某陸上風電機組選型、布置及技術(shù)經(jīng)濟性研究

童 旭

（國能龍源電力技術(shù)工程有限責任公司，北京 100039）

0 引言

在“雙碳”目標背景下，風電具有綠色排放、資源消耗低、經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢，從而成為低碳經(jīng)濟中最重要的新能源之一[1]。目前，隨著風電機組容量的持續(xù)增長及主流機型容量的不斷提高，如何綜合考慮風機布置、上網(wǎng)電量及成本經(jīng)濟性等因素進行風電機組合理選型，已成為風電領(lǐng)域關(guān)注的重點[2]。

風電作為環(huán)境友好、技術(shù)成熟的可再生能源，已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。全球已有100多個國家開始發(fā)展風電，其中美國、丹麥、荷蘭、英國、德國等國家均在風力發(fā)電的研究與應(yīng)用方面投入了大量的人力和資金。全球陸上風電的度電成本區(qū)間已經(jīng)明顯低于化石能源，陸上風電平均成本逐漸接近水電，達到6美分/（kW·h）。隨著技術(shù)進步，風電項目的度電成本仍在進一步降低，風電將成為最經(jīng)濟的綠色電力之一。截至2021年底，全球累計風電裝機容量達到837 GW，且年裝機容量持續(xù)增長[3]。從累計裝機量來看，截至2021年末，我國陸上風電累計裝機容量320 GW，占全球陸上總裝機量的40%，海上風電累計裝機容量25.35 GW，占全球海上總裝機量的48%，我國已成為累計裝機量第一大國家。截至2022年11月，我國風電裝機容量已達到350 GW，占發(fā)電裝機總?cè)萘康?3.9%[4]。可見，無論是新增還是累計風電裝機容量，我國的風電市場規(guī)模均已占據(jù)全球首位。

盡管我國在大型風機開發(fā)及研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，但風電機組的技術(shù)經(jīng)濟性及產(chǎn)品化程度仍有待進一步提高[5]。因此，如何更加合理地進行風電機組選型，獲得更好的技術(shù)經(jīng)濟性已成為本領(lǐng)域研究的熱點問題。在風電機組設(shè)計建設(shè)中，風電機組選型的好壞不僅影響著風力場投資的多少，還直接影響著投產(chǎn)后的發(fā)電量和運行成本，最終決定上網(wǎng)電價。因此，在風力項目固定資產(chǎn)投資中，風力機組的選型具有重要意義。

針對風力發(fā)電機組選型，近些年國內(nèi)開展了較為豐富的研究，肖洪波[6]研究了風力發(fā)電機組的分類和各類機型的優(yōu)缺點，提出了風電場開發(fā)初期影響風力發(fā)電機組選型的主要因素和機型比選方法步驟，并以某風電場為實例，對比得出了推薦機型。在風能特性研究方面，李靖等[7]研究了高原地區(qū)湍流對風電機組的影響，從湍流對風電機組選型、發(fā)電能力、偏航系統(tǒng)、載荷等方面的影響展開分析，闡述了湍流對風電機組的諸多影響及其作用原理。蔡彥楓等[8]開展了測風激光雷達與風廓線雷達的對比觀測試驗研究，得到風廓線雷達觀測結(jié)果的極差和標準差整體偏大，測風精度不及測風激光雷達的結(jié)論。聚焦于典型臺風外圍影響，陳佳俊等[9]研究了湍流程度、陣風系數(shù)等的演變特性，基于此分析了上述因素對風電機組選型的影響，并進一步提出在臺風期間單獨實施槳角控制策略的方法，在保證機組安全性的同時，實現(xiàn)了風能利用的最大化。針對海上風電，劉展志等[10]綜合分析了歐洲各國的海上風電發(fā)展情況，并結(jié)合具體實例提出了四種輸電技術(shù)應(yīng)用情景。官嫣嫣等[11]研究得到了基于風險管理的海上風電進度控制方法，能夠有效識別進度管理中的工作重點，實現(xiàn)項目進展的有效推動，有助于集中資源管理風險，避免或減少工期延誤。

