变桨系统可靠性对风机度电发电成本的影响.pdf

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 20140.1%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）2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015050100150200250300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 1.98 33% 28,000 70% 9% 60.0美国 1.56 29% 26,000 70% 9% 65.4巴西 1.29 44% 30,000 60% 15% 66.7德国 1.90 22% 25,630 70% 5% 78.9英国 1.77 24% 24,090 66% 8% 85.1中国 1.28 22% 15,438 80% 10% 76.2印度 0.99 20% 16,054 70% 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）主机制造商地理区域数据采集天数整个风电场的变桨系统事件数量整个风电场与变桨系统事件相关的停机小时数根据不同变桨技术和不同数据源所使用的术语，变桨系统部件包括：变桨电机、变桨驱动、变桨电池、变桨阀、变桨执行机构、变桨液压缸/液压油缸、变桨液压机构以及完整的变桨系统。DNV GL提取了每个数据源的相关信息并将结果整合到分析当中，详见下文所述。 II. 定义在均值分析范围内，DNV GL使用收集的数据计算了每个项目的三个指标，包括：1. 平均可用率损失（AvL）2. 每个变桨事件的平均停机时数（MD）3. 故障率（每台风机每年的变桨事件数量）（RF）上述指标定义如下：AvL = D/(NT x LD x 24)MD = D/IRF = I/( NT x LD /365)其中： D = 停机总时长（小时数）NT = 风机数量LD = 数据集时长（天数）I = 变桨事件的数量备注：可用率损失的定义包含所有风机相关的停机时数，但未考虑任何合同规定的停机。停机“事件”被定义为需要0.5小时以上非计划维护的事件（即，有人登上风机的情况）该定义包括轻微事故（即，需要进行维护但不更换整个部件的事件）和较大的事件（需要更换部件的事件）。该分析并未确认其它风机部件的停机事件，因此并未考量每个项目的总故障率。对于上述三个指标，在计算以下定义的风机加权平均值前都通过筛选排除了异常值：XTW = (Xi x NTi)/ NTiXi是该项目需要求取平均值的指标特定值，NTi是该项目中风机的数量。风机日的权重也已考虑，但是这种做法将会赋予老项目及旧技术过多的权重。III. 故障率调查结果DNV GL所进行的故障分析的平均结果如表2所示。这些数值代表了在可用数据池中可归因于变桨系统事件的故障。各个不同地区的结果相似。表2按区域、风机规模和技术对变桨系统故障率的调查结果进行了总结。表中报告的项目数量代表构成数据集的项目数量。表中所有的结果都按照其所代表的风机数量进行了加权。表2中汇聚的数据体现了两个重点：第一，变桨系统（包括电动型和液压型）是风机的一个主要故障部件；第二，变桨系统故障率随风机单机容量上升而增加。 表2：变桨系统故障分析结果汇总1 平均停机时数大于3小时的项目每年每台风机的事件数5 变桨系统可靠性优化方法的分析穆格为陆上和海上风机开发和制造高性能的变桨系统和变桨产品。目前，40000多套穆格变桨系统和产品在全球22000多台风机上运行。为了确定最具潜力的变桨系统可靠性优化路线，穆格评估了三种可选的变桨技术；包括：电动液压型（EH） 电动液压型变桨系统所代表的是一项成熟的技术，因此，改善可靠性的潜力非常有限。导致电动液压型系统可靠性较低和停机时数较高的因素主要包括：旋转流体接头磨损、液压油泄漏、液压油污染、高维护工作量和高能耗。 电动静液型（EHA） 电动静液变桨系统对于需要出力大的应用来说具有很大的吸引力。但是，与电动液压系统类似，几乎没有机会进一步改进这种系统的可靠性设计。 电动机械型（EMA） 电动机械变桨系统在通过设计优化改进系统可靠性方面具有巨大的潜力。这在很大程度上是因为，目前设计的部件主要用于各种通用工业应用，专为风机定制的不多。