陳徑

（國家電投云南國際緬甸零碳公司，云南 昆明 650228）

0 前言

受制于機型資料的豐富程度和各廠商的報價策略限制，以往風機選型工作中，業(yè)主單位對廠商提供的風機數(shù)據(jù)、發(fā)電量計算結(jié)果、進行對比分析，參考資本金收益率最高的方案即確定為最合適的機型[1]。難以真實反應(yīng)風電機組對風電場現(xiàn)場的適應(yīng)能力，因此不能充分發(fā)揮風電場最大資源稟賦。

隨著風電大基地開發(fā)模式的日益成熟，超大風電場由于風資源在時間、空間上跨度較大，風電機組體量在幾十到幾百兆瓦之間，所以在大基地風機選型方面更需要貼合現(xiàn)場實際需要[2]。機型優(yōu)選可以使得風電設(shè)備能最大限度地適應(yīng)風電場的風況及氣候狀況，能夠有效提高風電大基地的盈利水平。同時隨著主機廠商毛利率的一再下降、業(yè)主單位打捆集中采購招標模式的推行，主機廠商對業(yè)主單位的訴求響應(yīng)更加積極，使得定制化優(yōu)選機型在未來成為了可能。

1 研究內(nèi)容

評價風力發(fā)電機組選型所帶來的經(jīng)濟性，主要是指針對特定風場投資所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。對于一個風電場的建設(shè)和投資，需要考慮的主要因素為風電場單位千瓦造價、年上網(wǎng)發(fā)電量大小、上網(wǎng)電價及內(nèi)部收益率等。

本研究針對風電場風能資源特點，結(jié)合風機部套成本數(shù)據(jù)和風電場建設(shè)成本數(shù)據(jù)，建立基于部件成本的風電場技術(shù)經(jīng)濟分析模型。并以此根據(jù)不同的應(yīng)用場景，確定保障內(nèi)部收益率最高的機型參數(shù)。通過定制化設(shè)計的風機，改變了以往“風場匹配已有風機”的設(shè)計思路，轉(zhuǎn)而使用“風機適應(yīng)風場”，使得風電設(shè)備能最大限度地適應(yīng)風電場的風況及氣候狀況，有效減少風機故障率并提升發(fā)電效益，實現(xiàn)了風電大基地設(shè)計的現(xiàn)代化。

2 技術(shù)路線

本研究基于某發(fā)電集團部件成本數(shù)據(jù)庫、風電場附屬成本及工程成本數(shù)據(jù)庫、風資源數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù)建立。

1）基于風機部件特性建立成本模型。風機部件可分為物理特性部件，重點關(guān)注其運行特性本身的部件，如發(fā)電機、齒輪箱等。另外一部分為受風資源影響的部件[3]，其各項設(shè)計參數(shù)將受到風資源的影響[4]，如葉片、塔筒、風機基礎(chǔ)等。

2）基于風資源參數(shù)與部件關(guān)聯(lián)性成本分析，建立風機機型功率曲線、推力系數(shù)庫。

3）基于某發(fā)電集團風電場造價統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立風電場附屬成本及施工成本模型，主要考慮不同規(guī)模、不同塔筒高度、不同地形的集電線路用量、進場道路、場內(nèi)道路長度、不同容量升壓站成本等。

4）基于風機部件成本模型、風機機型庫以及風電場附屬成本及施工成本模型結(jié)合財務(wù)模型，實現(xiàn)基于部件成本的風電場技術(shù)經(jīng)濟分析模型建立。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3 風機部件成本擬合模型

風機部件成本擬合總體思路是將風機總體參數(shù)、部件重量、部件價格三個因素解耦：第一步把部件重量和風機總體參數(shù)的函數(shù)關(guān)系掛鉤，風機總體參數(shù)主要體現(xiàn)在設(shè)計風速、湍流等風資源參數(shù)，還有風機額定功率、風輪直徑和輪轂高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

第二步是擬合部件重量和部件成本的關(guān)系，未來可基于物料成本建立更加詳細的部件材料重量模型，如考慮塔筒鋼材的價格波動，進一步提高部件單重的評估準確性。

以直驅(qū)發(fā)電機為例：

直驅(qū)發(fā)電機成本受額定功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、散熱方式和電壓等級影響。其中主要影響因素為發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)速。

對于直驅(qū)發(fā)電機，考慮到高速發(fā)電機成本對直驅(qū)發(fā)電機成本的變化規(guī)律參考意義，采用收集到的直驅(qū)、半直驅(qū)發(fā)電機成本和價格數(shù)據(jù)建立直驅(qū)發(fā)電機成本模型。如圖2所示，直驅(qū)發(fā)電機重量與功率近似成線性關(guān)系，和旋轉(zhuǎn)周期（60/RPM）成非線性關(guān)系。

