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谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用---从供应链的角度分析

作者/来源:特力佳(天津)风电设备有限公司   发表时间:2009-07-05 08:00:00

    摘 要:本文对我国风力发电机组中的电动变桨距系统与液压变桨距系统的市场情况进行了简述后,在对两种系统的不同特点进行详细分析的基础上总结了各自的优劣势,重点分析了两种系统在中国市场的供应链情况。从供应链的角度讨论了电动变桨距系统与液压变桨距系统的发展趋势和应用前景。
    关键字:风力发电机组、电动变桨距、液压变桨距、供应链
    作者简介:王琪,男,硕士,工程师,从事风电行业的市场调研及产品采购国产化工作。
    李宝占,男,学士,工程师,从事风电行业的市场调研、市场开发及产品销售。

Study of Electric Pitch Control System and Hydraulic Pitch Control System Application on WTG
----Analysis from Supply Chain
Abstract: The paper analyzes the market of electric pitch control system and hydraulic pitch control system for wind turbine generator in China. Summarize the advantages and disadvantages of the two pitch control systems base on the different characteristics of them and focus on analysis of the supply chain of each pitch control system. From the angle of supply chain the development trend of electric pitch control system and hydraulic pitch control system and their application prospect are discussed.
Keywords: wind turbine generator, electric pitch control, hydraulic pitch control, supply chain

1.前言
    风能作为一种清洁、可再生能源近年来受到广泛的重视,风力发电愈来愈向着高技术化、高效率化的方向大跨步迈进。随着大功率、可并网风力发电技术的逐步成熟,风力发电产业短期内在全球得到了爆炸式的增长。我国也相继颁布了一些有关促进风能产业发展的政策来鼓励、推动中国风能产业快速、健康的发展。在诸多有益的外部条件的刺激下,风机制造行业呈现出井喷式的发展。总装厂的数量成倍增长,而且还有越来越多的企业跃跃欲试。
    国内风电设备厂商获取的风电机组的制造技术来源主要有五大类:
    第一类、引进国外的设计图纸与技术,或与国外设计技术公司联合设计。
    第二类、购买国外成熟的风电技术,在国内进行许可生产。
    第三类、与国外公司合资,引进国外的成熟技术在国内进行生产。
    第四类、国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业,利用其成熟技术在国内生产。
    第五类、采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术,在国内进行生产。
    现在无论是内资还是外资风电设备厂商都要达到国产化70%的目标,所以积极的将现有技术物化成产品并在国内完成国产化是现在各主机厂商的必走之路。[1][2][3]
    叶片变桨距系统(Blade Pitch Control System)近年来在大型风电机组上得到了广泛的应用,其优点可以将载荷控制更平稳、安全和高效。现在兆瓦级以上风机普遍采用变桨距技术,只是根据实现的过程不同在技术上有所区分。[4]

2.叶片变桨距系统在市场中的应用现状
    变桨距系统是对叶片的桨距角进行调解以控制风轮对风能吸收的装置。其作用是:一、当风机启动时,可以通过变桨距来获得足够的启动转矩;二、可以通过调节桨距使风机的发电功率始终保持在额定功率附近;另一方面当突遇大风或运行异常时,可执行收桨动作,以防止风轮超速,发生飞车。[5]目前全球的风力发电机组按照叶片变桨距技术的不同基本上可以分为两类:一、液压变桨距系统(Hydraulic Pitch Control System)。简单来说,液压变桨距系统主要由动力源液压泵站、控制模块、蓄能器与执行机构油缸等组成,其代表厂商有Vestas、Gamesa、Acciona和Dewind、三菱重工等。二、电动变桨距系统(Electric Pitch Control System)电机变桨距系统。主要由动力源电动机、控制模块、蓄电池与执行机构减速器、齿轮等组成,代表厂商有GE、Nordex、Suzlon、Repower和金风、华锐等。我们从市场占有率的角度来分析这两种变桨系统的应用情况,如下图Pic.1, Pic.2。
全球风机厂商装机情况

液压变桨技术 47.3%
电动变桨技术 47.2%

谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用01
Pic.1风电机组制造商全球市场累计占有率(截至2007年)[1]

中国风机厂商装机情况

液压变桨技术 34.73%
电动变桨技术 60.95%

谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用02
Pic.2风电机组制造商中国市场累计占有率(截至2007年)[6]

    从图表中我们可以直观的看出,在全球的风电市场中,液压变桨技术与电动变桨技术在市场占有率中不分伯仲。液压变桨技术的应用主要是由两大巨头VESTAS与GAMESA占据着大部分份额。而国内情况液压变桨技术与电动变桨技术的差距还是较为明显的,除VESTAS与GAMESA采用液压变桨技术,其他厂商几乎均采用电动变桨技术。我们接下来进一步分析中国市场青睐电动变桨技术的原因。

