始了小規(guī)模改造項目。”（歐洲風機制造商）
“在歐洲，土地有限，而且很多發(fā)電廠已經(jīng)老舊，因而不得不被取代（美國風機制造商）
準確的發(fā)電量預測以及滿足并網(wǎng)規(guī)范要求重要將日益突顯
體排放量，則風能所占比重到2020年將提高到5.1%，到2030年將達到9.3%。而歐洲風能所占比重將比世界平均值高出很多。IEA在其基準情景中預計，到2030年風能比例將提高到14.6%，而在其450情境中則預計歐盟范圍內(nèi)的風能比重將升至20.1%。而且丹麥和西班牙的比重可能還高于此比例。準確的發(fā)電量預測以及滿足并網(wǎng)規(guī)范要求重要將日益突顯隨著風力發(fā)電量在總發(fā)電量中所占份額越來越高，將要求進行準確的發(fā)電量預測以使系統(tǒng)營運商能夠有效規(guī)劃其它發(fā)電資源的操作。這一要求在風能裝機容量份額達到5% 時會變得更加重要，而份額達到10%時則會變得不可或缺。當風能份額日益增大時，滿足并網(wǎng)規(guī)范要求的重要性也日益凸顯。關(guān)鍵領(lǐng)域包括：
容差：這要求風場在最大和最低電壓限制之間運行。
無功功率控制：一個風場可能被要求在發(fā)電時以固定的功率因數(shù)運行，或者調(diào)節(jié)其反應式功率消耗量或發(fā)電量，以將電壓控制在設(shè)定點。
有功功率控制：這通常要求將一個風場或風場群的總發(fā)電量保持在一定水平以下。風場也可能需要控制斜率或輸出功率升高率。有時還要求進行頻率控制，即在頻率較低時增加輸出，在頻率較高時減小輸出。
3）更多焦點集中于改進成熟市場內(nèi)的風機效率
與2003年的23% 相比，2008年最大15個風場運營商的風力發(fā)電量占總風力發(fā)電量的35%。而其中的9個是公用事業(yè)公司。由于公用事業(yè)公司的現(xiàn)金充足，而且不像開發(fā)商那樣面對財政限制，其風力發(fā)電量的份額將繼續(xù)增長。
公用事業(yè)公司發(fā)揮的作用不斷增加，使得其將更多焦點集中在改進風機效率上。他們將需要更加可靠的解決方案，并將焦點集中在風機效率、正常運行時間以及成本管理等方面。
參與調(diào)查的作答者普遍同意，營運商正在擴大風力發(fā)電的規(guī)模，因而需要更高級別的操作效率。
“大的能源供應商將成為主要的風場營運商。這也意味著對質(zhì)量和效率的要求將更加嚴苛。”（歐洲咨詢公司）
“經(jīng)營的大電廠越多，他們越關(guān)注發(fā)電效率問題。”（歐洲風機制造商）
影響 – 可靠性、狀態(tài)監(jiān)控和變槳控制將變得更加重要
這些趨勢可能會改變風場運營商管理和考核效績時所考量的因素，進而影響其采購風機時所看重的性能屬性。
A-可靠性將越來越重要
可靠性將成為采購決策中一個重要的影響因素
參與調(diào)查的作答者普遍同意，可靠性已經(jīng)成為越來越重要的影響營運商采購決策的因素。
“運營商希望獲得更大的產(chǎn)能，因而風機系統(tǒng)有向更大規(guī)格發(fā)展的趨勢。不過，系統(tǒng)越大（因而產(chǎn)能越高），當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時所蒙受的損失也越大。換句話說，可靠性和正常運行時間極為重要。”（歐洲咨詢公司）
“技術(shù)可用性更加重要，即使（風機的）價格更高也在所不惜。我們的合約保證技術(shù)可用性和實際的性能。如果未達到這些要求，我們提供補救整改和/或賠償。”（美國風機制造商） “它（可靠性）變得更加重要。發(fā)電廠已經(jīng)改進，可用性得到提高，因而，營運商的期望也相應提高。”（歐洲風機制造商） 
對于海上風場，可靠性尤為重要
在參與調(diào)查的作答者看來，可靠性對海上風機尤為重要，因為一旦發(fā)生故障，這些地點較難接近，而且花費高昂。“我們主要經(jīng)營海上風場，那里可靠性極其重要。與陸上風場相比，海上風場更難接近，因而使停機時間及更換維修成為比實際備件的成本更關(guān)鍵的考慮因素。”（歐洲風場運營商）
“海上系統(tǒng)需要更具抵抗力（防腐），并配備可靠的備用系統(tǒng)，以打造100%正常運行/發(fā)電輸送的無故障系統(tǒng)。同樣，因為從物流保障角度來說，海上系統(tǒng)的維護和修理更加困難。”（歐洲風場運營商）
B-狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)將變得更加普遍
