淺談風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量偏差原因
——基于實(shí)際案例分析

文/黃潤(rùn)蘭 陳 瑤

0 引言

風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量是決定項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)，直接影響風(fēng)電場(chǎng)的效益水平，決定了項(xiàng)目的投資決策。一般來(lái)說(shuō)，在風(fēng)電場(chǎng)的前期工作階段，會(huì)通過(guò)風(fēng)資源評(píng)估軟件計(jì)算項(xiàng)目年上網(wǎng)電量的設(shè)計(jì)值。然而，由于各方面的原因，風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量的設(shè)計(jì)值和投產(chǎn)后的實(shí)際值存在一定的偏差。分析偏差的原因，可以為后續(xù)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 影響風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量的因素

影響風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量的因素主要有場(chǎng)址的風(fēng)能資源情況、風(fēng)機(jī)的選型、機(jī)組的布置方案、機(jī)組的質(zhì)量以及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人員的管理水平等。本文選取國(guó)內(nèi)某一風(fēng)電場(chǎng)，主要從以上幾個(gè)方面的角度分析其實(shí)際上網(wǎng)電量與設(shè)計(jì)值偏差的原因。

2 國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)概況

某風(fēng)電場(chǎng)位于國(guó)內(nèi)中南部區(qū)域的農(nóng)墾地，風(fēng)電場(chǎng)地形較為平坦，海拔介于9～19 m，場(chǎng)址北部為水域，周邊開(kāi)闊。風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)屬于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的濕潤(rùn)季風(fēng)氣候帶。

該風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)安裝24臺(tái)單機(jī)容量為2 MW、輪轂高度為90 m，葉輪直徑為112 m的風(fēng)電機(jī)組（WT2.0MW-112），總裝機(jī)容量為48 MW。在初步設(shè)計(jì)中，經(jīng)評(píng)估測(cè)風(fēng)代表年機(jī)位處的年平均風(fēng)速為5.59 m/s，預(yù)計(jì)年上網(wǎng)電量為10 140萬(wàn)kWh，年滿(mǎn)發(fā)小時(shí)為2 113 h。然而該風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)首年實(shí)際上網(wǎng)電量為8 052萬(wàn)kWh，滿(mǎn)發(fā)小時(shí)為1 678 h，與初步設(shè)計(jì)相差了20.6%。

3 發(fā)電量偏差分析

3.1 風(fēng)能資源情況

該風(fēng)電場(chǎng)附近有一座測(cè)風(fēng)塔，測(cè)風(fēng)塔于一個(gè)完整測(cè)風(fēng)年90 m高度的年平均風(fēng)速為5.58 m/s，風(fēng)功率密度為178.1 W/m2，風(fēng)能主方向?yàn)闁|北（見(jiàn)圖1）。經(jīng)長(zhǎng)年代訂正后，認(rèn)為該測(cè)風(fēng)年為平風(fēng)年。測(cè)風(fēng)塔周邊開(kāi)闊，代表性較好。由測(cè)風(fēng)塔推算各機(jī)位輪轂高度處的年平均風(fēng)速為5.59 m/s。

圖1 測(cè)風(fēng)塔100 m高度風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖

由于該風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔后續(xù)沒(méi)有測(cè)風(fēng)，無(wú)法知曉運(yùn)營(yíng)首年該測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)資源情況?？刹捎?Tier再分析數(shù)據(jù)作為參考，推算運(yùn)營(yíng)首年該測(cè)風(fēng)塔的年平均風(fēng)速。3Tier再分析數(shù)據(jù)于測(cè)風(fēng)年的年平均風(fēng)速為6.50 m/s，于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)首年的年平均風(fēng)速為5.97 m/s。計(jì)算其年平均風(fēng)速的相對(duì)差值（見(jiàn)表1）。

表1 測(cè)風(fēng)塔不同測(cè)風(fēng)年再分析數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：m/s

推算運(yùn)營(yíng)首年為小風(fēng)年，較長(zhǎng)年水平偏小8.15%，測(cè)風(fēng)塔在這一年的平均風(fēng)速為5.13 m/s。

由此推斷，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)首年為小風(fēng)年，這是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量達(dá)不到設(shè)計(jì)值的主要原因之一。

