文 | 王靖程，敖海，李育文，姚玲玲，楊旭

風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估對(duì)運(yùn)行工作指導(dǎo)作用的研究

文 | 王靖程，敖海，李育文，姚玲玲，楊旭

后評(píng)估是項(xiàng)目建設(shè)的一個(gè)重要階段，通常用于分析項(xiàng)目決策時(shí)確定的目標(biāo)和項(xiàng)目完成后各項(xiàng)指標(biāo)的差異，為決策者提供參考依據(jù)。風(fēng)電項(xiàng)目的后評(píng)估起步較晚，在風(fēng)電項(xiàng)目大規(guī)模建設(shè)逐漸完成后，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)存在發(fā)電量無(wú)法達(dá)到預(yù)期值、項(xiàng)目投資收益難以確保的問(wèn)題，引起了各方的廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估項(xiàng)目多從項(xiàng)目的設(shè)備選型與采購(gòu)、建設(shè)規(guī)模與發(fā)電能力、施工情況、項(xiàng)目投資、運(yùn)營(yíng)成本、項(xiàng)目銷售及經(jīng)濟(jì)效益等方面對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)論主要作為決策參考，為后續(xù)項(xiàng)目的建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

為了確定風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)是否達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)確定的目標(biāo)，全面、準(zhǔn)確地了解全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及不同風(fēng)電機(jī)組性能之間的差異，為風(fēng)電場(chǎng)決策者在后續(xù)管理和機(jī)組維護(hù)方面提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)分析依據(jù)。本文對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)可研數(shù)據(jù)、測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)和SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行了綜合評(píng)估，結(jié)果表明該風(fēng)電場(chǎng)可行性研究報(bào)告中的發(fā)電量設(shè)計(jì)值相對(duì)保守，且因設(shè)備可利用率低、實(shí)際功率曲線未達(dá)到設(shè)計(jì)功率曲線等原因，導(dǎo)致風(fēng)能資源條件好的機(jī)組發(fā)電效率反而偏低，最后從機(jī)組可利用率和功率曲線兩方面針對(duì)性地提出了發(fā)電量提升建議和相關(guān)措施。

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分析

某風(fēng)電場(chǎng)可研報(bào)告顯示，風(fēng)電場(chǎng)空氣密度為1.219kg/m3，70m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)與氣象站數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，修訂后的代表年80m高度年平均風(fēng)速為6.2m/s，年平均風(fēng)功率密度為181.8W/ m2，代表年80m高度主風(fēng)能出現(xiàn)在SE－SSE方向，其次是N方向，主風(fēng)能和主風(fēng)向方向基本一致，風(fēng)電場(chǎng)年等效負(fù)荷小時(shí)數(shù)為1818小時(shí)，折減系數(shù)選取如表1所示。

2015年該風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量9644.47萬(wàn)千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量為9289.61萬(wàn)千瓦時(shí)，年等效負(fù)荷小時(shí)數(shù)為1548小時(shí)，顯著低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。為進(jìn)一步分析2015年風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況，對(duì)2015年全場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、機(jī)組運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集整理，并開(kāi)展了分析評(píng)估。

風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔與可研階段測(cè)風(fēng)塔位置一致，統(tǒng)計(jì)2015年全年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)完整性檢驗(yàn)和合理性檢驗(yàn)后，得到2015年度70m高度年均風(fēng)速為5.23m/s，年平均風(fēng)功率密度為146.5W/m2。根據(jù)可研報(bào)告的風(fēng)剪切系數(shù)，按0.1推算到80m輪轂高度，則80m高度年均風(fēng)速為5.33m/s，年平均風(fēng)功率密度為152.6W/m2，風(fēng)能資源情況明顯下降。風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)分析表明，風(fēng)電場(chǎng)主導(dǎo)風(fēng)向出現(xiàn)在N和SE方向，而風(fēng)能主導(dǎo)方向則集中在SSE方向，與可研數(shù)據(jù)基本一致。對(duì)各機(jī)位2015年10min風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與全場(chǎng)風(fēng)能資源數(shù)據(jù)分析結(jié)果相同，2015年度各機(jī)位年均風(fēng)速均低于可研設(shè)計(jì)值。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)功率曲線推算，得到的年等效負(fù)荷小時(shí)數(shù)約為1426小時(shí)。風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)電量與理論值相比偏差為7.88%，大于-4.8%－5%的不確定度，因此需進(jìn)一步進(jìn)行分析評(píng)估。

表1 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量折減系數(shù)