上述研究工作對風力發(fā)電機組選型等方面具有一定的理論及技術(shù)指導(dǎo)意義，但在風電機組綜合性設(shè)計選型方面，系統(tǒng)性的研究報道仍然較為匱乏。本文聚焦于某陸上風場風電機組選型、布置及技術(shù)經(jīng)濟性分析，優(yōu)選出4種風力發(fā)電機型進行技術(shù)經(jīng)濟性比較，根據(jù)風電場風向和風能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運輸和安裝條件，以風電場發(fā)電量較大、機組相互尾流影響較小為原則進行風機的優(yōu)化布置。研究成果能夠為同類陸上風電機組選型、布置及發(fā)電經(jīng)濟性分析提供一定的理論及技術(shù)支撐。

1 風電機組型號選擇

1.1 單機容量選取

研究表明，對于確定的風電場，在特定技術(shù)、經(jīng)濟、國產(chǎn)化比例約束下，使風機單機容量處于某一范圍內(nèi)，能夠獲得較好的經(jīng)濟性。根據(jù)目前國內(nèi)外風電機組裝機情況，基于單機容量大小，可將風電機組分為兆瓦級以下機組（750～1 000 kW）、兆瓦級機組（1.5～2.0 MW）和多兆瓦級機組（2.5 MW、3.0 MW、3.6 MW和5.0 MW）。本文研究對象為山地風電場，場址內(nèi)及進場道路施工難度相對較大，但風電場所在位置對外交通條件較好，因此，綜合考慮風電場范圍、地形特征、運輸條件和國內(nèi)外風電技術(shù)及現(xiàn)狀等，風電機組單機容量選擇范圍在1 500～2 500 kW。

1.2 基于風況特性的機型方案選擇

機型方案選擇應(yīng)對風電場風能資源和風電機組安全性等因素進行綜合考慮。首先，應(yīng)系統(tǒng)獲得風場的風能參數(shù)。經(jīng)風能數(shù)據(jù)分析可知，當風機輪轂高度為75 m時，該處的年均風速能夠達到6.50 m/s，對應(yīng)的風功率密度達302.4 W/m2。對于該風電場的整體風速分布而言，其主要風速段位于2～11 m/s，占比85.8%以上。對應(yīng)的風能則主要集中在5～14 m/s風速段，占比99.8%以上。經(jīng)以上風能數(shù)據(jù)分析可知，該風電場屬于低風速型風電場，風能分布相對較為集中，因此風電機組宜選擇對低風速段利用較為充分的高效能風機。

在安全等級方面，根據(jù)歷史測風數(shù)據(jù)資料，位于電場內(nèi)測風塔的80 m高度處，該位置50年一遇的最大風速值能夠達到33.1 m/s，相應(yīng)的極大風速值達46.3 m/s。據(jù)此推算，在風機輪轂高度為75 m處，強風下的最大湍流強度可達0.07，湍流強度相對較小。參照國際電工協(xié)會標準，所選風電機型應(yīng)滿足IEC ⅢC類安全等級。

綜合考慮上述分析及廠家供貨能力等因素，擬定包括WTG1、WTG2、WTG3、WTG4在內(nèi)的共計4種機型進行綜合比選分析。4種單機容量在1 500～2 500 kW，輪轂高度在75～85 m的直驅(qū)機型或雙饋機型特征參數(shù)如表1所示，功率調(diào)節(jié)方式為變槳變速，切入風速均為3 m/s，電壓和頻率分別為690 V和50 Hz。

各比選機型在標準空氣密度（ρ=1.225 kg/m3）下的功率曲線和標幺值曲線分別如圖1（a）和圖1（b）所示，推力系數(shù)曲線如圖1（c）所示。從圖中對比結(jié)果可見，4種機型在10～12 m/s風速之間均能達到額定功率，標幺值曲線變化較為接近。在2～4 m/s的低風速范圍內(nèi)，WTG1機型的推力系數(shù)最高。

