摘 要：【目的】依據(jù)存量風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際風(fēng)資源情況，量化增加塔架高度所能產(chǎn)生的發(fā)電量效益?！痉椒ā肯纫罁?jù)風(fēng)機(jī)機(jī)位統(tǒng)計(jì)的實(shí)際風(fēng)速、風(fēng)頻分布情況，計(jì)算各不同單機(jī)容量、葉片長度的擬選機(jī)型所能產(chǎn)生的發(fā)電量效益；再通過對比分析，確定最優(yōu)發(fā)電效益的塔架、單機(jī)容量、葉片長度的機(jī)型組合?！窘Y(jié)果】通過實(shí)例計(jì)算選定的機(jī)型組合所能產(chǎn)生的年度發(fā)電量相較于原機(jī)組的發(fā)電量提高2倍以上，并且可利用的小時(shí)數(shù)也較為可觀?！窘Y(jié)論】為老舊存量風(fēng)電機(jī)組采取“以大代小”的提質(zhì)增效措施提供了理論支撐，對預(yù)計(jì)的收益情況進(jìn)行量化評估，并在此基礎(chǔ)上，為分析投入成本和量化收益情況提供了更加直觀的可行性方案。

關(guān)鍵詞：以大代小；實(shí)際風(fēng)速；風(fēng)頻分布；提質(zhì)增效；收益評估

中圖分類號：TG333" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.002

Quantitative Research on the Power Generation Benefits of Replacing Small Capacity Electricity with Large Capacity Wind Turbines

YANG Yaju

（Datang Henan Clean Energy Co.， LTD.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to quantify the power generation benefits generated by increasing the tower height according to the actual wind resources of the existing wind power units.[Methods] According to the actual wind speed and frequency distribution of the fan position statistics， the power generation benefits generated by the proposed models with different single-machine capacity and blade length were calculated， and" then the model combination of tower， single-machine capacity and blade length with the optimal power generation benefits was determined through comparative analysis.[Findings] The annual power generation generated by the selected model was more than 2 times higher than that of the original unit， and the number of available hours was also considerable.[Conclusions] This paper provides theoretical support for the quality and efficiency improvement measures of \"replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines\" for the old wind power units， and quantitatively evaluates the expected benefits， and on this basis ， this paper provides a more intuitive feasibility scheme for analyzing the input cost and quantifying the benefits.

Keywords：replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines; actual wind speed; frequency distribution; improving quality and efficiency; income assessment

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的塔架高度不斷增高、單機(jī)容量不斷加大、葉片長度不斷加長、更新迭代速度不斷加快。而部分投產(chǎn)時(shí)間較久的機(jī)組隨著設(shè)備的逐漸老化，出現(xiàn)了越來越多的問題。并且，由于早年間風(fēng)電機(jī)組塔架高度相對較低，獲得的風(fēng)資源相較于同區(qū)域內(nèi)新投產(chǎn)的高塔筒機(jī)組較差。另外，由于過去裝機(jī)的單機(jī)容量較小，相同風(fēng)資源情況下，產(chǎn)生的發(fā)電量嚴(yán)重低于大容量機(jī)組，造成老舊機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益較差。對于經(jīng)濟(jì)效益較差的老舊機(jī)組，采取“以大代小”設(shè)備迭代的提質(zhì)增效方案成為重中之重。并且，相較于新建風(fēng)電場還可以省去一部分前期投入。因此，該方案成為各公司針對老舊機(jī)組經(jīng)濟(jì)性改造的最優(yōu)選擇。如何量化分析不同塔架高度、單機(jī)容量、葉片長度所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益就成為風(fēng)電場提質(zhì)增效工作的關(guān)鍵問題。

1 存量風(fēng)電場機(jī)組分布概況

河南某公司存量的風(fēng)電場有27座，坐落分散，總裝機(jī)容量超百萬，風(fēng)機(jī)近千臺(tái)。其中，單機(jī)容量小于2 MW的機(jī)組89臺(tái)，占比11%；輪轂高度80 m及以下的機(jī)組337臺(tái)，占比40%；投產(chǎn)10年及以上的老舊機(jī)組100臺(tái)，占比12%。此類機(jī)組多具有容量小、塔架低、葉片短、風(fēng)資源好等特點(diǎn)，且經(jīng)過多年運(yùn)行，風(fēng)資源情況較為清晰。

投運(yùn)10年以上的機(jī)組不同于新建機(jī)組，需要對風(fēng)資源情況進(jìn)行建模預(yù)測。這種機(jī)組經(jīng)過多年的運(yùn)行，已積累了豐富的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)資源數(shù)據(jù)。因此，基于機(jī)組實(shí)際風(fēng)資源數(shù)據(jù)來量化評價(jià)各類機(jī)型（不同塔架高度、容量、葉片長度）的理論發(fā)電量、可利用小時(shí)數(shù)，可以作為實(shí)施風(fēng)電機(jī)組“以大代小”機(jī)型選擇的依據(jù)。

針對以上風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，本研究暫不考慮機(jī)組的安全性問題，僅針對其經(jīng)濟(jì)性從以下方面進(jìn)行研究。一是依據(jù)每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際風(fēng)資源（平均風(fēng)速）情況，量化不同塔架高度的電量收益，確定此臺(tái)機(jī)組的最優(yōu)塔架高度；二是針對每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際風(fēng)資源（風(fēng)頻分布）情況，量化不同單機(jī)容量、葉片長度的機(jī)型組合的電量收益，確定此臺(tái)機(jī)組的最優(yōu)機(jī)型組合方案。