圖2 直驅(qū)發(fā)電機重量擬合

如圖3所示，直驅(qū)發(fā)電機成本與重量近似成正比關(guān)系，單重成本隨重量增加而增加。 直驅(qū)發(fā)電機重量擬合誤差如圖4所示。

圖3 直驅(qū)發(fā)電機成本擬合

圖4 直驅(qū)發(fā)電機重量擬合誤差

圖5 通用風能利用系數(shù)

圖6 歸一化功率曲線

4 基于風資源參數(shù)的風機關(guān)鍵參數(shù)分析

基于風資源參數(shù)分析與部件關(guān)聯(lián)性成本分析，建立風機機型庫。平均風速和湍流強度主要通過塔架和輪轂鑄件的疲勞極限影響其重量[7]。同時風資源會通過風電設(shè)備，影響風機的運行表現(xiàn)，因此本研究通過大量的功率曲線數(shù)據(jù)，推導(dǎo)得到了歸一化功率曲線、推力系數(shù)以及風能利用系數(shù)[8]，為后續(xù)的整體計算提供驅(qū)動數(shù)據(jù)。

5 風電場附屬成本及施工成本模型

基于某發(fā)電集團風電場造價統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立風電場附屬成本及施工成本模型，主要考慮不同規(guī)模、不同塔筒高度、不同地形的集電線路用量、進場道路、場內(nèi)道路長度、不同容量升壓站成本等。

以風機塔筒為例：

塔筒的設(shè)計參數(shù)主要受高度、功率面積影響。采用某主機廠家的2MW121機型塔架在不同重量下對應(yīng)的輪轂高度，作為當量高度[9]。通過對2mw121不同塔架成本擬合，如圖7所示。

圖7 2MW121剛性、混塔、柔塔架成本擬合

在高塔筒下柔塔是具有明顯的價格優(yōu)勢[10]。但相較于混塔和鋼塔，柔塔倒塔概率較高，避震帶的設(shè)置也會帶來風機發(fā)電性能的損失。

圖8 為通用性塔筒重量擬合，擬合鐵塔重量隨著輪轂高度 、功率面積的增加而加速增加。

圖8 2MW121通用性塔筒重量擬合

圖9 平原集電線路單位千瓦成本

圖10 平原場內(nèi)道路單位千瓦成本

圖11 低風速單位發(fā)電小時數(shù)千瓦投資

圖12 蒙西低風速投入產(chǎn)出比

以風機集電線路、場內(nèi)道路為例：

以200MW平原風電場為例，考慮風機布機最小距離，分別擬合平原地形集電線路與場內(nèi)道路成本,如何公式如下：

其中D為葉輪直徑、P為風機功率。

6 應(yīng)用場景

結(jié)合某發(fā)電集團風電技經(jīng)模型，實現(xiàn)基于部件成本的風電場技術(shù)經(jīng)濟分析模型建立，并對以下應(yīng)用場景進行分析。

新能源全額收購情境下，在新能源全額收購情境下，也就是爭取最大發(fā)電量的情況下，同時考慮葉片和塔架技術(shù)發(fā)展的限制。在低風速情況下，最優(yōu)機型為6MW210m[13]；在中風速情況下，最優(yōu)機型為6.2MW192m[14]；在高風速情況下，最優(yōu)機型為6.45MW175m。

新能源保障收購小時數(shù)情境下，對于新能源消納困難地區(qū)，最低保障收購小時數(shù)內(nèi)以火電標桿電價收購，超出保障收購小時數(shù)部分參與電力交易[12]。例如蒙西部分地區(qū)特許權(quán)項目保障收購小時數(shù)為2000小時，非特許權(quán)項目保障收購小時數(shù)為1500小時，新能源電力交易平均電價為0.0057元/kwh。

因此考慮風電場投資成本與實際綜合交易電價。在低風速情況下，最優(yōu)機型為9MW175m；在中風速情況下，最優(yōu)機型為 8.75MW175m；在高風速情況下，最優(yōu)機型為9.25MW155m。

7 結(jié)束語

本研究通過定制化設(shè)計風機，改變以往“風場匹配已有風機”的設(shè)計思路，轉(zhuǎn)而使用“風機適應(yīng)風場”。以風資源參數(shù)作為驅(qū)動，結(jié)合風機部套成本數(shù)據(jù)和風電場建設(shè)成本數(shù)據(jù)，建立基于部件成本的風電場技術(shù)經(jīng)濟分析模型，并以此根據(jù)不同的應(yīng)用場景，推薦最優(yōu)機型，使得風場設(shè)計能最大限度地適應(yīng)風電場的風況與運行邊界條件，有效提升風電場盈利水平。