圖1 比選機型的主要性能曲線對比

1.3 各機型上網(wǎng)電量計算

在進行上網(wǎng)電量計算前，應(yīng)進行四方面的準備工作，具體包括：1）取得測風塔一整年的經(jīng)修正插補訂正后的歷史測風數(shù)據(jù)；2）每個機型均采用標準空氣密度下的功率曲線，如圖1（a）所示，實際功率曲線按IEC 61400標準進行折減，輪轂高度范圍為各機型配套生產(chǎn)的推薦輪轂高度；3）根據(jù)實際需求，各風電機型布置的總裝機容量在50 MW以內(nèi)；4）針對各方案分別進行優(yōu)化布機方式的試算，經(jīng)過綜合對比選取最優(yōu)方案。

首先，根據(jù)風電場風能資源特點和場區(qū)地形條件，結(jié)合選定場區(qū)范圍和裝機規(guī)模要求，按照最大年發(fā)電量及最小尾流影響的原則，借助WindFarmer理論計算軟件對每個比選風電機型的布置位置進行優(yōu)化。經(jīng)計算獲得WTG1和WTG2風力發(fā)電機組機型方案布置如圖2（a）所示，WTG3和WTG4風力發(fā)電機組機型布置分別如圖2（b）和圖2（c）所示。

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圖2 不同機型的布置方案對比

而后，采用WT計算軟件對各方案下的理論發(fā)電量及尾流影響進行系統(tǒng)分析。進一步地，綜合考慮影響機組發(fā)電量的一系列折減因素，計算獲得各機型方案的年上網(wǎng)電量。經(jīng)計算，各機型方案下的上網(wǎng)電量如表2所示。

表2 各機型比較方案的上網(wǎng)電量計算結(jié)果

可見，采用上述不同機型，風電場的年平均上網(wǎng)電量以WTG1機型方案最大，為10 530萬kW·h，年等效滿負荷利用小時為2 127 h，而WTG2和WTG4的年上網(wǎng)電量次之，分別為10 331萬kW·h和9 877萬kW·h，對應(yīng)的年等效滿負荷小時數(shù)分別為2 086 h和2 080 h。WTG3方案相對較小，年平均上網(wǎng)電量為9 767萬kW·h，年等效滿負荷利用小時數(shù)為2 038 h。

1.4 各比選機型投資估算

發(fā)電成本不僅影響著風電機組運行的經(jīng)濟性，也是衡量企業(yè)管理能力的重要標志[12]。根據(jù)前述各機型參數(shù)、總體布置，結(jié)合土建工程和施工布置等因素，估算各比選機型的投資如表3所示。

表3 各比選機型的投資估算

1.5 推薦機型分析

由表3給出的各比選機型技術(shù)經(jīng)濟指標可見，在4個比較機型方案中，從效益來看，以WTG1機型方案的年上網(wǎng)電量最大，WTG2方案次之，WTG3方案最低。由投資總額對比結(jié)果可見，4種機型的投資位于33 634萬～35 543萬元，WTG3方案的整體費用最低，單位千瓦投資為7 007元，WTG1機型方案次之，單位千瓦投資為7 163元，WTG4機型方案投資相對較大，單位千瓦投資為7 239元。從項目經(jīng)濟性來看，在參與比較的4個比選機型方案中，單位度電投資以WTG1機型方案最小，為3.367元/（kW·h），WTG2方案次之，為3.440元/（kW·h），WTG4機型方案相對較大，為3.481元/（kW·h）。在4個機型比選方案中，WTG1機型表現(xiàn)出了更好的經(jīng)濟性。