3.技术比较
    由于风力发电机组的使用寿命一般为25年,加之其多安装在偏远荒漠环境恶劣的地区,又为风电机组的维护增加许多困难,所以要求风机的配套组件及系统有稳定的质量要求。变桨系统在风力发电机中是比较重要的,其性能及质量的优劣直接影响整台风机的性能。

谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用03谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用04
Pic.3 液压变桨距系统的模拟示意图及轮毂实照

 

谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用05谈叶片电动变桨距系统与液压变桨距系统的应用06
Pic.4 电动变桨距系统的模拟示意图及轮毂实照

    以下表格是两种不同变桨技术的优劣比较。

Table 1 液压变桨系统与电机变桨系统的优劣[7]


技术
项目

液压变桨距系统

电动变桨距系统

桨距调节

基本无差别。油缸的执行(动作)速度比齿轮略快,响应频率快扭距大。

基本无差别。电路的响应速度比油路略快。

紧急情况下的保护

功能基本无差别。
在低温下,蓄能器储存的能量降较小。
蓄能器储存的能量通过压力容易实现监控。

功能基本无差别。
在低温下,蓄电池储存的能量降较大。
蓄电池储存的能量不容易实现监控。

使用寿命

主要损耗件蓄能器的使用使命大约6年

主要损耗件蓄电池的使用使命大约3年

外部配套需求

占用空间小,轮毂及轴承可相对较小。
无需对齿轮进行润滑,减少集中润滑的润滑点。

占用空间相对较大。
需对齿轮进行集中润滑。

环境清洁

容易存在漏油,造成机舱及轮毂内部油污。

机舱及轮毂内部清洁。

维护

定期对液压油、滤清器进行更换。

蓄电池的更换。

 

    从上表可以看出在基本功能上,两种变桨系统没有实质性的差距,二者几乎一致,在细节方面,还是各有利弊的。但总体上来说液压变桨技术从整体构成上来看比电动变桨技术要略微简洁一些。液压变桨技术可以将液压刹车功能整合在同一个液压系统中来实现这个分支功能。而电动变桨技术还要配置额外的液压制动系统来实现这一分支功能。

4.供应链分析
    在软件方面,国内的变桨控制(包括液压变桨及电动变桨)基本被国外厂商垄断,一些国内院校科研机构已开始着手自行研发软件系统并已有部分在风机中试运行,但由于与国外厂商相比较缺少经验,所以差距还是很明显的。在硬件方面,我们从变桨系统的结构部件的供应链情况来逐步分析。

4.1液压变桨距系统
    由于目前我国液压行业水平与欧美等发达国家还存在明显的差距,加之风电机组要求较高的可靠性,增加了液压驱动变桨系统实现本土化采购的难度。
(1)液压泵站
    泵站的核心是液压柱塞泵,目前质量可靠的基本上都是国外品牌。其他通用型的控制阀也基本处于国外垄断状态,国内品牌北京华德品质较好。
(2)控制阀块
    控制阀块的制造难度较低,但也基本上是国外设计国内生产。值得一提的是为减轻风机的重量,所有的控制阀块的材质均设计为6082-T6航空级挤压铝。存在的问题是大尺寸的挤压铝及其相应的热处理在国内很难找到合适渠道。
(3)液压油缸
    作为系统的执行机构液压油缸的优劣是直接影响整体系统性能的关键。在风机中使用的变桨油缸主要是结合位移传感器的电液比例阀控制伺服液压油缸,要求的品质与精度都是较高的。油缸的性能主要取决于设计、材质、机加工及表面处理、密封这几大方面。
    -设计。国内通常油缸厂商的专业设计水品不高,专业人才稀缺,院校科研机构与市场结合的较差,与国外有一定的差距。
    -材质。国内钢材性能(除与钢厂额外订做外)逊于国外钢材性能,如DIN ST52与45#,16Mn在低温冲击、低温疲劳等方面存在明显差距。
    -机加工及表面处理。油缸的核心部件缸筒成为了整个油缸的瓶颈,国外伺服油缸的缸筒内壁粗糙度Ra严格要求小于0.1,而国内油缸通常达到Ra≈0.4,只有极少数厂商能够到达Ra<0.1,但质量不稳定,均匀度也不稳定。尺寸较大的缸筒内壁的表面处理技术在国内也不成熟,如镀铬等。
    -密封。国内的中高端的密封市场基本已被国外厂商垄断。
    总体来看,中高端的伺服油缸在国内基本上都是进口产品,其中还要包括安置在活塞杆中的位移传感器,国内的油缸厂商大多提供用于在工程机械、冶金等行业的中低端油缸。国内液压油缸的整体水平还是与发达国家有着相当大的差距。
(4)蓄能器
    蓄能器分为皮囊式蓄能器与活塞式蓄能器。皮囊式蓄能器在国内应用较多,皮囊是影响其寿命的关键部件,中高端产品还是多为进口。活塞式蓄能器具有更长的使用寿命,但其在国内的水平与遇到的问题与液压油缸相似。
(5)管路
    标准接头在国内有很多优秀的厂商,如伊顿永华的系列产品,质量稳定,性价比高。故标准接头在国内容易找到合适的渠道,国产化率较高。液压钢制弯管是液压管系统中常用的管路种类。通常为无缝钢管经冷拔、折弯、表面处理等工序制成,技术含量低,国内厂商可满足要求。液压胶管是另一种常用的管路,中高端胶管总成中的软管部分基本上也全都是进口软管。液压旋转接头是风机管路中较为关键的连接部件,基本上也是进口产品垄断着市场。
    综上所述,我国的液压行业普遍服务于普通工程机械领域,高精度、高稳定性的液压产品在国内的发展还较落后。国内液压行业的生产商相比国外的帕克、力士乐、伊顿、萨奥等知名厂商,无论是在产品的系列化的广度上,还是在做工质量的深度上,都有着相当大的差距。风机中液压变桨系统的实质国产化率按价值算不超过10%,高精度核心部件基本全部是进口产品,技术含量较低的如紧固件、泵站油箱等可在国内找到合适渠道。

