范煒，鐘天宇，劉慶超，李憶

(華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

近年來，我國不斷推進(jìn)可再生能源項(xiàng)目的開發(fā)，部分開發(fā)難度大、地形復(fù)雜、并網(wǎng)容易、電價(jià)相對較高的區(qū)域風(fēng)電場得到了開發(fā)。這類區(qū)域風(fēng)電場地形起伏大、風(fēng)速風(fēng)向多變，因此，其微觀選址較平坦地形風(fēng)電場難度大，選址優(yōu)劣與風(fēng)電場收益的關(guān)系更加密切，必須引起各方的高度重視［1］。

目前，微觀選址軟件主要有WindFarmer，Win-Pro和OpenWind，各軟件的原理基本相同，都是以分析計(jì)算得出的風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)資源分布數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再輸入風(fēng)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)，設(shè)定布機(jī)區(qū)域及相關(guān)限制條件，通過迭代計(jì)算，得出風(fēng)電場發(fā)電量最高的布機(jī)方案。然后通過現(xiàn)場踏勘，根據(jù)實(shí)際情況，對軟件計(jì)算的布機(jī)方案進(jìn)行微調(diào)，得出風(fēng)電場最終的微觀選址方案［2］。

復(fù)雜地形大致可分為隆升地形和低凹地形2類，包括山脈、丘陵、谷地等，其地形高差起伏較大，地表多有曲折、轉(zhuǎn)彎和折角等特征。在此地形條件下，最優(yōu)點(diǎn)位湍流強(qiáng)度或入流角可能無法滿足廠家要求，需要進(jìn)行分析計(jì)算。同時(shí)，由于復(fù)雜地形致使道路和集電線路造價(jià)過高，需要對不同布機(jī)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

因此，本文提出基于快速投資估算及費(fèi)用－效益模型的復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址方法，其綜合考慮了湍流強(qiáng)度、入流角、綜合造價(jià)及經(jīng)濟(jì)效益等影響因素，從而確定最優(yōu)方案，使投資方效益最大化。

1 復(fù)雜地形微觀選址影響因素分析

1.1 湍流強(qiáng)度

由于風(fēng)是隨機(jī)的，加之地表粗糙度的不同和障礙物的影響，由此產(chǎn)生無規(guī)則的湍流會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來不可估量的危害，主要影響如下:

(1)減少可利用風(fēng)能;

(2)使風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)加大;

(3)葉片受力不均衡，引起部件機(jī)械磨損，從而縮短風(fēng)機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使葉片及部分部件毀壞。

因此，在復(fù)雜地形條件下選址時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各個(gè)機(jī)位的湍流強(qiáng)度，以滿足廠家要求。

在復(fù)雜地形條件下，運(yùn)用線性理論直接根據(jù)測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度預(yù)測風(fēng)電機(jī)組機(jī)位的湍流強(qiáng)度和湍流頻譜分布誤差較大。當(dāng)氣流穿越山丘時(shí)，氣流加速，湍流強(qiáng)度可能會(huì)下降，因此，建議運(yùn)用基于計(jì)算流體力學(xué)理論的風(fēng)資源計(jì)算軟件對復(fù)雜地形湍流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析［3］。

1.2 入流角

復(fù)雜條件場址的特殊入流角情況也是制約風(fēng)電機(jī)組布置的一個(gè)因素，入流角是衡量風(fēng)向偏移對風(fēng)電機(jī)組引起的偏負(fù)荷的參數(shù)。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組可承受入流角不大于8°的風(fēng)況，而不同廠家對入流角的接受會(huì)有所不同，出現(xiàn)特殊的情況時(shí)，應(yīng)與廠家及時(shí)溝通、協(xié)調(diào)，以確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

1.3 綜合造價(jià)及效益分析

在復(fù)雜地形條件下，不同機(jī)位對風(fēng)電場道路、集電線路等單位工程造價(jià)影響較大，并且道路及集電線路單位造價(jià)較高。因此，在微觀選址時(shí)，不能單獨(dú)追求高發(fā)電量，應(yīng)對不同方案下的增量投資進(jìn)行費(fèi)用－效益分析，從而得出最佳方案。

