变桨系统可靠性对风机度电发电成本的影响

200020022004200620082010201220140.1%0.2%0.4%0.8%1.6%3.1%6.3%12.5%25.0%15 年翻倍四次变桨系统可靠性对风机度电发电成本的影响Prasad Padman, 许强, 穆格公司Francesco Vanni, Erika Echavarria, Michael Wilkinson, DNV GL1 可再生能源在新增发电容量中占据主导地位在过去十年中，清洁可再生能源装机容量的大幅增长彻底地改变了全球能源行业的格局。风能、太阳能和生物质能等非水力可再生能源变得越来越有竞争力，在全球范围内产出的电量与天然气相当，是核能的两倍以上。这在很大程度上归功于各国政府更加关注二氧化碳减排，这使得可再生能源可与化石燃料和其它传统能源一较高下。在一些国家，国家级和省级政府部门的支持同样是可再生能源增长的主要驱动力。2015年，全球风能装机容量增长了16%，使得累计装机容量增至433GW。全世界历时约四十年才达到433GW的装机容量；然而，接近15%（63.5GW）的装机容量是在过去一年里实现的。1内容摘要白皮书在过去十年中，风能和太阳能是全球可再生能源容量增加的主要组成部分。政府支持一直是这些产能增加的主要驱动力，但是补贴项目的结束和不断变化的政策框架给可再生能源供应商带来了若干挑战。中国近期经济放缓和2016年美国总统大选后美国政策走向不明也妨碍了可再生能源项目的发展。这些挑战加上太阳能光伏等其它可再生能源正变得更加经济，在这种环境下，想要生存和发展，风能必须要更有竞争力。因此，研发新的先进技术，能够提高风机效率、减少寿命周期成本并降低度电发电成本，这一点对于确保风电项目在将来的长期成功至关重要。图1：2008年-2015年发电容量投资（单位：十亿美元）图2：2000年-2015年风力发电的份额（占系统总量的百分比）20082009201020112012201320142015050100150200250300可再生能源（不包括大型水电）化石燃料大型水电核能来源：彭博新能源财经来源：彭博新能源财经· 降 低 风 机 的 度 电 发 电 成 本（LCoE）对于风电行业至关重要·提高风机可靠性有助于降低度电发电成本·目前风电行业所使用的变桨系统（包括电动型和液压型）是一个主要的故障点·通过优化技术设计来提高电动变桨系统可靠性的潜力巨大·DNV GL的度电发电成本模型表明，穆格变桨系统可使典型3兆瓦风机发电成本降低最高达1.70美元/MWh（约合人民币0.012元/度）您的变桨控制合作伙伴2 风机可靠性是决定度电发电成本的一个关键因素度电发电成本(LCOE)是衡量一台风机的安装和运行净成本与风机寿命周期内预期发电量（不包括激励）的比值。度电发电成本是风能项目中常用的投资回报指标，并且通常是政府、公用事业公司、独立发电厂和主要咨询公司用于确定特定发电设施和/或资产竞争力的标准方法。在过去十年中，全球风力发电项目的平均度电发电成本已降至新低。这种变化可归因于若干与风机相关的进步，包括自动化和电子技术的进步、更长的叶片和更高的塔筒。这些进步使得风能捕获的效率提高，容量系数增大。度电发电成本取决于若干因素，其中最重要的一个因素是风机的运维成本。运维成本指为维持风电场运行而采取的计划内和计划外活动所产生的任何成本，其中包括年度维护合同和定期维修的成本，以及风机寿命周期内预期更换任何设备和/或部件的成本。海上风机的运维成本通常较高，这是因为基础设施的维护难度较大。同时，恶劣的海洋环境也会导致许多风机部件的故障率上升。风机及其部件的可靠性对运维有着重大影响。总体而言，运行和维护占海上风机寿命期成本的18%-23%，占陆上风机的12%。2表1: 风能度电发电成本模型中关键成本因素（2016年上半年）3 风电行业的痛点——变桨系统是一个主要的故障点风机的可靠性依赖于其部件的可靠性（见图3）。风电行业面临的一大挑战在于，如何提高部件可靠性才能使投资回报最大。大多数有关该主题的历史研究专注于机械和电气系统层面的分析——对于部件层面的故障分析罕有深入研究。资本支出 （百万美元/兆瓦） 容量系数（%）固定运维费用 （美元/兆瓦每年）负债比率（%） 权益成本（%）度电发电成本 （美元 /兆瓦时）国家最低最低平均平均平均平均加拿大1.9833%28,00070%9%60.0美国1.5629%26,00070%9%65.4巴西1.2944%30,00060%15%66.7德国1.9022%25,63070%5%78.9英国1.7724%24,09066%8%85.1中国1.2822%15,43880%10%76.2印度0.9920%16,05470%14%76.8来源：彭博新能源财经图3：风机可靠性和维护面临的挑战和展望来源：弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院故障率停机时间25%21%13%11%7%6%5%4%4%4%21%23%18%11%7%3%5%4%4%4%变桨系统变频器偏航系统发电机总成低压开关设备齿轮箱传感器通讯安全链其他根据2011年ReliaWind项目的一份题为“以可靠性为中心的风能系统设计和运维优化研究：用于下一代产品的工具、概念验证、导则和方法”的研究报告，变桨系统故障占风机全部停机时间的23%，高于任何其它部件或系统。变频器排名第二，占停机时间的18%，发电机总成和偏航系统则分别占11%和7%。此外，在所有的风机部件故障次数中，变桨系统以超出21%的比例高居榜首。变桨系统安装在风机的旋转轮毂内并且是风机的一种关键安全机制，保护风机不受恶劣风况的影响。它们经常曝露在高温、潮湿和振动等极端环境下。液压油泄漏、油液污染和流体旋转接头是液压变桨系统的一些主要故障点，而电动变桨系统的故障则往往是电机、电气驱动器和后备电池引起的。通常，变桨系统占风电场资本支出的3%以下。因此，在初始设计阶段，它们获得的关注通常极少。主机制造商过去关注的重点是齿轮箱和叶片等价值较高的部件；但是，鉴于变桨系统故障在停机时间中的占比，因此变桨系统的性能和可靠性必须引起重视。4 变桨系统的平均可靠性水平今年穆格和DNV GL合作开展了一个可靠性平均水平分析及度电发电成本分析的项目，旨在：1. 更准确地量化变桨系统可靠性对风机故障率的影响。2.通过设计优化提高变桨系统的可靠性，量化分析由此带来的度电发电成本的变化。DNV GL所开展的平均水平研究基于69个项目的现场数据，共涉及约5.3GW装机容量和400多万个风机运行日，用于建立不同地区、不同风机等级范围和不同变桨技术的变桨系统可靠性均值样本。 均值分析的结果作为输入值，被用于研究发电成本对于变桨系统可靠性变化的敏感度。该分析在本文第6部分进行了讨论。I. 标杆研究的数据源DNV GL的69个项目中每一个项目都有不同的数据内容，例如业主报告含有部件停机时间，故障跟踪记录包括了部件替换的情况，还有风场SCADA系统里的故障日志。对每个项目，DNV GL都提取了以下数据点：·装机容量·风机数量·风机容量（所有项目的风机容量都在1.5 MW到3.0 MW之间）·风机变桨执行技术（电动型或液压型）·主机制造商·地理区