折減系數(shù)分析

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)功率曲線推算2015年全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組理論發(fā)電量為11488.60萬(wàn)千瓦時(shí)，實(shí)際發(fā)電量為9644.47萬(wàn)千瓦時(shí)，占理論發(fā)電量的83.95%，高于可研報(bào)告中給出的77.6%的折減系數(shù)（不考慮廠內(nèi)能量損耗修正）。2015年全場(chǎng)實(shí)際上網(wǎng)電量為9289.61萬(wàn)千瓦時(shí)，占理論發(fā)電量的80.86%，高于可研報(bào)告中給出的74.5%的綜合修正系數(shù)。由此可知，可研報(bào)告中的綜合修正系數(shù)偏低，低估了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力。

對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組2015年實(shí)際可利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后可知，2015年全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際平均可利用率為95.83%，略高于可研中95%的利用率。同時(shí)了解到，2015年風(fēng)電場(chǎng)未出現(xiàn)因臺(tái)風(fēng)、凝凍、暴雪等惡劣天氣導(dǎo)致的全場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象，因此氣候因素影響修正系數(shù)為0，低于可研報(bào)告中3%的修正系數(shù)。

設(shè)計(jì)階段采用的是87m風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)組，其額定風(fēng)速為12m/s，而風(fēng)電機(jī)組實(shí)際風(fēng)輪直徑為93m，額定風(fēng)速為11m/s。根據(jù)SCADA系統(tǒng)采集的2015年風(fēng)電機(jī)組功率曲線可以看出，大部分風(fēng)電機(jī)組功率曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功率曲線向左偏移，因此風(fēng)電機(jī)組功率曲線修正系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。

根據(jù)2015年度上網(wǎng)電量和實(shí)際發(fā)電量計(jì)算可知，場(chǎng)內(nèi)能量損耗率為3.68%，低于可研報(bào)告中4%的場(chǎng)內(nèi)能量損耗。

因風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際機(jī)位與設(shè)計(jì)機(jī)位一致，機(jī)組尾流影響、控制和湍流強(qiáng)度影響及葉片污染均按設(shè)計(jì)值考慮。

綜上所述，采用1%的風(fēng)電機(jī)組功率曲線修正系數(shù)修正風(fēng)電機(jī)組功率曲線后，綜合修正系數(shù)為80.8%，與2015 年80.86%的實(shí)際綜合修正系數(shù)接近。按照81%的綜合修正系數(shù)計(jì)算代表年等效負(fù)荷小時(shí)數(shù)，結(jié)果為1997小時(shí)，由此可知風(fēng)場(chǎng)的理論發(fā)電量提升裕量約為960萬(wàn)千瓦時(shí)。

SCADA數(shù)據(jù)分析

對(duì)2015年每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的10min平均風(fēng)速及標(biāo)準(zhǔn)功率曲線進(jìn)行計(jì)算，得到每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全年的理論發(fā)電量，并與實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行比較，定義風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率為實(shí)際發(fā)電量與理論發(fā)電量的比值，結(jié)果如表2所示。

可以看出，#4、#30、#23、#29、#19、#20、#12風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率大于90%，#28、#9、#13、#6、#15、#18、#7、#14風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率小于80%，其余風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率在全場(chǎng)平均值附近。因此，將#4、#30、#23、#29、#19、#20、#12劃為發(fā)電效率優(yōu)等風(fēng)電機(jī)組，將#28、#9、#13、#6、#15、#18、#7、#14劃為發(fā)電效率劣等機(jī)組，其余風(fēng)電機(jī)組劃為發(fā)電效率中等機(jī)組。為了進(jìn)一步分析不同類機(jī)組發(fā)電效率差異的原因，對(duì)風(fēng)電機(jī)組2015年可利用率、發(fā)電時(shí)間、偏航時(shí)間、停機(jī)次數(shù)、切入次數(shù)、偏航次數(shù)等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并畫(huà)出各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率與風(fēng)功率密度的關(guān)系圖，如圖1所示。

表2 全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組2015年理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量比較

由圖1可以看出，風(fēng)功率密度大的機(jī)組，發(fā)電效率反而低，發(fā)電效率優(yōu)等組的風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)功率密度為150.72W/m2，發(fā)電效率劣等組的風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)功率密度為182.69W/m2，而發(fā)電效率中等風(fēng)電機(jī)組的平均風(fēng)功率密度為173.92 W/m2，說(shuō)明發(fā)電效率劣等機(jī)組的風(fēng)能資源條件比發(fā)電效率優(yōu)等機(jī)組的風(fēng)能資源條件好，但沒(méi)有發(fā)揮其風(fēng)能資源的優(yōu)勢(shì)條件。

