吳 昊

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038)

由于海上風(fēng)能資源豐富且適合大規(guī)模開(kāi)發(fā)，海上風(fēng)電逐漸成為風(fēng)電發(fā)展的重要趨勢(shì)。截止2017年底，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)1 881萬(wàn)kW。根據(jù)NREL預(yù)測(cè)，到2022年，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)有望達(dá)到5 177萬(wàn)kW。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電場(chǎng)受天氣和環(huán)境因素影響更大，如何通過(guò)合理的運(yùn)用風(fēng)場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)指導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維顯得十分重要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)機(jī)”)可利用率是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)場(chǎng)基本沿用風(fēng)機(jī)制造廠商提供的風(fēng)機(jī)可利用率計(jì)算公式，這不利于從運(yùn)營(yíng)商角度準(zhǔn)確評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能和提升運(yùn)維管理水平。本文在對(duì)比國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)可利用率算法的基礎(chǔ)上，提出基于發(fā)電量的可利用率算法作為行業(yè)內(nèi)的統(tǒng)一性能指標(biāo)。

1 風(fēng)機(jī)可利用率的定義和分類(lèi)

根據(jù)風(fēng)電領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威認(rèn)證和咨詢(xún)機(jī)構(gòu)DNV-GL的定義，可利用率是衡量風(fēng)機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電潛力的一種方法。如果風(fēng)機(jī)是“可用的”且處于并網(wǎng)狀態(tài)，在符合條件的風(fēng)況條件下，風(fēng)機(jī)就應(yīng)該發(fā)電。

根據(jù)使用者的目的不同，可利用率可用來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)電量、估算收益、評(píng)估風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)表現(xiàn)、約定質(zhì)保條款和實(shí)施獎(jiǎng)懲等。不同目的的可利用率定義和算法不同，導(dǎo)致對(duì)相關(guān)法律，財(cái)務(wù)和技術(shù)等問(wèn)題的判斷也不同，使用者需要根據(jù)自己的需求審慎選擇。如果風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商直接使用風(fēng)機(jī)制造商提供的可利用率計(jì)算公式，由于定義的目的和考慮的角度不同，可能導(dǎo)致對(duì)風(fēng)場(chǎng)整體運(yùn)營(yíng)情況的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。

風(fēng)機(jī)可利用率的分類(lèi)方式有多種，按照分析目標(biāo)范圍不同，可分為：“系統(tǒng)可利用率”、“風(fēng)機(jī)可利用率”及“風(fēng)電場(chǎng)配套設(shè)施可利用率”。根據(jù)使用目的不同又可分為：“合同可利用率”和“技術(shù)可利用率”。

按照分析數(shù)據(jù)對(duì)象不同還可分為：“基于時(shí)間的可利用率(THA)”和“基于發(fā)電量的可利用率(TEA)”，其中：“基于時(shí)間的可利用率”是以時(shí)間來(lái)衡量的可利用率。公式如下：

基于時(shí)間的可利用率(THA)=可利用小時(shí)數(shù)(h)/總計(jì)小時(shí)數(shù)(h)

但是，基于時(shí)間的可利用率忽略了風(fēng)速隨時(shí)間變化對(duì)發(fā)電量造成的影響。所以，“基于能量的可利用率”概念應(yīng)運(yùn)而生，公式如下：

基于發(fā)電量的可利用率(TEA)=實(shí)際發(fā)電量(kW·h)/理論發(fā)電量(kW·h)

2 案例分析

在中國(guó)和歐洲各選1座典型商業(yè)化海上風(fēng)電場(chǎng)作風(fēng)機(jī)可利用率對(duì)比分析。

2.1 可利用公式和影響因素對(duì)比

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)場(chǎng)A位于江蘇省東部沿海，離岸約10 km，水深介于8～14 m，年平均風(fēng)速7 m/s(70 m輪轂高度)，安裝了某國(guó)外主機(jī)品牌4 MW機(jī)組，總裝機(jī)200 MW，于2016年末并網(wǎng)發(fā)電。歐洲海上風(fēng)場(chǎng)B位于德國(guó)北海海域，離岸超過(guò)50 km，水深介于20～30 m，年平均風(fēng)速9.6 m/(90 m輪轂高度)，安裝了和A項(xiàng)目同品牌和同平臺(tái)的海上風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)約300 MW，于2015年初投入商業(yè)運(yùn)行。

