風電機組設(shè)備初選型方法研究

文 | 宋育紅

中國風電近十年來快速發(fā)展，全國總裝機容量自2010年以來一直穩(wěn)居榜首。風電場的投資，不是買來風電機組一裝了事，風電機組選型直接關(guān)系到風電場運行的效益，也決定著投資人的回報率。隨著風電機組制造業(yè)日臻成熟，適合中國低風速風況的國產(chǎn)化長葉片風電機組已有很多型號可供選擇，不再處于若干年前東方人不得不穿歐版西服的尷尬境地。因此，一個風電場選用合適的機型，才能保證投入最少、產(chǎn)出最大。

在投資開發(fā)風電場之初，需要根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)資料選定擬開發(fā)風電場區(qū)域，之后根據(jù)地形地勢豎桿立塔進行測風（通常至少測滿完整一年），并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)進行校核修訂，最后由設(shè)計院匯總出代表該區(qū)域風能資源的主要數(shù)據(jù)資料，包括風頻分布、主導(dǎo)風向、50年一遇的極大風速等數(shù)據(jù)，并出具風能資源分析報告。這是風電機組選型的基礎(chǔ)指標，也是今后微觀選址布機的重要依據(jù)，我們通常稱之為風電場的“基因”工程。

在獲得風電場的測風數(shù)據(jù)分析報告之后，通常就可以據(jù)此進行風電機組初步選型了。設(shè)計院在可研報告中也有相應(yīng)的章節(jié)對風電機組的選型進行測算分析。風電場立項之后，業(yè)主會將風能資源數(shù)據(jù)放入風電機組設(shè)備招標文件中，由設(shè)備商據(jù)此投標，通過組織評標專家評審，最后選定中標風電機組。風電項目投資中，風電設(shè)備價格過去一直占總投資70%以上，雖然由于風電機組的國產(chǎn)化率提高以及制造水平日臻成熟，風電機組設(shè)備價格逐步降低，但近幾年風電機組設(shè)備價格仍占總投資的50%以上，比重不可小覷，因此風電機組的選型尤為重要。設(shè)計院、評標專家不可或缺，但投資人自己明白選型的核心價值更為重要。筆者通過十幾年的學(xué)習、工作和實踐，逐步建立、積累了一種簡便的風電機組選型測算方法，不僅能夠在風電機組初選中把握方向，在最終的風電機組評標、合同談判中也能掌握主動，做到心中有數(shù)、成竹在胸，有條不紊地做好風電機組選型工作，為公司投資決策做好參謀。

方法概述

由于風電機組的單機容量、發(fā)電模式以及技術(shù)路線不同，單憑投標價格不能選出風電場最適用風電機組，也就是說，不是投標價格越低越好，也不是發(fā)電量越高越好。從投資人獲益最大化角度出發(fā)，應(yīng)該選擇投入產(chǎn)出最大的風電機組，也就是度電成本最低的風電機組。例如，1.5MW、2MW和3MW風電機組報價各不相同，同樣單機容量因為雙饋和直驅(qū)等不同技術(shù)路線價格也不相同，單機大容量的報價高，但單臺發(fā)電量也高，而在總?cè)萘恳欢ǖ那疤嵯屡_數(shù)會相對較少，相應(yīng)的風電機組基礎(chǔ)、場內(nèi)線路等工程量也會減少，此外，還應(yīng)考慮風電機組20年生命周期內(nèi)的運維費用，針對每一款投標風電機組，把以上大賬算下來落到度電成本上再進行比較，就能確定最適用風電機組。

按20年生命周期計算是最系統(tǒng)最全面的，但對于我們非設(shè)計單位的“業(yè)余人士”而言，風電機組選型只比出性價比高的即可，沒必要計算得那么嚴格精準。因此，上面將所說的度電成本比較法改為度電費用比較法更為貼切、簡便。如果將風電場涉及的所有支出都詳盡列入費用計算，那么度電費用就會更加逼近度電成本了。

案例分析

下面以河北省圍場縣風電項目設(shè)備招投標為例，介紹一種測算度電費用的方法，并據(jù)此選出最適用風電機組設(shè)備。

圍場項目位于河北境內(nèi)，此項目測風滿一年，并經(jīng)氣象站五十年相關(guān)數(shù)據(jù)校核，匯總出風電場的重要風能資源數(shù)據(jù)（表1）載明于招標文件；圍場項目有A、B、C三家設(shè)備商投標，各家風電機組參數(shù)（表2）載明于投標文件中。我們可根據(jù)風電場和設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進行計算分析并得出風電機組選型結(jié)論。

表1 圍場風電項目資源參數(shù)

