◎姚 遠(yuǎn)

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)中的核心設(shè)備，其投資占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)總投資的74%至82%。風(fēng)力發(fā)電資源特性的匹配情況、運(yùn)行可靠性、可維護(hù)性等對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)效益有著重大影響。風(fēng)電機(jī)組的合理選型就是要在利用風(fēng)能上產(chǎn)生最大效率和最好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 風(fēng)電機(jī)組選型

1.1 機(jī)型比選方案

1.1.1 世界風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)

目前，全球范圍內(nèi)包括以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)、風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)技術(shù)為核心的風(fēng)能利用技術(shù)已日臻成熟；風(fēng)能利用的市場(chǎng)體系、法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)亦日趨完善。這都為現(xiàn)階段大規(guī)模風(fēng)能開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)強(qiáng)保障?？v觀全球，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備其技術(shù)主要有以下發(fā)展趨勢(shì)：

首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量一直在增大。為了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電成本和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本的降低，大容量風(fēng)電機(jī)組的安裝被廣泛安裝實(shí)用，這樣也能增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)然，我國(guó)現(xiàn)在風(fēng)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也在向不斷加大單機(jī)容量，同時(shí)把單位千瓦重量降低，轉(zhuǎn)換效率不斷升高的方向上趨近。

第二，目前發(fā)展快速的是變槳距功率可調(diào)節(jié)型的機(jī)組。眾所周知其變槳距功率調(diào)節(jié)的方法對(duì)負(fù)荷具有控制穩(wěn)定、安全、效率高等優(yōu)勢(shì)，近些年我們?cè)陲L(fēng)電機(jī)組尤其是大型風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用非常多。

第三，變頻技術(shù)的應(yīng)用十分迅速。由于提升了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和電力電子技術(shù)，越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組研發(fā)制造企業(yè)已經(jīng)采用了變速恒頻的技術(shù)，并且與變槳距技術(shù)相結(jié)合來(lái)運(yùn)用，繼而研制出現(xiàn)在在市場(chǎng)上應(yīng)用及推廣迅速的變槳變速的風(fēng)電機(jī)組。日前，全球有90%以上的風(fēng)電機(jī)組均采用了變速恒頻技術(shù)，并且使用的份額一直在逐步的提高。

最后，無(wú)齒輪箱風(fēng)電機(jī)組的市場(chǎng)份額的蛋糕也是迅速做大。現(xiàn)有的無(wú)齒輪箱采用的直驅(qū)方式能夠高效地降低由于齒輪箱問(wèn)題所引起的發(fā)電機(jī)組的故障，還能夠高效的提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用年限，降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本，所以在市場(chǎng)上很受歡迎。[1]

1.1.2 中國(guó)風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)

近些年，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備生產(chǎn)能力在快速提高，產(chǎn)業(yè)能力在迅速集中，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上中國(guó)制造企業(yè)的進(jìn)一步鞏固霸主地位，而且實(shí)現(xiàn)了海外的出口。

中國(guó)主要風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)在2011年所簽風(fēng)電機(jī)組供貨合同已超過(guò)2000萬(wàn)千瓦，僅大唐電力、金風(fēng)科技、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力三家企業(yè)就簽訂了共計(jì)超過(guò)約1300萬(wàn)千瓦的項(xiàng)目合同，基本具備實(shí)現(xiàn)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)年平均增長(zhǎng)1500萬(wàn)千瓦的能力。

在提高風(fēng)電機(jī)組供貨能力的同時(shí)，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組裝備制造技術(shù)水平也在明顯提升，陸續(xù)有一些風(fēng)電機(jī)組制造廠家投入到大型風(fēng)電設(shè)備制造競(jìng)爭(zhēng)行列，現(xiàn)在我國(guó)自主研發(fā)的1.5-2.0MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組已占據(jù)中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)的主要份額。2016年，金風(fēng)科技、東汽、湘電等大型風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)都已有5MW或6MW的大容量機(jī)組，且目前運(yùn)行情況良好，預(yù)計(jì)很快將投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

2016年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電量創(chuàng)紀(jì)錄。2016年風(fēng)力發(fā)電大幅上升25.73%，至2113.0億千瓦時(shí)。預(yù)計(jì)2017年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1，846億千瓦時(shí)，未來(lái)五年（2017-2021）年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為15.20%，2021年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到3，252億千瓦時(shí)。

1.2 機(jī)型初選

1.2.1 基本原則

根據(jù)中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電項(xiàng)目的風(fēng)能資源條件，對(duì)技術(shù)較為成熟的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行篩選，通過(guò)機(jī)組價(jià)格、電氣設(shè)備費(fèi)用和施工費(fèi)用等方面的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，結(jié)合場(chǎng)址區(qū)地形特點(diǎn)，同時(shí)考慮業(yè)主方的要求。[2]