2 基于費(fèi)用－效益模型的風(fēng)電場微觀選址

2.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電場投資估算

在風(fēng)電場建設(shè)中，影響總投資的主要因素有裝機(jī)容量、機(jī)組價(jià)格、地形、集電線路長度、基礎(chǔ)形式、風(fēng)機(jī)載荷、永久征地費(fèi)用以及臨時(shí)征地費(fèi)用等。

利用目前已有的工程進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，其中輸入因素主要為:

(1)裝機(jī)容量，以百萬千瓦為單位。

(2)單臺機(jī)組價(jià)格，以億元為單位。

(4)集電線路形式:架空線取 0.1，地纜取0.2。

(5)基礎(chǔ)彎矩載荷，單位為109N·m。

(6)永久征地費(fèi)用，單位為千元/m2。

(7)臨時(shí)征地費(fèi)用，單位為千元/m2，輸出為風(fēng)電場總投資，單位為百億元。

(8)風(fēng)機(jī)臺數(shù)，以千臺為單位。

搜集已有工程數(shù)據(jù)，按照以上輸入、輸出因素建立樣本數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立投資估算模型，從而對新工程進(jìn)行快速投資估算。

2.2 費(fèi)用－效益模型

費(fèi)用－效益分析法通過對項(xiàng)目的投入(費(fèi)用)和產(chǎn)出(效益)的對比分析，定量考察工程項(xiàng)目的費(fèi)用、效益狀況，研究建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的得失、優(yōu)劣進(jìn)行評價(jià)和比較，為合理決策提供一種分析方法［4］。

從工程角度出發(fā)，按照費(fèi)用－效益理論，在風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營中，可分為年發(fā)電成本和年發(fā)電收益。

(1)年發(fā)電成本可分為建設(shè)投資成本、財(cái)務(wù)成本和風(fēng)電場經(jīng)營成本。建設(shè)投資成本通常為一次性投資，分布在項(xiàng)目初期，通常以折舊費(fèi)計(jì)入總成本費(fèi)用;風(fēng)力發(fā)電不存在燃料成本，其經(jīng)營成本主要包括風(fēng)電機(jī)組的修理費(fèi)、人員工資及福利、材料費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)等。

（4）針對農(nóng)村生活環(huán)境中存在的臟、亂、差現(xiàn)象，采取建設(shè)秸稈堆漚池、糞便處理池、生物凈化池（或沼氣池）、污水處理池，配備戶用垃圾桶等措施，實(shí)現(xiàn)垃圾分類處理，生活污水、生活垃圾和人畜糞便的無害化處理與資源化利用，以減小水功能區(qū)的污染負(fù)荷。

(2)年發(fā)電收益取決于風(fēng)電場的年發(fā)電量，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的功率特性曲線、風(fēng)電場風(fēng)速狀況計(jì)算得到。

根據(jù)以上分析，可建立式(1)所示的費(fèi)用－效益模型

式中:F為風(fēng)電場壽命期內(nèi)收益凈現(xiàn)值;Pw為風(fēng)電場上網(wǎng)電量;p為電價(jià);i為折現(xiàn)率;n為建設(shè)期和經(jīng)營期總年數(shù);Ij為第j年建設(shè)總投資，包括設(shè)備及安裝工程投資、建筑工程總投資、占地費(fèi)用、價(jià)差預(yù)備費(fèi)、建設(shè)期利息、送出工程投資等;Oj為以投資年為起始年的第j年的修理費(fèi)，修理費(fèi) =固定資產(chǎn)價(jià)值 ×修理費(fèi)率;Rj為第j年貸款償還利息;Tj為第j年的其他費(fèi)用，包括工資及福利、材料費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、其他額外費(fèi)用等，職工工資及福利費(fèi)=編制定員×職工年平均工資×(1+福利系數(shù))，材料費(fèi)按元/kW計(jì)，保險(xiǎn)費(fèi)=固定資產(chǎn)價(jià)值×保險(xiǎn)費(fèi)率，保險(xiǎn)費(fèi)率通常取0.25%，其他額外費(fèi)用=風(fēng)電場裝機(jī)容量×其他額外費(fèi)用定額。

2.3 基于費(fèi)用－效益模型的風(fēng)電場微觀選址

根據(jù)費(fèi)用－效益模型及常規(guī)微觀選址計(jì)算方法，可歸納基于費(fèi)用－效益模型的風(fēng)電場微觀選址方法流程圖，如圖1所示。