4.2电动变桨系统
    相对于液压驱动变桨系统,电动变桨系统在国内应用较多,国内渠道培养及发展的时间也较长,可选择度也较大。由于电动行业在国内发展的较好,各部件的国产化率较高,但在高>可靠性、高稳定性的部件上进口产品仍居主导位置。
(1)伺服电机及减速器
    伺服电机是整个电动变桨系统的动力源,减速机是调速传动装置,二者都要求有很高的可靠性、稳定性和准确性。目前还是以进口产品或跨国公司在华所设工厂生产的产品为主,基本上可以实现国产化,且国内供应厂商较多,渠道明朗,价格也较透明。
(2)控制器等电子设备
    控制器是整个电动变桨系统的大脑,技术含量较高,基本被国外公司垄断,成为电动变桨系统主要的瓶颈之一。
(3)蓄电池
    由铅酸蓄电池构成UPS电源,国产渠道较多,国产化率高。
(4)位移传感器和接近开关
    位移传感器和接近开关是安装在轴承内齿轮部位的检测装置,要求可靠、精准度好,基本上都是进口产品。
(5)电路
    电缆的国内渠道很多,质量也很好,其他的电器元件国内都有很成熟的渠道。值得一提的是电滑环,由于对电滑环的要求比较高,所以高性能的电滑环还值得关注的。
    总体来讲,电动变桨系统的国内渠道较多,进行国产化的可能性也较大,厂商掌握起来也较容易,得到的推广也较快。相比较液压变桨系统国内现有的渠道优势也比较明显。

5.总结
    电动变桨距系统与液压变桨距系统在技术性能上的优劣,目前还没有一个定论。在从供应链的角度分析了我国电动变桨距系统与液压变桨距系统的渠道的特点后,可以看清目前我国在变桨距系统在的优势与不足。由于目前我国液压行业整体水平的制约,液压变桨距系统在我国的发展也受到了明显的掣肘。不过液压行业在国家的十一五计划已列为重点发展行业,相信在国家的支持鼓励下,随着液压行业整体的发展,液压变桨距系统也会得到进一步的发展。

参考文献:
[1]祁和生.中国2007-2008年度风能行业发展报告(上)[J].风能设备,2008(12)
[2]祁和生.中国2007-2008年度风能行业发展报告(中)[J].风能设备,2009(1)
[3]祁和生.中国2007-2008年度风能行业发展报告(下)[J].风能设备,2009(2)
[4]林勇刚.大型风力机变桨距控制技术研究[D].浙江大学博士毕业论文,2005.3.
[5]顾鑫.兆瓦级风力发电机组液压变桨系统研究[D].江南大学硕士毕业论文,2008.3.
[6]施鹏飞.2007年中国风电场装机容量统计(上)[J]. 风能设备,2008(4)
[7]Franz Wirzberger.Symposium Wind Energy Pitch Technology[R].Rexroth Industry.2006.12