國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)不同發(fā)電量計(jì)算方法探討

李 麗,李玉坤,劉 瑋

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)02—0087—04

國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)不同發(fā)電量計(jì)算方法探討

李 麗,李玉坤,劉 瑋

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

以巴基斯坦某風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，并采用常規(guī)綜合折減估算法、基準(zhǔn)發(fā)電量估算法、概率折減估算法對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行年上網(wǎng)電量計(jì)算。針對(duì)國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理模式和銀行融資要求，在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中將發(fā)電量和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，滿足業(yè)主的風(fēng)險(xiǎn)管理需要。

風(fēng)電場(chǎng)；上網(wǎng)電量；保證水平； 風(fēng)險(xiǎn)管理

0 前 言

在風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中，年上網(wǎng)電量的確定是風(fēng)電場(chǎng)可行性研究階段的基本任務(wù)之一[1]，年上網(wǎng)電量的大小直接關(guān)系到風(fēng)電場(chǎng)的效益水平和風(fēng)險(xiǎn)程度，影響和決定著風(fēng)電場(chǎng)的投資決策[2-4]。針對(duì)國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)，在發(fā)電量計(jì)算時(shí)，可通過(guò)不同方法的計(jì)算與研究，滿足業(yè)主的風(fēng)險(xiǎn)管理需要。本文以巴基斯坦某風(fēng)電場(chǎng)為例，探討計(jì)算年上網(wǎng)電量的不同方法。

1 國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算方法概述

1.1 綜合折減法年上網(wǎng)電量估算

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)1 a測(cè)風(fēng)資料及風(fēng)機(jī)布置方案，推薦機(jī)型在當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌墓β是€和推力系數(shù)，進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，得到風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的理論年發(fā)電量?？紤]到風(fēng)場(chǎng)機(jī)組受尾流、風(fēng)機(jī)控制和湍流、葉片表層污染的影響,氣候影響停機(jī),風(fēng)電機(jī)組可利用率,電氣損耗(場(chǎng)用電和線損)和電網(wǎng)波動(dòng)及限制等影響因素，經(jīng)綜合折減后，得到推薦方案的年上網(wǎng)電量。

1.2 基準(zhǔn)發(fā)電量估算

計(jì)算基準(zhǔn)發(fā)電量時(shí)，首先需要確定風(fēng)速與發(fā)電量之間的關(guān)系曲線。該曲線將被用來(lái)計(jì)算基準(zhǔn)風(fēng)速下的基準(zhǔn)發(fā)電量(在巴基斯坦，基準(zhǔn)風(fēng)速值由巴基斯坦可再生能源發(fā)展委員會(huì)提供保障，它是風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)保障)。一般風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)均為短期內(nèi)的測(cè)量值，因而很難確定風(fēng)速與發(fā)電量之間的確切關(guān)系。因此，我們需要依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出每天的具體風(fēng)速，得到365 d的平均風(fēng)速，確定每天的總發(fā)電量。經(jīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)各影響因素的修正，得到每日的上網(wǎng)電量。根據(jù)計(jì)算得出的日平均風(fēng)速和上網(wǎng)電量進(jìn)行相關(guān)性分析，分別確定全年各月份平均風(fēng)速和上網(wǎng)電量的函數(shù)關(guān)系，利用該函數(shù)關(guān)系分析得到各月基準(zhǔn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)下的基準(zhǔn)發(fā)電量。

1.3 概率折減法發(fā)電量估算

概率折減法又稱為不確定分析(Uncertainty Analysis[5-6])，是國(guó)外風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)上網(wǎng)電量的計(jì)算方法之一，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)該方法采用相對(duì)較少。風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電過(guò)程受到多種相互獨(dú)立的因素影響，年上網(wǎng)電量可以認(rèn)為是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，概率折減法正是基于正態(tài)分布而建立的。

風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電產(chǎn)出會(huì)受到諸多因素的影響，根據(jù)其特點(diǎn)可分為2類：一類是必然發(fā)生的確定性因素，其對(duì)發(fā)電產(chǎn)出的作用效果是負(fù)面的，所減少的發(fā)電量稱為“確定損耗”，減少比例稱為“確定損耗率”；另一類是可能發(fā)生的隨機(jī)因素，其對(duì)發(fā)電產(chǎn)出的作用效果也具有隨機(jī)性，對(duì)發(fā)電量的影響稱為“隨機(jī)損耗”，影響比例稱為“隨機(jī)損耗率”，隨機(jī)損耗可以為負(fù)值。理論發(fā)電量扣除確定損耗后得到的凈發(fā)電量即正態(tài)分布的均值(保證率為50%，記作P50)，隨機(jī)損耗即正態(tài)分布的方差。通過(guò)對(duì)相應(yīng)正態(tài)分布曲線的分析，可以估算更高保證率下(Exceedance Levels，即保證率高于50%)的發(fā)電產(chǎn)出水平，從而為項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估提供依據(jù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