A風(fēng)場(chǎng)和B風(fēng)場(chǎng)均使用了基于時(shí)間的可利用率(THA)作為考核風(fēng)機(jī)的性能指標(biāo)，且分母為全年小時(shí)數(shù)8 760 h，具體公式如下：

風(fēng)機(jī)可利用率=風(fēng)機(jī)發(fā)電小時(shí)數(shù)(h)/8 760(h)

但在考慮影響風(fēng)機(jī)可利用率的因素方面兩項(xiàng)目有諸多不同。A項(xiàng)目沿用了和風(fēng)機(jī)廠家簽訂的合同可利用率作為唯一的可利用率性能指標(biāo)，而B(niǎo)項(xiàng)目既使用了與西門(mén)子合同中約定的“合同可利用率”，也使用了供內(nèi)部考核評(píng)估使用的基于運(yùn)營(yíng)商角度的“技術(shù)可利用率”。為便于橫向?qū)Ρ?，本文選取A項(xiàng)目“合同可利用率”(簡(jiǎn)稱(chēng)“A合”)、B項(xiàng)目的“合同可利用率”(簡(jiǎn)稱(chēng)B合)和“技術(shù)可利用率”(簡(jiǎn)稱(chēng)B技)進(jìn)行對(duì)比分析。表1歸納了三套可利用率算法之間的差異并給出了推薦方案。

2.2 結(jié)果對(duì)比及推薦方案

如表1所示，本文根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，將影響可利用率的因素分為9大類(lèi)，編號(hào)數(shù)字越大，優(yōu)先級(jí)越高(如果多種因素同時(shí)發(fā)生，先考慮優(yōu)先級(jí)高的)[1]。下面逐一分析各個(gè)類(lèi)別的對(duì)比結(jié)果，并給出推薦方案。

1)運(yùn)行發(fā)電。表示風(fēng)機(jī)可將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的狀態(tài)。其中非正常運(yùn)行是指風(fēng)機(jī)雖然能夠發(fā)電，但存在影響發(fā)電的技術(shù)或限制因素，比如由于電網(wǎng)限電等。“非正常運(yùn)行”實(shí)際也在發(fā)電，只是少于正常發(fā)電水平，A合、B合和B技都算作可利用較合理，因此推薦方案也算作可利用。

2)運(yùn)行非發(fā)電。風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，但由于各種因素導(dǎo)致無(wú)法發(fā)電。包括技術(shù)待機(jī)(風(fēng)機(jī)為發(fā)電執(zhí)行相關(guān)任務(wù)的時(shí)間，如解纜)；超出環(huán)境條件(如風(fēng)速過(guò)高)；指令停機(jī)(如由于噪聲過(guò)高停機(jī))。它是合理因素導(dǎo)致的無(wú)法發(fā)電，并不是故障，A合、B合和B技把“運(yùn)行非發(fā)電”算作可利用合理，因此推薦場(chǎng)景也算作可利用。

3)電網(wǎng)影響。由于電網(wǎng)故障導(dǎo)致的全場(chǎng)停電，超出了風(fēng)機(jī)的控制范圍，A合、B合和B技都算作可利用。但如果簡(jiǎn)單的算作可利用，有時(shí)會(huì)造成誤判。舉個(gè)極端例子，如果某風(fēng)場(chǎng)外送高壓換流站出現(xiàn)嚴(yán)重設(shè)備故障，三個(gè)月無(wú)法送電，期間的可利用率如果簡(jiǎn)單的算作可利用，就會(huì)高估風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際發(fā)電能力。所以推薦方案將該因素不納入統(tǒng)計(jì)時(shí)間或理論發(fā)電量。