3.2 機(jī)型選型

風(fēng)電機(jī)組選型直接決定風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量以及項(xiàng)目在整個(gè)運(yùn)行期的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)機(jī)型選擇需綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源、氣候條件、工程建設(shè)等條件，在滿(mǎn)足設(shè)備安全、施工可行等基本原則的基礎(chǔ)上，充分利用風(fēng)能資源，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

經(jīng)極端風(fēng)速分析認(rèn)為該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)位輪轂高度附近的50年一遇10 min平均最大風(fēng)速小于37.5 m/s。測(cè)風(fēng)塔100 m～80 m間15 m/s風(fēng)速段的湍流強(qiáng)度為0.087～0.098，7.5～15 m/s風(fēng)速段的湍流強(qiáng)度為0.094～0.106。屬于較小湍流強(qiáng)度等級(jí)。風(fēng)機(jī)選型需考慮環(huán)境湍流疊加風(fēng)機(jī)尾流而形成的風(fēng)電場(chǎng)有效湍流，選擇能安全承受有效湍流的風(fēng)機(jī)。

該風(fēng)電場(chǎng)安裝的24臺(tái)是WT112-2.0 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。根據(jù)本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源的評(píng)估結(jié)論，該機(jī)型滿(mǎn)足本風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行工況要求，風(fēng)機(jī)選型基本合理。

3.3 機(jī)組布置方案

本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能主要集中在NE向，其中NE占風(fēng)能頻率約40.3%。機(jī)組布置方案如圖2所示，該風(fēng)電場(chǎng)地形較為平坦，機(jī)組主要是垂直于主風(fēng)能方向一字排開(kāi)，經(jīng)測(cè)算，風(fēng)機(jī)平均尾流損失為6.1%。風(fēng)電場(chǎng)的年上網(wǎng)電量計(jì)算已考慮了因風(fēng)機(jī)尾流所造成的發(fā)電量損失。

圖2 該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組布置示意圖

3.4 機(jī)組質(zhì)量及運(yùn)維水平

據(jù)調(diào)查，該風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)首年風(fēng)機(jī)葉片曾進(jìn)行了大范圍的修復(fù)以及部分替換，如表2所示。從表2可知，06#、15#、19#風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)時(shí)間都超過(guò)了100天，其中19#風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)269天。這將嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的出力，導(dǎo)致發(fā)電量的損失。在葉片修復(fù)期間，風(fēng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)管理或降功率運(yùn)行，由此所造成的各月份發(fā)電量損失如表3所示。由于風(fēng)機(jī)葉片的更換和修復(fù)，損失電量高達(dá)7.87%。此外，在風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)和更換之前，風(fēng)機(jī)的發(fā)電性能可能受到影響，沒(méi)有達(dá)到正常的功率曲線水平，也會(huì)造成發(fā)電量的損失。

表2 國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)葉片修復(fù)及更換統(tǒng)計(jì)

表3 發(fā)電量損失統(tǒng)計(jì)表

（續(xù)表）

4 總結(jié)

風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量與場(chǎng)址風(fēng)能資源水平、風(fēng)機(jī)選型、機(jī)組排布方案、機(jī)組質(zhì)量以及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人員的管理水平等因素有關(guān)。分析國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)首年發(fā)電量與設(shè)計(jì)電量偏差的原因，結(jié)果表明，第一，運(yùn)營(yíng)首年為小風(fēng)年，是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量達(dá)不到設(shè)計(jì)值的主要原因之一；第二，風(fēng)機(jī)大規(guī)模檢修，是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量達(dá)不到設(shè)計(jì)值的另一主要原因。

風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)發(fā)電量為20年發(fā)電量的平均值，每年發(fā)電量會(huì)隨著大小風(fēng)年而波動(dòng)。風(fēng)能資源評(píng)估需要根據(jù)測(cè)風(fēng)塔當(dāng)年的平均風(fēng)速，進(jìn)行長(zhǎng)年代訂正，宜采取多種數(shù)據(jù)多種途徑復(fù)核長(zhǎng)年代的訂正結(jié)果；風(fēng)機(jī)選型宜選擇設(shè)備可靠性高的型號(hào)，以降低故障的發(fā)生率；風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)要加強(qiáng)管理，提高維護(hù)人員的響應(yīng)速度及管理水平。