某陸上風(fēng)電機(jī)組選型、布置及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

童 旭

（國能龍源電力技術(shù)工程有限責(zé)任公司，北京 100039）

0 引言

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

風(fēng)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。全球已有100多個國家開始發(fā)展風(fēng)電，其中美國、丹麥、荷蘭、英國、德國等國家均在風(fēng)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(fēng)電的度電成本區(qū)間已經(jīng)明顯低于化石能源，陸上風(fēng)電平均成本逐漸接近水電，達(dá)到6美分/（kW·h）。隨著技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電項(xiàng)目的度電成本仍在進(jìn)一步降低，風(fēng)電將成為最經(jīng)濟(jì)的綠色電力之一。截至2021年底，全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到837 GW，且年裝機(jī)容量持續(xù)增長[3]。從累計裝機(jī)量來看，截至2021年末，我國陸上風(fēng)電累計裝機(jī)容量320 GW，占全球陸上總裝機(jī)量的40%，海上風(fēng)電累計裝機(jī)容量25.35 GW，占全球海上總裝機(jī)量的48%，我國已成為累計裝機(jī)量第一大國家。截至2022年11月，我國風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到350 GW，占發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?3.9%[4]?？梢?，無論是新增還是累計風(fēng)電裝機(jī)容量，我國的風(fēng)電市場規(guī)模均已占據(jù)全球首位。

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

針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類和各類機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了風(fēng)電場開發(fā)初期影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的主要因素和機(jī)型比選方法步驟，并以某風(fēng)電場為實(shí)例，對比得出了推薦機(jī)型。在風(fēng)能特性研究方面，李靖等[7]研究了高原地區(qū)湍流對風(fēng)電機(jī)組的影響，從湍流對風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的諸多影響及其作用原理。蔡彥楓等[8]開展了測風(fēng)激光雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)的對比觀測試驗(yàn)研究，得到風(fēng)廓線雷達(dá)觀測結(jié)果的極差和標(biāo)準(zhǔn)差整體偏大，測風(fēng)精度不及測風(fēng)激光雷達(dá)的結(jié)論。聚焦于典型臺風(fēng)外圍影響，陳佳俊等[9]研究了湍流程度、陣風(fēng)系數(shù)等的演變特性，基于此分析了上述因素對風(fēng)電機(jī)組選型的影響，并進(jìn)一步提出在臺風(fēng)期間單獨(dú)實(shí)施槳角控制策略的方法，在保證機(jī)組安全性的同時，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能利用的最大化。針對海上風(fēng)電，劉展志等[10]綜合分析了歐洲各國的海上風(fēng)電發(fā)展情況，并結(jié)合具體實(shí)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(fēng)險管理的海上風(fēng)電進(jìn)度控制方法，能夠有效識別進(jìn)度管理中的工作重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)展的有效推動，有助于集中資源管理風(fēng)險，避免或減少工期延誤。

上述研究工作對風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(fēng)場風(fēng)電機(jī)組選型、布置及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，優(yōu)選出4種風(fēng)力發(fā)電機(jī)型進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)向和風(fēng)能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運(yùn)輸和安裝條件，以風(fēng)電場發(fā)電量較大、機(jī)組相互尾流影響較小為原則進(jìn)行風(fēng)機(jī)的優(yōu)化布置。研究成果能夠?yàn)橥愱懮巷L(fēng)電機(jī)組選型、布置及發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析提供一定的理論及技術(shù)支撐。

1 風(fēng)電機(jī)組型號選擇

1.1 單機(jī)容量選取

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

1.2 基于風(fēng)況特性的機(jī)型方案選擇

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

在安全等級方面，根據(jù)歷史測風(fēng)數(shù)據(jù)資料，位于電場內(nèi)測風(fēng)塔的80 m高度處，該位置50年一遇的最大風(fēng)速值能夠達(dá)到33.1 m/s，相應(yīng)的極大風(fēng)速值達(dá)46.3 m/s。據(jù)此推算，在風(fēng)機(jī)輪轂高度為75 m處，強(qiáng)風(fēng)下的最大湍流強(qiáng)度可達(dá)0.07，湍流強(qiáng)度相對較小。參照國際電工協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，所選風(fēng)電機(jī)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(jī)型進(jìn)行綜合比選分析。4種單機(jī)容量在1 500～2 500 kW，輪轂高度在75～85 m的直驅(qū)機(jī)型或雙饋機(jī)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(fēng)速均為3 m/s，電壓和頻率分別為690 V和50 Hz。

各比選機(jī)型在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（ρ=1.225 kg/m3）下的功率曲線和標(biāo)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(jī)型在10～12 m/s風(fēng)速之間均能達(dá)到額定功率，標(biāo)幺值曲線變化較為接近。在2～4 m/s的低風(fēng)速范圍內(nèi)，WTG1機(jī)型的推力系數(shù)最高。