本次以巴基斯坦某風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)風(fēng)資源豐富、風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)能品質(zhì)較好。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量99 MW，設(shè)計(jì)安裝66臺(tái)單機(jī)容量1 500 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.1 綜合折減法年上網(wǎng)電量估算

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)01號(hào)測(cè)風(fēng)塔1 a完整測(cè)風(fēng)資料及風(fēng)機(jī)布置推薦方案、推薦機(jī)型在當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌墓β是€和推力系數(shù)，利用WASP10.0軟件進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，得到該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的理論年發(fā)電量為38 709.6萬(wàn)kWh?？紤]風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組間受尾流影響折減6.44%、風(fēng)機(jī)可利用率折減3%、風(fēng)機(jī)控制和湍流影響折減4%、風(fēng)機(jī)功率曲線保證率折減3%、葉片表層污染影響折減2%、氣候影響停機(jī)折減2%、電氣損耗(場(chǎng)用電和線損)和電網(wǎng)波動(dòng)及限制折減5%、其他因素影響折減2%。綜合折減后，該風(fēng)電場(chǎng)推薦機(jī)型年上網(wǎng)電量為27 097.7萬(wàn)kWh，年利用小時(shí)數(shù)為2 737 h，容量系數(shù)為0.31。

2.2 基準(zhǔn)發(fā)電量估算

以該風(fēng)電場(chǎng)01號(hào)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速為基礎(chǔ)，分析計(jì)算每一天的日平均風(fēng)速后得到全年365 d的日平均風(fēng)速分布情況。依據(jù)日平均風(fēng)速和風(fēng)電機(jī)組特性計(jì)算得出日理論發(fā)電量，經(jīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)各影響因素的修正，得到每日的上網(wǎng)電量。根據(jù)計(jì)算得出的日平均風(fēng)速和上網(wǎng)電量進(jìn)行相關(guān)性分析，分別確定年內(nèi)1—12月份平均風(fēng)速和上網(wǎng)電量的函數(shù)關(guān)系。利用該函數(shù)關(guān)系分析得到各月基準(zhǔn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)下的基準(zhǔn)發(fā)電量(基準(zhǔn)風(fēng)速保障值由巴基斯坦可再生能源發(fā)展委員會(huì)提供[7-8])。

月份平均風(fēng)速和理論電量、上網(wǎng)電量間的函數(shù)關(guān)系相關(guān)方程，見表1。根據(jù)年內(nèi)1—12月份平均風(fēng)速和上網(wǎng)電量的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到各月基準(zhǔn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)下的基準(zhǔn)發(fā)電量。該風(fēng)電場(chǎng)85 m基準(zhǔn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的各月基準(zhǔn)上網(wǎng)電量，見表2。

表1 各月份風(fēng)速和理論電量、有效上網(wǎng)發(fā)電量間的函數(shù)關(guān)系相關(guān)方程表

2.3 概率折減法發(fā)電量估算

與常規(guī)綜合折減法[7]類似，概率折減法同樣會(huì)考慮到多種折減因子的影響，并通過(guò)給定系數(shù)的方式間接估算上網(wǎng)電量。概率折減法將折減因子分為2類：第1類因子是發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)建成后的運(yùn)行中，稱為直接折減因子，直接折減；第2類因子僅對(duì)風(fēng)資源評(píng)估階段的發(fā)電量計(jì)算有影響，稱為不確定因子，即不確定折減。

表2 風(fēng)電場(chǎng)各月基準(zhǔn)上網(wǎng)電量統(tǒng)計(jì)表

2.3.1 直接折減

(1) 尾流損失

當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)的葉輪時(shí)，由于葉輪吸收動(dòng)能及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變了風(fēng)的原有流場(chǎng)，增加了紊流，使得風(fēng)機(jī)的少部分發(fā)電量隨氣流遺失。這部分損耗主要由WAsP軟件計(jì)算得到,本期工程平均尾流損失為6.44%。

(2) 風(fēng)電機(jī)組利用率

根據(jù)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造水平和該風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際條件，風(fēng)機(jī)利用率取97%，即此部分損耗為3%。

(3) 場(chǎng)用電、線損等能量損耗

場(chǎng)用電、線損等能量損耗主要發(fā)生在電力輸送過(guò)程的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部線路、變壓器及傳輸線路上，此部分損耗預(yù)計(jì)為機(jī)組總發(fā)電量的5%。

(4) 其他損耗

一些其他可能導(dǎo)致發(fā)電量損失的因素也應(yīng)考慮在內(nèi)，如葉片污蝕等，按2%考慮。

總損耗率為各分項(xiàng)損耗率的積，計(jì)算得到該風(fēng)電場(chǎng)的總損耗率為15.5%。

2.3.2 不確定折減

通常情況下，影響凈發(fā)電量的隨機(jī)因素不止一項(xiàng)，各項(xiàng)隨機(jī)損耗率之和由以下公式計(jì)算：

(1)