一 、錄入風電場重要參數(shù)：不同測風高度對應(yīng)的風頻分布、空氣密度、輪轂高度、50年一遇極大風速和最大風速等

二、計算各投標風電機組單機年發(fā)電量

（1）為投標設(shè)備商建立一個excel表（表2），輸入各已知參數(shù)，根據(jù)測風高度、風頻分布、輪轂高度計算出輪轂高度的風速；

（2）根據(jù)（1）和功率曲線計算出相應(yīng)的出力；

（3）根據(jù)（2）和風頻分布計算出單機年發(fā)電量。

三、計算出風電場費用總價（A、B、C合表計算）

建立表3，以風電機組供貨商A、B和C為例，分別將其機組設(shè)備的主要參數(shù)列出，其中“單機理論年發(fā)電量”為表2的計算結(jié)果，根據(jù)供貨臺數(shù)和折減經(jīng)驗計算出“總發(fā)電量”。后面根據(jù)供貨投標設(shè)備所提供的塔筒重量和高度、風電機組基礎(chǔ)設(shè)計圖等分別計算出塔筒的價格、基礎(chǔ)的費用以及吊裝、箱變基礎(chǔ)等相關(guān)工程的費用，最后得出“費用總價”。

由于該項目招標時國內(nèi)兆瓦級風電機組剛剛起步，還未有運營多年的生產(chǎn)維護費用數(shù)據(jù)，現(xiàn)在許多風電機組已有運行10年的成本數(shù)據(jù)，同行們可在表3的“其他費用”中錄入并計算出最終的“費用總價”。重要的相關(guān)費用涵蓋越多，度電費用就越貼近實際，設(shè)備選型也就越準確。

四、計算出風電場度電費用

建立表4，以風電機組供貨商A、B和C為例，由于風電場生命周期為20年，分別列出各發(fā)電設(shè)備20年各年度理論發(fā)電量，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟理論，計算出20年折現(xiàn)“發(fā)電量”，再用各自相應(yīng)的“費用總價”去除，繼而得出度電費用。

攝影：肖紅波

表2 三家設(shè)備商所提供風電機組參數(shù)及發(fā)電量計算

b.設(shè)備商B風電機組參數(shù)及發(fā)電量計算機型 B77-1500 測風高度（m） 65 風速轉(zhuǎn)換系數(shù) 1 塔重（t） 109.49風輪直徑（m）77單機容量（kW）/臺數(shù)1500/33風電場容量（萬千瓦）4.95 50年極大風速（m/s）52.5輪轂高度（m）65年平均風速（m/s）6.73 風電場密度（ kg/m3）1.067標準密度（ kg/m3）1.225序號風速(m/s) 風頻分布（h）/65m功率曲線（kW）對應(yīng)功率曲線風速（m/s）輪轂風速（m/s）/65m相應(yīng)出力（kW）/pd+(pg-pd)＊0.x 相應(yīng)發(fā)電量（kWh）/W=P＊T 1 0 0 0 0 0 0 0 2 172 0 1 1 0 0 3 2 296 0 2 2 0 0 1 4 507 6 3.5 3 6 3042 5 4 605 37 4 4 37 22385 3 6 776 109 5 5 109 84584 7 6 988 212 6 6 212 209456 5 8 1085 357 7 7 357 387345 9 8 1014 549 8 8 549 556686 7 10 9 860 784 9 9 784 674240 11 10 713 1041 10 10 1041 742233 12 11 515 1293 11 11 1293 665895 13 12 335 1438 12 12 1438 481730 14 13 283 1497 13 13 1497 423651 15 14 195 1500 14 14 1500 292500 16 15 139 1500 15 15 1500 208500 17 16 70 1500 16 16 1500 105000 18 17 71 1500 17 17 1500 106500 19 18 48 1500 18 18 1500 72000 20 19 27 1500 19 19 1500 40500 21 20 25 1500 20 20 1500 37500 22 21 17 1500 21 21 1500 25500 23 22 9 1500 22 22 1500 13500 24 23 4 1500 23 23 1500 6000 25 24 5 1500 24 24 1500 7500 1 0 25 0 0 0單機年發(fā)電量（kWh） 5166247