1.6 風機輪轂高度

對于風機輪轂高度的選擇，其核心是對比分析提高輪轂高度所帶來的發(fā)電量增大與建設(shè)成本增加之間的關(guān)系，應(yīng)綜合考慮，選擇更具合理經(jīng)濟性的輪轂高度。由于推薦代表機型為WTG1型風力發(fā)電機組，其可選的風機輪轂高度分別為70、75、85 m?？紤]到風電場及周邊的實際運輸條件，本文以75 m和85 m輪轂高度方案進行比較。不同輪轂高度下的經(jīng)濟性對比如表4所示，可見，當輪轂高度由75 m增大至85 m時，年上網(wǎng)電量增加了1.15%。從投資和經(jīng)濟性來看，當輪轂高度由75 m提高至85 m時，造價、運輸及安裝等的費用相應(yīng)增長，對應(yīng)投資費用增加了5.29%，其費用增加幅度要高于對應(yīng)的電量增加幅度。并且，對比單位度電的投資額可知，輪轂高度為85 m時的費用為3.505元/（kW·h），要略高于75 m時的投資額。因此，最終選擇75 m作為風機的輪轂高度。

表4 不同輪轂高度下的經(jīng)濟性對比

2 風電機組總體布置位置分析

基于上述風電機組布置優(yōu)化原則，首先采用WT理論計算軟件，生成能夠反映風電場各區(qū)域風資源好壞的風能風譜圖，而后結(jié)合風電場數(shù)字化地形圖，借助WindFarmer風電場優(yōu)化設(shè)計軟件，對風電機組的布置位置進行總體優(yōu)化，并通過持續(xù)的局部位置調(diào)整，進行反復(fù)迭代。最終獲得優(yōu)化調(diào)整后的整體風機布置如圖3所示。

圖3 風電場風電機組布置

3 風電場年發(fā)電量計算

在進行風電場年發(fā)電量計算時，首先需考慮以下因素：1）根據(jù)前述設(shè)計分析，風電場總裝機容量為49.5 MW，采用WTG1型風機，對應(yīng)安裝臺數(shù)為33臺，單機容量為1 500 kW；2）采用擬布機點位的空氣密度平均值（1.074 kg/m3）作為風電場空氣密度；3）考慮風電場山體上部地表植被低矮，地表粗糙度擬取0.05 m；4）綜合考慮包括空氣密度折減、尾流折減修正、湍流與控制折減、葉片污染折減、風機功率曲線折減、氣候影響停機、能量損耗等在內(nèi)的多因素影響。

基于上述計算條件，獲得綜合折減系數(shù)為70.4%，單機最大尾流影響、最小尾流影響及平均尾流影響分別為8.5%、0.5%和3.9%。對應(yīng)風電場的年理論發(fā)電量為15 554萬kW·h，年上網(wǎng)電量為10 530萬kW·h，平均單機上網(wǎng)電量為319.1萬kW·h，年等效滿負荷小時數(shù)為2 127 h，具體計算結(jié)果如表5所示。

表5 風電場年上網(wǎng)電量計算

4 結(jié)論

本文立足于陸上風電機組選型、布置及技術(shù)經(jīng)濟性研究，以某風電場為研究對象，綜合考慮風場特性、交通運輸、地形地貌等因素，對比分析了4種代表風電機型（WTG1、WTG2、WTG3、WTG4）的技術(shù)經(jīng)濟性。主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)風電場風向和風能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運輸和安裝條件，以風電場發(fā)電量較大、機組相互尾流影響較小為原則進行風機的優(yōu)化布置。在此基礎(chǔ)上，采用WT軟件模擬了尾流影響與發(fā)電量情況。

2）推薦選取布置33臺單機容量為1 500 kW的WTG1型風力機型作為風電場的代表機型。

3）綜合考慮風電機組利用率與各類損耗等的折減，最終獲得在安裝33臺單機容量1 500 kW風力發(fā)電機組的情況下，預(yù)計年上網(wǎng)電量105 298 MW·h，年等效滿負荷小時數(shù)2 127 h，容量系數(shù)0.243，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的技術(shù)經(jīng)濟性。