1.2.2 中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電項(xiàng)目主要指標(biāo)

中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)西側(cè)705603#測(cè)風(fēng)塔100m高度代表年平均風(fēng)速為6.65m/s，年平均風(fēng)功率密度為304.1W/m2，90m高度代表年平均風(fēng)速為6.41m/s，年平均風(fēng)功率密度為272.5W/m2，50m高度年平均風(fēng)速5.73m/s，年平均風(fēng)功率密度193.5W/m2，屬于一級(jí)風(fēng)場(chǎng)。場(chǎng)址區(qū)705603#測(cè)風(fēng)塔90m和100m高度50年一遇最大風(fēng)速分別為33.3m/s和33.6m/s（保守起見(jiàn)，取方法二的計(jì)算結(jié)果），油田測(cè)風(fēng)塔100m高度50年一遇最大風(fēng)速分別為35.3m/s，705603#測(cè)風(fēng)塔90m、100m高度特征湍流強(qiáng)度（15m/s風(fēng)速段）均≤0.12。

另外根據(jù)大港氣象站的統(tǒng)計(jì)資料，多年極端最低氣溫為-19.4℃（海拔高程3m）；705603#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)最低氣溫為-8.0℃（海拔高程3m），全年無(wú)氣溫＜-20℃的小時(shí)數(shù)。根據(jù)上述指標(biāo)，本風(fēng)電場(chǎng)適合安裝IECⅢC類及以上等級(jí)的常溫型風(fēng)電機(jī)組。[3]

1.2.3 實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的方案選擇

根據(jù)機(jī)型初選的基本原則和中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電場(chǎng)主要指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選擇了5種技術(shù)較為成熟、已有一定運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的機(jī)組，組成了6種技術(shù)方案（參見(jiàn)表1），從技術(shù)參數(shù)、機(jī)型特點(diǎn)、功率曲線、推力系數(shù)曲線、多年平均上網(wǎng)電量、建設(shè)成本、運(yùn)行成本等因素出發(fā)，進(jìn)行方案篩選。

2 風(fēng)電機(jī)組布置

中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)位于天津市大港區(qū)南港工業(yè)區(qū)南大堤外坡腳處，場(chǎng)區(qū)呈東西向直線，南港工業(yè)區(qū)填海陸地與海洋的交界處。根據(jù)場(chǎng)址區(qū)的地形、地貌特點(diǎn)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組布置。

中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)實(shí)際可利用大堤長(zhǎng)度為11.6km，裝機(jī)容量90MW。為充分利用風(fēng)電場(chǎng)的資源條件，風(fēng)電機(jī)組的排布以整列單排方式布機(jī)，合理控制風(fēng)機(jī)尾流影響，以獲得較大電量，并適當(dāng)注意避免過(guò)于分散布置，以利用交通安裝條件，減少集電線路長(zhǎng)度，充分利用場(chǎng)地。[4]

風(fēng)電機(jī)組的排布應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)主風(fēng)向和主風(fēng)能方向判斷，以基本垂直于主風(fēng)向和主風(fēng)能方向，同時(shí)兼顧次主風(fēng)向和次主風(fēng)能的原則來(lái)排布機(jī)組。中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電場(chǎng)主風(fēng)向和主風(fēng)能較為明顯，但不集中，主要分為三個(gè)區(qū)間，因此本次設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)布置采用緊湊型等間距布機(jī)方式（見(jiàn)圖 4）。

圖1 各機(jī)型功率曲線

圖2 各機(jī)型標(biāo)幺值功率曲線

圖3 各機(jī)型推力系數(shù)曲線

圖4 臺(tái)機(jī)組布置示意

3 方案經(jīng)濟(jì)比選

3.1 多年平均上網(wǎng)電量計(jì)算

下面3種是常用的經(jīng)濟(jì)比選方案:

（1）年度電投資法：靜態(tài)投資/年上網(wǎng)電量。

（2）差額內(nèi)部收益率法：在等量上網(wǎng)電價(jià)條件下，可對(duì)備選方案進(jìn)行類比，最終確認(rèn)方案。

（3）最低電價(jià)法：依據(jù)財(cái)務(wù)分析，投資估算出每種風(fēng)力機(jī)電價(jià)，低者勝出。

比較得出年度電投資法最簡(jiǎn)單和便捷，這個(gè)算法常在項(xiàng)目可研階段使用。結(jié)合各方案的機(jī)組安裝、風(fēng)電機(jī)組輪轂的高度，還有把風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的折減系數(shù)考慮進(jìn)去，并且對(duì)多年平均上網(wǎng)電量進(jìn)行計(jì)算。為了方便比較選擇，各個(gè)方案理論發(fā)電量均都可采用空氣密度為1.225kg/m3的功率曲線計(jì)算，空氣密度修正系數(shù)可依據(jù)各機(jī)型輪轂高度的空氣密度確定，除尾流折減外，其他折減按24%計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，WTG1方案的多年平均上網(wǎng)電量為1.564億kW·h，等效利用小時(shí)數(shù)2173h，指標(biāo)最好；WTG2方案的多年平均上網(wǎng)電量為1.780億kW·h，等效利用小時(shí)數(shù)1648h，指標(biāo)最低。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算

以發(fā)電量計(jì)算為基礎(chǔ)，采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算，也就是說(shuō)在發(fā)電量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，同時(shí)集合各方案的靜態(tài)投資數(shù)據(jù)和上網(wǎng)電價(jià)的漲幅，從而得出最優(yōu)方案。計(jì)算的邊界條件依據(jù)5年期以上貸款的利率是5.9%，短期貸款的利率是5.6%，計(jì)算年期是25年，還貸期是15年，其資本金比例是20%，其余款項(xiàng)使用國(guó)內(nèi)商業(yè)銀行的貸款。增值稅率取17%，所得稅率取25%，上網(wǎng)電價(jià)為0.76元/kW·h。根據(jù)上述邊界條件，計(jì)算各方案的全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（稅前），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。

方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較表

3.3 方案選擇

進(jìn)行方案的選擇需要從靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析不同的角度進(jìn)行比較?！岸入娡顿Y”和“度電成本”是風(fēng)力發(fā)電工程項(xiàng)目領(lǐng)域中經(jīng)常應(yīng)用到的靜態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有簡(jiǎn)單、快捷、易算、直觀的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)樵摻?jīng)濟(jì)指標(biāo)沒(méi)有考慮在整個(gè)運(yùn)營(yíng)年度內(nèi)資金的時(shí)間價(jià)值，因此不能準(zhǔn)確、全面地反映項(xiàng)目在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益，在此僅作為參考值。

分析方法中有一種最常用多方案比較方法是“內(nèi)部收益率法”，其將工程項(xiàng)目中投資要素的變化及運(yùn)營(yíng)期間資金的時(shí)間價(jià)值進(jìn)行充分的考慮，然后利用多種方案里的兩兩差值比較，可比較準(zhǔn)確地反映出不同方案在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益，是現(xiàn)有的比較科學(xué)、全面的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4 最終推薦方案的優(yōu)點(diǎn)

從上表可以看出，WTG1方案的單位千瓦靜態(tài)投資為14032元/kW，度電成本為6.46元/kW·h，從動(dòng)態(tài)指標(biāo)，在6個(gè)方案中均是最優(yōu)的，但其機(jī)型有待深入考核。從規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)角度計(jì)，尚須謹(jǐn)慎選擇。WTG4方案其度電成本為6.49元/kW·h，比WTG1僅高0.03，其他財(cái)務(wù)指標(biāo)也基本相當(dāng)。因此本次可研設(shè)計(jì)選擇排名第二位的WTG4為本工程推薦方案。

WTG4風(fēng)電機(jī)組是為單機(jī)容量5.0MW的半直驅(qū)永磁變槳風(fēng)電機(jī)組，葉輪直徑132m，塔筒高度95m，該機(jī)組運(yùn)行安全、技術(shù)最為先進(jìn)、成熟可靠，適應(yīng)本風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境。而且，經(jīng)過(guò)相關(guān)考察了解，相比其他機(jī)型此機(jī)型在運(yùn)輸及安裝上有較大優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化的空間很大。

5 最終推薦方案風(fēng)電機(jī)組布置

本次設(shè)計(jì)選擇了“WTG4/5000kW 95m”輪轂高度的推薦方案，中國(guó)水電天津南港海上風(fēng)電場(chǎng)一期工程共安裝18臺(tái)WTG4/5000kW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際裝機(jī)容量為90MW。

[1]王帥.對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備優(yōu)化選型的探討[J].電力技術(shù)，2010（2）：52-56.

[2]黃國(guó)清.風(fēng)電項(xiàng)目商業(yè)計(jì)劃書(shū)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[3]李占儒.大唐（赤峰）新能源有限公司風(fēng)電運(yùn)營(yíng)管理體系構(gòu)建研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[4]馮迎春.淺談寧夏地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)宏觀和微觀選址[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013（12）：22.

[5]王紅偉.內(nèi)蒙古高原風(fēng)資源利用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2011.