由于電網(wǎng)外送能力不足、計(jì)劃性檢修等導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)限電(降功率運(yùn)行)且此時(shí)風(fēng)機(jī)由于故障不可用，按影響因素優(yōu)先級(jí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)已經(jīng)處于故障停機(jī)狀態(tài)，其級(jí)別高于電網(wǎng)影響導(dǎo)致的限電，所以推薦方案算不可利用。

4)風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施。指除風(fēng)機(jī)以外的自建升壓站、海底電纜、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等配套設(shè)施。一般在計(jì)算系統(tǒng)可利用率時(shí)把風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施導(dǎo)致的停機(jī)算作不可利用，本文闡述的均為風(fēng)機(jī)可利用率概念，B項(xiàng)目把該因素算作可利用，混淆了風(fēng)機(jī)可利用率和風(fēng)場(chǎng)可利用率概念。對(duì)于風(fēng)機(jī)本身，風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施的運(yùn)行情況也超出了控制范圍，推薦方案把其排除在計(jì)算時(shí)間或理論發(fā)電量之外。

5)定期維護(hù)。定期維護(hù)是可利用率最重要的影響因素之一，特別是海上風(fēng)電，它導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間或能量損失占很大比例。A合由于沿用了風(fēng)機(jī)廠家的可利用率概念，所以把定期維護(hù)導(dǎo)致的停機(jī)仍算作可利用，

表1 三套可利用率影響因素考慮方式對(duì)比

注：R代表可利用；U代表不可利用；-代表從統(tǒng)計(jì)時(shí)間或理論發(fā)電量中扣除，不予計(jì)算。

而B(niǎo)合為鼓勵(lì)風(fēng)機(jī)廠家運(yùn)維人員在小風(fēng)天氣下維護(hù)，把低于4 m/s以下開(kāi)展的維護(hù)停機(jī)也算作可利用。本文認(rèn)為定期維護(hù)的頻率體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)可靠性，如果算作可利用，無(wú)法激勵(lì)運(yùn)維人員優(yōu)化定期維護(hù)策略，可能導(dǎo)致定期維護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和發(fā)電量損失過(guò)大，推薦運(yùn)營(yíng)商算作不可利用。

6)計(jì)劃性改造。是指為保持、恢復(fù)或提高風(fēng)機(jī)發(fā)電能力進(jìn)行的作業(yè)。A合算作可利用、B合和B技都算作不可利用。和定期維護(hù)類(lèi)似，它也是風(fēng)機(jī)可靠性的體現(xiàn)，由此產(chǎn)生的停機(jī)應(yīng)算作不可利用。

7)風(fēng)機(jī)故障。風(fēng)機(jī)故障是影響可利用率最重要的因素之一。同小風(fēng)天氣下開(kāi)展運(yùn)維一樣，小風(fēng)天氣下處理風(fēng)機(jī)故障對(duì)于A合和B合都算作可利用，B技算不可利用；而對(duì)于運(yùn)營(yíng)商停機(jī)并處理故障的時(shí)間A合算可利用，B合和B技都算不可利用，因?yàn)锽項(xiàng)目考慮無(wú)論誰(shuí)來(lái)停機(jī)和處理故障，故障本身都是風(fēng)機(jī)質(zhì)量原因造成的。推薦方案將風(fēng)機(jī)故障及處理故障的時(shí)間或發(fā)電量損失均算作不可利用。

8)暫停作業(yè)。是指為了避免人身傷害或設(shè)備損害，不得不中斷正在進(jìn)行的“定期維護(hù)”、“計(jì)劃性改造”或“風(fēng)機(jī)故障”，比如巨浪、風(fēng)暴、雷電等惡劣天氣原因?qū)е聼o(wú)法繼續(xù)工作。A合、B合和B技都算作可利用。推薦方案將其排除在統(tǒng)計(jì)時(shí)間或理論發(fā)電量之外。

9)不可抗力。指相關(guān)方無(wú)法控制的非常情況，導(dǎo)致不能履行義務(wù)。A合、B合和B技把都其算作可利用。推薦方案將其排除在統(tǒng)計(jì)時(shí)間或理論發(fā)電量之外。

2.3 實(shí)際可利用率對(duì)比

表2是A、B兩個(gè)項(xiàng)目采用各自可利用率算法統(tǒng)計(jì)的2017年可利用率。

表2 A項(xiàng)目和B項(xiàng)目2017年可利用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比表