式中：UT為總隨機(jī)損耗率；Usi為第i項(xiàng)隨機(jī)因素的隨機(jī)損耗率；Si為對(duì)應(yīng)的敏感度(由軟件計(jì)算得到)。

(1) 風(fēng)速變化的不確定性

從長(zhǎng)期來(lái)看，風(fēng)速是測(cè)量年份的隨機(jī)變量，不同年份之間的風(fēng)速可能存在較大差異。多年風(fēng)速資料可以提供重要參照，但作為歷史資料，不可能對(duì)未來(lái)風(fēng)力條件作出確切的預(yù)測(cè)。該風(fēng)電場(chǎng)僅有1 a測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，且缺少氣象站長(zhǎng)系列資料無(wú)法訂正，風(fēng)速變化的不確定性較大。風(fēng)速變化的可變率取6%，敏感度為176%。

(2) 風(fēng)速資料的不確定性

風(fēng)速資料的收集是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量確定的重要基礎(chǔ)性工作，同樣受到多種不確定性影響，主要包括風(fēng)速計(jì)的校準(zhǔn)、性能、安裝質(zhì)量及地形對(duì)風(fēng)杯影響的不確定性等。風(fēng)速資料的可變率取2%，敏感度為176%。

(3) 地形模型的不確定性

軟件采用的地形模型都有一定的局限性，且下墊面情況、糙度、地表障礙物、風(fēng)機(jī)與測(cè)風(fēng)塔之間的距離、測(cè)風(fēng)塔風(fēng)杯設(shè)置高度與輪轂高度的不同等因素都會(huì)放大該不確定性。地形模型的可變率取4%，敏感度為-0.074%。

(4) 尾流模型的不確定性

尾流模型的不確定性是指軟件在計(jì)算尾流影響過(guò)程中的不確定性，主要包括模型本身的不確定性和風(fēng)機(jī)推力系數(shù)特性的不確定性2個(gè)方面。尾流模型的可變率取15%，敏感度為6.6%。

(5) 相關(guān)的不確定性

相關(guān)的不確定性主要取決于各風(fēng)機(jī)機(jī)位與測(cè)風(fēng)塔之間的分散程度，距離越近、排列越緊密，相關(guān)的不確定性就越低。該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)排列較密集，可研設(shè)計(jì)暫不考慮此項(xiàng)不確定性。

(6) 功率曲線的不確定性

通過(guò)與推薦風(fēng)機(jī)的機(jī)型生產(chǎn)廠家溝通，推薦機(jī)型功率曲線保證率為97%，因此可變率取3%，敏感度為100%。

風(fēng)電場(chǎng)歷史隨機(jī)損耗率估算見表3。

2.3.3 年上網(wǎng)電量保證水平估算

根據(jù)理論發(fā)電量，確定損耗率及隨機(jī)損耗率計(jì)算成果，按照正態(tài)分布估算了該風(fēng)電場(chǎng)在不同保證水平下的1年期、10年期和20年期凈發(fā)電量，估算成果見表4。

表3 風(fēng)電場(chǎng)歷史隨機(jī)損耗率估算表

表4 風(fēng)電場(chǎng)不同保證水平發(fā)電量估算表

從表4可以看出，通過(guò)綜合折減法估算該風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量為27 097.7萬(wàn)kWh，接近1年期P85發(fā)電量，略低于10年期和20年期P90發(fā)電量，說(shuō)明該上網(wǎng)電量多年運(yùn)行期保證率可以達(dá)到90%，保證水平較高。

3 結(jié) 語(yǔ)

在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可將發(fā)電量和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，概率折減法具備保證率屬性，能夠很好地服務(wù)于風(fēng)險(xiǎn)控制決策。概率折減法建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上，細(xì)致全面地考慮了可能影響發(fā)電量的各種不利因子，折減過(guò)程依據(jù)因子的作用階段不同劃分為直接折減和不確定折減?？梢园l(fā)揮工程師豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定出盡可能接近風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的折減系數(shù)，計(jì)算過(guò)程科學(xué)可靠，計(jì)算結(jié)果能夠清晰地反映出上網(wǎng)電量的保證率水平，為項(xiàng)目業(yè)主進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

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Study on Calculation Methods for Different Generation of Overseas Wind Farms

LI Li, LI Yu-kun, LIU Wei

(POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd, Xi'an 710065, China)

With the practice of one wind farm in Pakistan, the wind resources of the farm are assessed. Additionally, the conventional general reduction method, bench generation method and probability reduction method are applied respectively to calculate the annual feed-in-generation of the wind farm. In accordance with requirements of the overseas wind farm operation mode and financing requirements of the bank, the power generation and the risk control are integrated into the design of the wind farm, satisfying the Employer's requirements on the risk management.

wind farm; feed-in-grid energy; guarantee level; risk management

2014-08-11

李麗(1986- ),女,西安市人,工程師,主要從事風(fēng)能資源評(píng)估工作.

TV614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.023