改进可靠性的具体手段包括：使用插拔式印刷电路模块代替现有的通用型导轨接线部件来优化电气驱动，使用交流同步电机技术（无刷、无冷却风扇）提高电机的可靠性并降低定期维护需求，以及使用超级电容代替电池来消除后备电源的故障和定期维护量。故障率 1项目 风机北美 0.6 23 907中国 0.7 3 30欧洲 0.9 19 393所有区域 null 1.5 MW X 2.5 MW0.5 38 1,136所有区域 null 2.5 MW X 3.0 MW1.6 7 194整体 0.7 45 1,330I. 设计改进选项基于上述分析，穆格确定电动机械技术可提供最大的变桨系统可靠性改进机会。目前行业中使用的大多数电动机械变桨系统采用的是工业级多用途驱动搭配交流感应电机或直流电机，可在一定程度上满足风机的变桨控制应用的定制化需求。该设计本身包括大约3000到4000个子部件。本研究收集的现场数据是该设计的代表样本。图4：穆格技术比较表3：穆格设计改进选项属性 EM EMA EH EHA紧凑性（大小、重量和减少的部件数）+ + +设计/供应链简化+ + +质量控制+ + +预测试硬件+ + +出力范围+ + + 维护简易性+ + + 可靠性+ + +说明： + 下一代技术带来的改进+ 目前的工业设计技术比较EMA EH EHAElectro - Hydrostatic ActuationPumpElectric to Mechanic Power ConversionHydrostatic TransmissionCylinder & AxisElectric Power SupplyFrequency ConverterServo Motornull null null=nullAxis Movement:Extend/ RetractHydraulic ActuationMotorControl ValveHydraulic to MechanicPower ConversionElectric to HydraulicPower ConversionCylinderPump & ReservoirElectric Power SupplyMovement:Extend/ RetractAxisElectro Mechanical ActuationFrequency ConverterGearboxMechanical TransmissionBall ScrewMovement:Extend/ RetractAxisServo MotorElectric Power Supplynull null null=nullElectric to Mechanic Power Conversion05001000150020002500300035004000重量 (kg) 体积 (ltr) 部件数量9005541,8284653,8431,322行业传统设计行业传统设计行业传统设计穆格变桨系统三代穆格变桨系统三代穆格变桨系统三代图6：用于发电成本分析的变桨系统数据样本图5 用于度电成本分析的穆格变桨系统样本行业传统设计 穆格变桨系统三代经过改进的变桨系统设计 穆格开发了与行业传统设计相比高度可靠的新设计。该设计于2016年发布，其特点可总结如下：a. 可靠性高、体积小并且重量轻：null 使用插拔式印刷电路模块代替现有的标准导轨接线部件，使得功能性元件的高度整合成为可能。（部件数量减少使得发生故障/发生接线错误的可能性降低，并且能够增强对生产质量的控制）轴柜，含变桨驱动 轴柜，含变桨驱动和变桨电容模块电池柜null 交流同步电机技术（无刷、无冷却风扇）行业内传统的电动型变桨系统内使用的部件采用的是通用型成品，安装在标准导轨上。新的穆格变桨系统设计基于定制化的结构，其各个部件（驱动、安全逻辑）紧密集成在一起。定制化设计消除了通用部件中不必要的功能。将该设计属性与高度集成以及模块少等特点结合，从而得到了高度可靠、紧凑和轻量化的系统，为拥挤的风机轮毂节约了宝贵的空间。b. 模块化且易于维护null 带有三个相同轴柜的星形拓扑null 标准接口null 电机、驱动和后备电源等核心部件具有自诊断和远程监控功能新的设计摒弃了众多散件，所有的关键功能性元件都通过标准电缆紧密集成和连接。对于任何系统故障，现场工作人员（无需任何培训）使用新的驱动替换故障组件即可解决。