圖1 比選機(jī)型的主要性能曲線對比

1.3 各機(jī)型上網(wǎng)電量計算

在進(jìn)行上網(wǎng)電量計算前，應(yīng)進(jìn)行四方面的準(zhǔn)備工作，具體包括：1）取得測風(fēng)塔一整年的經(jīng)修正插補(bǔ)訂正后的歷史測風(fēng)數(shù)據(jù)；2）每個機(jī)型均采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的功率曲線，如圖1（a）所示，實(shí)際功率曲線按IEC 61400標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折減，輪轂高度范圍為各機(jī)型配套生產(chǎn)的推薦輪轂高度；3）根據(jù)實(shí)際需求，各風(fēng)電機(jī)型布置的總裝機(jī)容量在50 MW以內(nèi)；4）針對各方案分別進(jìn)行優(yōu)化布機(jī)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(fēng)電場風(fēng)能資源特點(diǎn)和場區(qū)地形條件，結(jié)合選定場區(qū)范圍和裝機(jī)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(fēng)電機(jī)型的布置位置進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)計算獲得WTG1和WTG2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型方案布置如圖2（a）所示，WTG3和WTG4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型布置分別如圖2（b）和圖2（c）所示。

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圖2 不同機(jī)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(jìn)行系統(tǒng)分析。進(jìn)一步地，綜合考慮影響機(jī)組發(fā)電量的一系列折減因素，計算獲得各機(jī)型方案的年上網(wǎng)電量。經(jīng)計算，各機(jī)型方案下的上網(wǎng)電量如表2所示。

表2 各機(jī)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(jī)型，風(fēng)電場的年平均上網(wǎng)電量以WTG1機(jī)型方案最大，為10 530萬kW·h，年等效滿負(fù)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(fù)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(fù)荷利用小時數(shù)為2 038 h。

1.4 各比選機(jī)型投資估算

發(fā)電成本不僅影響著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也是衡量企業(yè)管理能力的重要標(biāo)志[12]。根據(jù)前述各機(jī)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(jī)型的投資如表3所示。

表3 各比選機(jī)型的投資估算

1.5 推薦機(jī)型分析

由表3給出的各比選機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可見，在4個比較機(jī)型方案中，從效益來看，以WTG1機(jī)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(jī)型的投資位于33 634萬～35 543萬元，WTG3方案的整體費(fèi)用最低，單位千瓦投資為7 007元，WTG1機(jī)型方案次之，單位千瓦投資為7 163元，WTG4機(jī)型方案投資相對較大，單位千瓦投資為7 239元。從項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性來看，在參與比較的4個比選機(jī)型方案中，單位度電投資以WTG1機(jī)型方案最小，為3.367元/（kW·h），WTG2方案次之，為3.440元/（kW·h），WTG4機(jī)型方案相對較大，為3.481元/（kW·h）。在4個機(jī)型比選方案中，WTG1機(jī)型表現(xiàn)出了更好的經(jīng)濟(jì)性。

1.6 風(fēng)機(jī)輪轂高度

對于風(fēng)機(jī)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(jì)性的輪轂高度。由于推薦代表機(jī)型為WTG1型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其可選的風(fēng)機(jī)輪轂高度分別為70、75、85 m?？紤]到風(fēng)電場及周邊的實(shí)際運(yùn)輸條件，本文以75 m和85 m輪轂高度方案進(jìn)行比較。不同輪轂高度下的經(jīng)濟(jì)性對比如表4所示，可見，當(dāng)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(jì)性來看，當(dāng)輪轂高度由75 m提高至85 m時，造價、運(yùn)輸及安裝等的費(fèi)用相應(yīng)增長，對應(yīng)投資費(fèi)用增加了5.29%，其費(fèi)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(fèi)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(fēng)機(jī)的輪轂高度。

表4 不同輪轂高度下的經(jīng)濟(jì)性對比

2 風(fēng)電機(jī)組總體布置位置分析

基于上述風(fēng)電機(jī)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(fēng)電場各區(qū)域風(fēng)資源好壞的風(fēng)能風(fēng)譜圖，而后結(jié)合風(fēng)電場數(shù)字化地形圖，借助WindFarmer風(fēng)電場優(yōu)化設(shè)計軟件，對風(fēng)電機(jī)組的布置位置進(jìn)行總體優(yōu)化，并通過持續(xù)的局部位置調(diào)整，進(jìn)行反復(fù)迭代。最終獲得優(yōu)化調(diào)整后的整體風(fēng)機(jī)布置如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組布置

3 風(fēng)電場年發(fā)電量計算

在進(jìn)行風(fēng)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(fēng)電場總裝機(jī)容量為49.5 MW，采用WTG1型風(fēng)機(jī)，對應(yīng)安裝臺數(shù)為33臺，單機(jī)容量為1 500 kW；2）采用擬布機(jī)點(diǎn)位的空氣密度平均值（1.074 kg/m3）作為風(fēng)電場空氣密度；3）考慮風(fēng)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(fēng)機(jī)功率曲線折減、氣候影響停機(jī)、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(jī)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(fēng)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(jī)上網(wǎng)電量為319.1萬kW·h，年等效滿負(fù)荷小時數(shù)為2 127 h，具體計算結(jié)果如表5所示。

表5 風(fēng)電場年上網(wǎng)電量計算

4 結(jié)論

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

1）根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)向和風(fēng)能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運(yùn)輸和安裝條件，以風(fēng)電場發(fā)電量較大、機(jī)組相互尾流影響較小為原則進(jìn)行風(fēng)機(jī)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(jī)容量為1 500 kW的WTG1型風(fēng)力機(jī)型作為風(fēng)電場的代表機(jī)型。

3）綜合考慮風(fēng)電機(jī)組利用率與各類損耗等的折減，最終獲得在安裝33臺單機(jī)容量1 500 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的情況下，預(yù)計年上網(wǎng)電量105 298 MW·h，年等效滿負(fù)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(jì)性。