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)調查中參與者的答卷為基礎。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于狀態(tài)監(jiān)控的全球性調查，作為二級研究。
執(zhí)行摘要
排除宏觀經(jīng)濟影響的因素，風能源領域共有三種關鍵的趨勢將可能會在中期內影響風機的設計：
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鍵的系統(tǒng)供應商建立起互惠互利的關系以提高效績，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蒙古的東部和西部。內蒙古氣候惡劣，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（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�，因為它們在該區(qū)域內的總發(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)質風場的發(fā)電量，這將加強此趨勢的發(fā)展。參與調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。關鍵領域包括：
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，或者調節(jié)其反應式功率消耗量或發(fā)電量，以將電壓控制在設定點。
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。這也意味著對質量和效率的要求將更加嚴苛�！保W洲咨詢公司）
“經(jīng)營的大電廠越多，他們越關注發(fā)電效率問題�！保W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�！保W洲咨詢公司）
“技術可用性更加重要，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�！保绹L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�！拔覀冎饕�(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�！保W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)�！保绹L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�！保绹L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
獨立變槳控制可實時動態(tài)調節(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。參與調查的作答者都對此項新技術表示了濃厚的興趣。
“對IPC技術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�！保W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�！保ㄈ毡撅L場）
結論
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注的關鍵系統(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鍵的子系統(tǒng)供應商建立互惠互利的合作關系將會是取得成功的一個關鍵因素。
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