經(jīng)過(guò)對(duì)可利用率損失原因的分類(lèi)比較可知：

1)2017年B合可利用率為98.56%，比B技高出1.09個(gè)百分點(diǎn)，主要是B技將風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施故障和檢修以及小風(fēng)天氣下風(fēng)機(jī)的故障處理和定期維護(hù)算作不可利用，而A合算作可利用。

2)A合可利用率全年統(tǒng)計(jì)結(jié)果較高，比B技可利用率高1.84個(gè)百分點(diǎn)，根據(jù)4.2節(jié)分析，主要是風(fēng)機(jī)計(jì)劃性維護(hù)和檢查以及風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施(如升壓站)計(jì)劃性維護(hù)和檢修影響所致。如果B技使用A合的計(jì)算公式，B技可利用率可從97.47%提升到98.9%。

3)對(duì)比全年每月可利用率，4月至8月期間的B技比A合可利用率低很多，主要受B項(xiàng)目利用夏季(小風(fēng)季節(jié))頻繁開(kāi)展定期維護(hù)和檢查工作導(dǎo)致，包括德國(guó)法律強(qiáng)制規(guī)定的檢查(葉片、電梯、爬梯和起重設(shè)備等)、整機(jī)廠家要求的年度檢查(電梯、高壓設(shè)備以及風(fēng)機(jī)內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)備)以及運(yùn)營(yíng)商自己負(fù)責(zé)設(shè)備的維護(hù)和檢查(補(bǔ)漆、油脂采樣、風(fēng)機(jī)內(nèi)通訊柜、消防和安全設(shè)備、過(guò)渡段平臺(tái)上的輔助設(shè)備等)，以上工作國(guó)內(nèi)A項(xiàng)目明顯少于德國(guó)B項(xiàng)目，且定期維護(hù)A項(xiàng)目是算作可利用的。

根據(jù)圖1，2017年B項(xiàng)目由于定期維護(hù)和檢查導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)停機(jī)占全年不可利用時(shí)間的17.5%，它對(duì)基于時(shí)間的年平均技術(shù)可利用率影響至少為1個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 B風(fēng)場(chǎng)2017年不可利用因素占比

3 推薦風(fēng)機(jī)可利用率公式

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)采取基于時(shí)間的技術(shù)可利用率來(lái)衡量風(fēng)機(jī)可靠性存在一定缺陷。作為風(fēng)場(chǎng)投資方，最終關(guān)心的是發(fā)電量帶來(lái)的收入，而我們發(fā)現(xiàn)大風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)可利用和小風(fēng)時(shí)可利用對(duì)發(fā)電量的影響是截然不同的，而這是第二節(jié)中提到的“基于時(shí)間的可利用率(THA)”算法無(wú)法評(píng)估的，它不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映機(jī)組狀態(tài)與性能，也無(wú)法科學(xué)地指導(dǎo)安排科學(xué)的運(yùn)維策略。

基于以上考慮，行業(yè)內(nèi)提出了基于發(fā)電量的可利用率(TEA)概念，西班牙伊布爾德羅拉風(fēng)電公司、葡萄牙電力公司等國(guó)際知名風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商都在使用這套可利用率計(jì)算方式，即：

發(fā)電量可利用率(TEA)=實(shí)際發(fā)電量(kW·h)/理論發(fā)電量(kW·h)

以B項(xiàng)目為例，說(shuō)明以TEA計(jì)算方式評(píng)估小風(fēng)天氣維護(hù)策略和大風(fēng)天氣維護(hù)策略的差異。如圖2和圖3所示，假設(shè)6月計(jì)劃性維護(hù)的總停機(jī)時(shí)間都為7 d(168 h)，則兩種策略下THA均為77.67%。如果采用TEA計(jì)算，B項(xiàng)目2017年6月實(shí)際發(fā)電量為8 870萬(wàn)kW·h，采取小風(fēng)天氣維護(hù)策略時(shí)雖然停機(jī)時(shí)間為168 h，但發(fā)電量損失僅為349 kW·h，即TEA為95.55%；采用大風(fēng)天氣維護(hù)策略發(fā)電量損失高達(dá)3 772 kW·h，即TEA為56.99%(橙色部分面積大小直觀反映了發(fā)電量損失多少)。所以，TEA相比THA更能準(zhǔn)確反映實(shí)際發(fā)電量的損失。