從各項(xiàng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)的分析可知，發(fā)電效率與可利用率基本成正相關(guān)關(guān)系，發(fā)電效率劣等機(jī)組的平均發(fā)電時(shí)間最短，且平均啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間最長(zhǎng)，從而可知設(shè)備可靠性是導(dǎo)致發(fā)電效率劣等機(jī)組發(fā)電效率低的主要原因。進(jìn)一步分析表明，發(fā)電效率劣等機(jī)組的平均故障時(shí)間是發(fā)電效率優(yōu)等機(jī)組的1.93倍，是發(fā)電效率中等機(jī)組的1.85倍，且平均停機(jī)次數(shù)、平均維護(hù)時(shí)間、平均維護(hù)次數(shù)均明顯高于發(fā)電效率優(yōu)等和發(fā)電效率中等機(jī)組。統(tǒng)計(jì)各等級(jí)故障停機(jī)次數(shù)可以看出，發(fā)電效率優(yōu)等機(jī)組、發(fā)電效率中等機(jī)組、發(fā)電效率劣等機(jī)組的全年平均故障次數(shù)分別為517次、719次、986次。對(duì)全場(chǎng)主要故障統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)電效率劣等機(jī)組的主要故障與全場(chǎng)機(jī)組出現(xiàn)最頻繁的故障重合，主要表現(xiàn)為變槳與主控間通信問(wèn)題、風(fēng)速風(fēng)向標(biāo)故障和變頻器系統(tǒng)故障。若消除發(fā)電效率劣等機(jī)組的主要故障后，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組平均年發(fā)電量可提升約3.36萬(wàn)千瓦時(shí)。

圖1 各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率與風(fēng)功率密度關(guān)系圖

圖2 #4風(fēng)電機(jī)組功率曲線

圖3 #9風(fēng)電機(jī)組功率曲線

圖4 #13風(fēng)電機(jī)組功率曲線

圖5 #14風(fēng)電機(jī)組功率曲線

將發(fā)電效率優(yōu)等的#4機(jī)組與發(fā)電效率劣等的#9、#13、#14機(jī)組的功率曲線進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)等機(jī)組功率曲線明顯好于其他機(jī)組，如圖2－圖5所示。#4風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下的功率曲線散點(diǎn)圖重心在標(biāo)準(zhǔn)功率曲線附近，機(jī)組滿發(fā)功率略高于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線；發(fā)電效率劣等機(jī)組在額定風(fēng)速以下的功率曲線散點(diǎn)圖重心低于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。其中#9風(fēng)電機(jī)組在11、12月存在限功率，與風(fēng)電場(chǎng)人員確認(rèn)為#9風(fēng)電機(jī)組變頻器易出現(xiàn)過(guò)流超溫故障，因此進(jìn)行手動(dòng)限功率，影響了機(jī)組發(fā)電量。

通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、折減系數(shù)和SCADA數(shù)據(jù)的分析可知，該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源可利用小時(shí)數(shù)較高，因此，保證機(jī)組運(yùn)行、提高機(jī)組可利用率，是提高全場(chǎng)發(fā)電量的主要途徑。在消缺維護(hù)和備品備件供應(yīng)上，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)按照風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能資源情況設(shè)立優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先保證風(fēng)能資源較好的風(fēng)電機(jī)組維護(hù)的及時(shí)性。對(duì)部分風(fēng)電機(jī)組的主控與變槳系統(tǒng)通信故障、變頻器系統(tǒng)故障、風(fēng)速風(fēng)向儀故障等頻發(fā)故障進(jìn)行集中消缺，以此減少風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)時(shí)間，提高發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量。對(duì)功率曲線較差機(jī)組，應(yīng)開(kāi)展葉片零位校準(zhǔn)工作，并加強(qiáng)變流器清灰除塵，減少超溫限功率次數(shù)。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估，可定量分析風(fēng)電場(chǎng)的提效潛力。某風(fēng)電場(chǎng)的后評(píng)估工作表明，該風(fēng)電場(chǎng)存在一定的理論發(fā)電量提升裕量，發(fā)電效率劣等機(jī)組的風(fēng)能資源條件比發(fā)電效率優(yōu)等機(jī)組的風(fēng)能資源條件好，但沒(méi)有將風(fēng)能資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電量?jī)?yōu)勢(shì)，發(fā)電效率劣等風(fēng)電機(jī)組的可利用率較低、實(shí)際功率曲線未達(dá)到設(shè)計(jì)功率曲線，導(dǎo)致其發(fā)電效率偏低。

開(kāi)展風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估工作，不僅可以幫助決策者判斷風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有發(fā)電能力和潛在發(fā)電量，明確工作重心和方向，而且通過(guò)定量計(jì)算，有助于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員了解運(yùn)維工作的重點(diǎn)和意義，指導(dǎo)運(yùn)維工作向更加高效的方向推進(jìn)。

（作者單位：王靖程，李育文，姚玲玲：西安熱工研究院有限公司；敖海，楊旭：華能新能源股份有限公司）