于以下若干原因，通常用來對齒輪箱、軸承和發(fā)電機進行監(jiān)視的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)將極有可能在未來被廣泛采用。首先，風機尺寸不斷增大使營運商在一旦發(fā)生故障時蒙受巨大的損失并支付昂貴的修理費用。營運商因此更愿意投資監(jiān)控系統(tǒng)以便在早期就能檢測到任何潛在的問題，進行預防性維護，從而最大程度減少停機意外的發(fā)生。
“其它一個重要的因素是風機的尺寸。如果我擁有一臺價格二百萬美元的機器，而齒輪箱就花費五十萬美元，那么我一定想使用狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。”（美國風場運營商）
其次，運營商認為，狀態(tài)監(jiān)控對海上風機比對陸上風機更為重要，因為海上風機不易接近且維護成本高。因而海上風場的增加勢必將帶動狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的增長。
“其主要目標是盡可能將平均故障間隔時間保持在最低，尤其是海上風機，因為海上風機的維護需要花費更高費用并承受更大風險。因此，狀態(tài)監(jiān)控至關(guān)重要，尤其是不易接近的海上風場。”（歐洲風場運營商）
第三，運營商們認為位于惡劣環(huán)境條件下的風機更需要狀態(tài)監(jiān)控。如我們前面所看到的，位于此等地點的風機數(shù)量可能隨著時間的發(fā)展而不斷增加。
“如果風機位于風速極強的環(huán)境中，其發(fā)生故障的幾率較高，因此我們會在強風風場安裝狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。”（歐洲風場運營商）
第四，保險公司越來越多地要求為海上風機安裝狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，而且對于安裝此系統(tǒng)的陸上風機可能會提供較優(yōu)惠的條款。
“保險公司在過去的兩到三年里已經(jīng)開始詢問狀態(tài)監(jiān)控并更多要求健康監(jiān)控，尤其針對海上機。”（美國風機制造商）
最后，大型公用事業(yè)公司更加愿意投資狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，因為他們在其它發(fā)電形式中已經(jīng)采用此類系統(tǒng)并清楚了解該種系統(tǒng)所提供的價值。
C-變槳控制系統(tǒng)也將日益重要
可能更加關(guān)注變槳控制系統(tǒng)
如前所述，準確預測能力以及符合并網(wǎng)規(guī)范要求的能力將隨著風能發(fā)電量在總發(fā)電量中份額的不斷增大而日益重要。其中的一些要求可通過改變風場輸出來滿足，而如果風場使用變槳控制風機，實現(xiàn)此目的則相對容易一些。隨著這些要求變得日益嚴格，改進的變槳控制系統(tǒng)在滿足這些要求方面所起的作用可能將會不斷增大。
對改善成熟市場中風機效率的日益關(guān)注也可能刺激對變槳系統(tǒng)的興趣，因為這些系統(tǒng)可通過減小摩擦和/或更好利用風能幫助改善風機操作。
此外，風機尺寸的增大也將會提高變槳系統(tǒng)的重要性，因為變槳控制系統(tǒng)可有效管理載荷，從而減少對元器件的磨損，同時最大程度縮短停機時間，并延長使用壽命。
也可能更多地采用獨立變槳控制（IPC）技術(shù)
獨立變槳控制可實時動態(tài)調(diào)節(jié)每個葉片的槳距以優(yōu)化葉輪載荷，因而也可能在將來得到更廣泛采用。參與調(diào)查的作答者都對此項新技術(shù)表示了濃厚的興趣。
“對IPC技術(shù)的采用將會顯著增長，尤其是在超大型風機中，因為槳葉尺寸越大，槳葉和塔架上的負荷越高。IPC允許對主軸上的負載更好地控制。”（歐洲咨詢公司）
“對風力條件的更精確反應將提高風機的使用壽命和收入，因此值得投資。”（日本風場）
結(jié)論
風機制造商須以經(jīng)濟高效的方式應對風場營運商不斷變化的需求，從而保持在這個以雙位數(shù)增長市場中的競爭力。
風機制造商須應對的主要課題包括：
尋找可經(jīng)濟高效地滿足對更高可靠性需求的解決方案。
變槳控制是需要更多關(guān)注的關(guān)鍵系統(tǒng)。
滿足對狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)日益增長的需求。
協(xié)助風場運營商滿足日益嚴格的并網(wǎng)規(guī)范要求。
有效應對這些挑戰(zhàn)的同時滿足客戶的期望，這項任務極其艱巨，而且風機制造商也不可能憑一己之力獨自來完成。與深入了解這些要求的關(guān)鍵的子系統(tǒng)供應商建立互惠互利的合作關(guān)系將會是取得成功的一個關(guān)鍵因素。
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