风电场无需任何专业技术或资源就可使风机恢复工作，从而使故障维护更加简单。c. 可扩展（一个尺寸适配多个机型）null 优化的核心部件，可满足风机最大或最小连续出力的要求null 可根据不同的风机规格进行扩展避免为不同功率等级风机建立多个不同配置，支持等级最高可达3 MW新的系统电源需求针对正常连续运行设计。在顺桨操作过程中，系统从电容系统中获得所需的额外电力。驱动和电容部件之间的智能接口使得这种做法成为可能。由于电容规格可根据风机的峰值功率需求适配，因此新系统可应用于多种不同型号的风机。长叶片等设计风机改进再也无需重新设计变桨系统，使得主机厂可最大程度保留轮毂设计上的已有投入。6 穆格变桨系统的发电成本分析DNV GL将第4部分均值研究的结果用作输入，分析了度电发电成本对变桨系统可靠性变化的敏感性。DNV GL还采用了穆格提供的包括新系统在内多个变桨系统的可靠性样本。该研究使用了两种DNV GL建模工具（Turbine.Architect和OMCAM）来计算资产成本、运营成本和发电成本。Turbine.Architect是一种用于概念设计和分析的成本模型工具。该工具可用于研究各种不同的输入参数及其对风机资产成本、风电场资产成本、能源捕获、运营成本和发电成本的影响。OMCAM最初是在2006年开发出来的，可以为业主和运营商准确评估未来项目在特定运维策略下的运维成本以及风机的可用性。不同可靠性样本进行资产成本和运维成本计算时假设如下：null 迎风型水平轴风机（HAWT），双馈发电机，三级齿轮箱 null 每个风场50台风机，IEC二类风况null 容量系数0.35假定每个变桨系统含三个驱动、三个电机、三套后备电源和一个变桨控制器。I. 发电成本计算使用Turbine/Architect工具估计发电成本上式中FCR是应用于资产成本的固定费率即，筹集资产投入的年度费用；AEP是风电场的年发电量。FCR取决于贴现率r（通货膨胀率和实际利率之和）和贷款年限N。设计度电发电成本 美元/MWh可用率 年度运营成本发电成本节约 美元/兆瓦时系统可靠性 MTBF (小时)20年内的预计故障率行业传统设计 53.31 - - - 5,769 30.4穆格变桨系统三代 51.61 +1.2% -8.2% 1.70 18,743 9.4表4：穆格变桨系统改进带来的成本节约研究中假定r=0.11，N=20，FCR的计算结果为0.125。II. 发电成本分析结果度电发电成本分析表明，在考虑极端情况时（即，同样条件下变桨故障率最低值和最高值之差），变桨系统可靠性对风机可用率的影响最高可达2%，对应20%的风场年运维成本，以及4美元/兆瓦时的度电发电成本。 当采用穆格公司提供的可靠性数据样本时，度电发电成本分析表明，新设计带来的维修时间和故障率的减少，可以带来度电发电成本的降低，最高可降低1.70美元/兆瓦时。上述分析得到的度电发电成本降低，主要来自于计划外运维成本的降低。上述结果未包括电动变桨技术（与液压技术相比）、交流伺服电机（与直流电机相比）以及超级电容（与电池相比）带来的计划内维护工作的减少。7 结论本文中描述的标杆研究和发电成本分析结果阐明了两个要点。第一，对于单机容量在1.5 MW到3.0 MW之间的陆上风机，变桨系统的平均故障率为每年每台风机0.7次故障。第二，通过减少部件数量和复杂性并优化变桨系统设计架构，可以提高风机的可靠性，降低与风机相关的运营成本。在穆格的实际测试中，使用经优化的新型变桨系统设计验证了这两点。测试表明可靠性提高了50%，若用于典型3.0 MW风机，其度电发电成本可降低1.70美元/兆瓦时（根据DNV GL的度电发电成本模型）。FCRCAPEX + OPEXCoE =AEPrFCR =1-(1+r)-N8 相关资源1 gwec/global-figures/graphs/2 Tavner, P J (2012).海上风机可靠性、可用性和维护 彭博新能源财经 弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院您的变桨控制合作伙伴穆格（Moog）是穆格公司的注册商标。本文中所有商标均为穆格及其下属公司的财产null2016 穆格公司版权所有，保留所有权利。可靠性白皮书2016年9月，Id CDL 48907-enmoog/wind