圖1 基于快速投資估算及費(fèi)用－效益模型的風(fēng)電場微觀選址方法流程圖

主要計(jì)算步驟如下:

(1)利用已知數(shù)據(jù)和風(fēng)資源分析軟件計(jì)算風(fēng)資源分布圖，運(yùn)用優(yōu)化布機(jī)軟件，確定不同布機(jī)方案并估算上網(wǎng)電量［5］。

(2)計(jì)算各個(gè)布機(jī)方案的工程總投資。

(3)運(yùn)用費(fèi)用－效益模型對各個(gè)布機(jī)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，從而得出最優(yōu)方案。

3 案例分析

以某復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址方案為例進(jìn)行分析說明。受風(fēng)電場場地條件的限制，原則上規(guī)定平行主導(dǎo)風(fēng)向不小于7倍風(fēng)輪直徑，垂直主導(dǎo)風(fēng)向不小于4倍風(fēng)輪直徑。利用基于計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)的Meteodyn Suite WT軟件，輸入測風(fēng)塔測風(fēng)資料、場址的1∶1 000地形圖以及粗糙度、風(fēng)電機(jī)組的功率曲線、推力系數(shù)曲線等數(shù)據(jù)，計(jì)算出風(fēng)電場各個(gè)水平及垂直(40～70 m)區(qū)域的風(fēng)功率密度、入流角及湍流強(qiáng)度等參數(shù)，在選定區(qū)域運(yùn)用OpenWind軟件對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化布置。設(shè)定湍流強(qiáng)度小于0.15、入流角小于8°這2個(gè)限定條件，得到各個(gè)風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)。通過分析計(jì)算，確定以下2種方案，如圖2、圖3所示。

表1為2種方案風(fēng)電場年上網(wǎng)電量計(jì)算結(jié)果，由表1可知:方案2較方案1風(fēng)電場年上網(wǎng)電量增加了1.91%，但由于道路及集電線路增長，從而致使投資增加了290萬元。風(fēng)電場經(jīng)營期為20年，含稅上網(wǎng)電價(jià)按0.61元/(kW·h)計(jì);工資及福利按年160萬元計(jì);材料費(fèi)按8元/kW計(jì);其他費(fèi)用按40元/kW計(jì);保險(xiǎn)費(fèi)按總投資的0.25%計(jì);貸款比例為固定資產(chǎn)投資的80%，貸款年利率按6.8%計(jì)算，還款年限為15年;年修理費(fèi)按經(jīng)營期平均值計(jì)算，為固定資產(chǎn)投資的1.5%;折現(xiàn)率按8%計(jì)算［6］。方案1總投資為13 188萬元，方案2總投資為13478萬元，方案1與方案2凈現(xiàn)金流量見表2。

表1 2種方案風(fēng)電場年上網(wǎng)電量計(jì)算結(jié)果

表2 2種方案凈現(xiàn)金流量 萬元

按照費(fèi)用－效益模型，2種方案壽命期內(nèi)收益凈現(xiàn)值分別為8940.63萬元和8517.48萬元，因此，推薦方案1。

4 結(jié)論

(1)通過對復(fù)雜地形條件下微觀選址主要影響因素進(jìn)行分析，建議投資方在考慮湍流強(qiáng)度、入流角后，再綜合造價(jià)及效益，選擇最佳布機(jī)方案，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

(2)本文通過分析建立了費(fèi)用－效益模型，從而可以實(shí)現(xiàn)不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，方便投資者及設(shè)計(jì)者做出最優(yōu)決策。

(3)鑒于目前軟件缺少費(fèi)用－效益分析功能，因此建議開發(fā)相關(guān)軟件，以方便設(shè)計(jì)者能夠以最高效率準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)工作。

［1］王承煦，張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［2］宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場工程技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］Tony Burton.風(fēng)能技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］范煒，張文忠，劉慶超.基于費(fèi)用－效益模型的風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化選型研究［J］.華東電力，2010，38(6):914 －916.

［5］白紹桐，胡曉，陳顯揚(yáng)，等.風(fēng)電場微觀選址工作的探討［J］.華電技術(shù)，2008，30(3):73 －76.

［6］楊慶蔚，王曉濤，羅國三.建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法與參數(shù)［M］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.