圖2 采用小風(fēng)天氣下維護(hù)策略的發(fā)電量損失

圖3 采用大風(fēng)天氣下維護(hù)策略的發(fā)電量損失

在利用TEA公式過(guò)程中，原始數(shù)據(jù)的可靠收集是前提，理論發(fā)電量的準(zhǔn)確評(píng)估是基礎(chǔ)，影響可利用率因素的科學(xué)分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)是關(guān)鍵。首先，獲取可靠的原始數(shù)據(jù)需要保證測(cè)風(fēng)塔和機(jī)艙測(cè)風(fēng)設(shè)備維護(hù)良好。其次，理論發(fā)電量評(píng)估主要有兩種方法，一是基于特定功率曲線(xiàn)和風(fēng)速計(jì)算，另一種則是基于功率計(jì)算。在第一種方法中，風(fēng)速可以通過(guò)機(jī)艙風(fēng)速計(jì)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)或測(cè)風(fēng)塔獲取，在某些情況下還需通過(guò)適當(dāng)?shù)男拚?。第二種方法無(wú)需知道功率曲線(xiàn)，可通過(guò)相鄰的1臺(tái)或1組風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)推算目標(biāo)風(fēng)機(jī)理論發(fā)電量。再次，影響可利用率因素的科學(xué)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)需要信息化軟件的支撐，對(duì)影響因素的考慮方式可參照表3中的推薦方案。

TEA作為內(nèi)部評(píng)估風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維管理水平的重要性能指標(biāo)具有重要意義：

1)TEA指標(biāo)的應(yīng)用是一種以發(fā)電收入為導(dǎo)向的運(yùn)維管理模式，它能在內(nèi)部和市場(chǎng)當(dāng)中傳遞最真實(shí)、可靠的信息，促使運(yùn)營(yíng)商改進(jìn)運(yùn)維計(jì)劃和預(yù)算，真正達(dá)到精益管理、降本增效的目的。

2)有助于合理安排風(fēng)機(jī)計(jì)劃性維護(hù)和檢查工作。TEA指標(biāo)可促進(jìn)優(yōu)化風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維策略，合理調(diào)度船只，科學(xué)安排人員，精細(xì)管理備件。

3)TEA作為統(tǒng)一指標(biāo)，有利于不同區(qū)域、不同規(guī)模和不同地理?xiàng)l件的風(fēng)場(chǎng)之間進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋灿欣诤蛧?guó)際先進(jìn)風(fēng)場(chǎng)對(duì)標(biāo)。

4)把TEA作為第三方運(yùn)維服務(wù)提供商的考核指標(biāo)，有利于其專(zhuān)注減少發(fā)電量損失，更加靈活地分配資源，降低運(yùn)維成本和提高運(yùn)維效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從研究國(guó)內(nèi)外兩個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目可利用率計(jì)算方式異同點(diǎn)入手，找出了影響兩者可利用率結(jié)果差異的主要原因，提出了現(xiàn)有可利用率計(jì)算方式的不足，推薦了一種基于發(fā)電量的可利用率(TEA)的計(jì)算方法，并建議作為統(tǒng)一性能指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)推廣。主要結(jié)論如下：

1)對(duì)定期維護(hù)和風(fēng)場(chǎng)配套設(shè)施影響因素的考慮與否是造成不同風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)機(jī))可利用率算法結(jié)果差異的主要原因；

2)海上風(fēng)電項(xiàng)目需根據(jù)風(fēng)速的季節(jié)變化合理安排運(yùn)維策略，減少發(fā)電收入損失；

3)基于發(fā)電量的可利用率算法以發(fā)電收入為導(dǎo)向，應(yīng)作為評(píng)估風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維管理水平的重要性能指標(biāo)加以推廣。