c.設(shè)備商C風電機組參數(shù)及發(fā)電量計算機型 C1.5 測風高度（m） 65 風速轉(zhuǎn)換系數(shù) 1 塔重（t） 104.66風輪直徑（m） 82.04 單機容量（kW）/臺數(shù) 1500/33 風電場容量(萬千瓦) 4.95 50年極大風速（m/s） 52.5輪轂高度（m）65年平均風速（m/s）6.73 風電場密度（kg/m3）1.067標準密度（kg/m3）1.225序號 風速(m/s) 風頻分布(h)/65m功率曲線(kW)對應(yīng)功率曲線風速(m/s)輪轂風速(m/s)/65m相應(yīng)出力(kW)/pd+(pg-pd)＊0.x相應(yīng)發(fā)電量（kWh）/W=P＊T 1 0 0 0 0 0 0 0 2 172 0 1 1 0 0 3 2 296 0 2 2 0 0 1 4 507 3.02 3 3 3.02 1531.14 5 4 605 47.14 4 4 47.14 28519.7 3 6 776 115.2 5 5 115.2 89395.2 7 6 988 227.18 6 6 227.18 224453.84 5 8 1085 387.97 7 7 387.97 420947.45 9 8 1014 604.57 8 8 604.57 613033.98 7 10 9 860 882.28 9 9 882.28 758760.8 11 10 713 1168.82 10 10 1168.82 833368.66 12 11 515 1437.68 11 11 1437.68 740405.2 13 12 335 1500 12 12 1500 502500 14 13 283 1500 13 13 1500 424500 15 14 195 1500 14 14 1500 292500 16 15 139 1500 15 15 1500 208500 17 16 70 1500 16 16 1500 105000 18 17 71 1500 17 17 1500 106500 19 18 48 1500 18 18 1500 72000 20 19 27 1500 19 19 1500 40500 21 20 25 1500 20 20 1500 37500 22 21 17 1500 21 21 1500 25500 23 22 9 1500 22 22 1500 13500 24 23 4 1500 23 23 1500 6000 25 24 5 1500 24 24 1500 7500 1 0 25 0 0 0單機年發(fā)電量（kWh） 5552415.97

五、風電機組初選型

建立表5，以風電機組供貨商A、B和C為例，將上述各表的主要指標和計算結(jié)果匯總。根據(jù)上述計算和匯總，可以粗算出三家投標廠家的度電費用，表5中供貨商C的度電費用最低，對該項目而言，應(yīng)為最佳推薦機型。

另外還有以下幾點需要關(guān)注：

（1）關(guān)于空氣密度。招標時我們都要求設(shè)備商提供設(shè)計認證和型式認證報告，以及針對風電場空氣密度下的保證功率曲線。值得注意的是風電機組認證報告中的功率曲線是在標準空氣密度（1.225kg/m3）下的數(shù)值，我們在計算發(fā)電量時要使用實際風電場的空氣密度下的功率曲線（設(shè)備商提供的保證功率曲線）。以圍場風電場為例，該風電場空氣密度為1.067 kg/m3，低于標準空氣密度，因此修正完的風電場功率曲線應(yīng)比標準功率曲線值低，依此計算的發(fā)電量也低。過往風電機組招標就出現(xiàn)過投標人直接用標準功率曲線作為保證功率曲線投標的情況，因此在計算發(fā)電量前應(yīng)先審核保證功率曲線的真實準確性。

表3 風電機組設(shè)備商風電場費用數(shù)據(jù)列表

表4 設(shè)備商投標風電機組設(shè)備的度電費用（折現(xiàn)率：8%）

（2）關(guān)于安全性。IEC標準有2類安全風速，一是平均風速，用以考量風電機組的疲勞載荷；二是極大風速（3s平均）或最大風速（10min平均），又稱生存風速，二者是1.4倍關(guān)系，通常分析一個即可，用以考量極端載荷。以圍場風電場為例，實際空氣密度下50年一遇的極大風速是52.2m/s，折合到標準空氣密度下的極大風速應(yīng)低于52.2m/s，根據(jù)IEC標準，風電場平均風速6.73m/s，屬三類風電場，抗極大風速為52.5m/s，大于前折算極大風速值，因此投標的風電機組均處于安全范圍內(nèi)。

表5 風電機組設(shè)備主要指標和計算結(jié)果匯總

結(jié)論

本文介紹了風電機組設(shè)備初選型的一種方法，要點就是通過提供的風電場風頻分布、極限風速等主要數(shù)據(jù)和風電機組設(shè)備的功率曲線、輪轂高度、單機容量、投標價格等主要數(shù)據(jù)分別計算出擬選風電機組設(shè)備的總發(fā)電量和總費用，進而計算出風電機組設(shè)備的度電費用，最低者為最佳，應(yīng)將業(yè)主發(fā)一度電投入最少的風電機組設(shè)備作為首選。

以上引例介紹的是風電機組初選型的一種方法，該方法也可用于風電機組預(yù)選型分析，即可以建一個風電機組資源庫，將國內(nèi)外可獲取主流風電機組的型號、單機容量、輪轂高度、功率曲線等參數(shù)一一列入，隨時查用；另外，在評標中也可校核投標機型的數(shù)據(jù)是否真實可信。中國風能設(shè)備分會每年都會匯編一冊風電機組匯總資料，大家可以據(jù)此建庫。

攝影：何海青