2 不同塔架高度的電量收益分析

因?yàn)榫植康貐^(qū)的地理位置、地形條件、所處高度的不同，所以某個(gè)位置不同垂直高度的風(fēng)速也不相同。風(fēng)速在垂直距離上的變化叫垂直風(fēng)切變。風(fēng)切變也叫風(fēng)剪切，可以認(rèn)為是風(fēng)廓線的另一種表達(dá)形式，是對風(fēng)廓線的工程應(yīng)用，用來表示兩個(gè)高度平均風(fēng)速的關(guān)系［1］。

風(fēng)切變除了和風(fēng)廓線直接相關(guān)外，還與兩點(diǎn)之間的高度和高度差有關(guān)，見式（1）。

式中：V1為Z1高度的平均風(fēng)速；V2為Z2高度的平均風(fēng)速；α為Z1到Z2垂直高度上的風(fēng)切變系數(shù)。

因此，隨著風(fēng)電機(jī)組的不斷發(fā)展和更新迭代，風(fēng)機(jī)廠家也不斷地追求高塔架以獲得更高位置上更大平均風(fēng)速的風(fēng)資源。但是更高位置上帶來的經(jīng)濟(jì)效益相比于獲得更高位置需要的資本投入如何能達(dá)到最大收益，成了風(fēng)機(jī)塔架高度選擇及老舊機(jī)組塔架以高代低選擇的關(guān)鍵問題。

2.1 基于實(shí)際風(fēng)資源情況案例的模擬計(jì)算

投運(yùn)10年以上的XX風(fēng)電場，其裝機(jī)5臺(tái)上海電氣W1250N-65機(jī)型、單機(jī)容量1.25 MW、葉輪直徑65 m、輪轂高度70 m的風(fēng)電機(jī)組，經(jīng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，年平均風(fēng)速為5.88 m/s。河南地區(qū)2～22 m/s風(fēng)速段內(nèi)風(fēng)切變的范圍大概在0.1～0.4［2］。因此，常用塔架高度70 m、80 m、85 m、87 m、90 m、95 m、100 m、120 m、140 m、145 m、150 m。當(dāng)風(fēng)切變系數(shù)在0.003～0.403、步長為0.01時(shí)，對應(yīng)的平均風(fēng)速見表1。

2.2 基于此機(jī)位不同塔架高度的電量收益

由于各風(fēng)電場之間的風(fēng)頻分布、風(fēng)電機(jī)組選型等因素存在差異，各風(fēng)電場之間的平均風(fēng)速、理論電量、利用小時(shí)數(shù)等無明顯的函數(shù)關(guān)系［3］。但對于單個(gè)風(fēng)電場來說，風(fēng)速變化與理論發(fā)電量、利小時(shí)數(shù)的變化呈近似效果，利用小時(shí)數(shù)大致增加50～60 h［4］。本研究取55 h，此臺(tái)風(fēng)機(jī)不同風(fēng)切變系數(shù)及塔架高度下獲得的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)見表2。

2.3 基于此機(jī)位風(fēng)資源的塔架高度選擇方案

此風(fēng)電場風(fēng)切變系數(shù)見式（2）。

由表2可知，①若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實(shí)際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.003～0.033范圍，塔架高度從70 m增加到150 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響不到100 h，因此，改變塔架高度對其所在的地理位置風(fēng)資源影響不明顯。

②若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實(shí)際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.043～0.073范圍，塔架高度從70 m增加到120 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響超過100 h，即使再增加高度對可利用小時(shí)數(shù)的影響也未超過200 h，因此，120 m塔架是機(jī)位的最優(yōu)塔架高度。

③若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實(shí)際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.233左右，塔架高度從70 m增加到80 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響已超過100 h；塔架高度從70 m增加到90 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響已超過200 h；塔架高度從70 m增加到120 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響已超過400 h；塔架高度從70 m增加到140 m對發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)的影響已超過600 h；再增加高度對可利用小時(shí)數(shù)的影響也未超過700 h，因此，可對比塔架造價(jià)投入和收益選擇最優(yōu)塔架高度。

④依次類推，根據(jù)實(shí)際測風(fēng)塔測量數(shù)據(jù)而計(jì)算的風(fēng)切變系數(shù)及成本投入，來確定最優(yōu)的塔筒高度選擇結(jié)果。

3 綜合方案的量化收益分析

在老舊機(jī)組“以大代小”提質(zhì)增效的技術(shù)改造中，若選擇機(jī)組單機(jī)容量過小，則不能充分地發(fā)揮此機(jī)位風(fēng)資源的經(jīng)濟(jì)效益；若選擇機(jī)組單機(jī)容量過大，則容易造成機(jī)組可利用小時(shí)不高，效率低下。因此，準(zhǔn)確地評估在此機(jī)位的實(shí)際風(fēng)資源情況下，可獲得的最優(yōu)發(fā)電量和可利用小時(shí)數(shù)以及所對應(yīng)的機(jī)組容量和葉片長度組合，就成了機(jī)組選型的關(guān)鍵問題。

3.1 基于機(jī)位實(shí)際風(fēng)資源情況的模擬計(jì)算

投運(yùn)10年以上的XX風(fēng)電場，裝機(jī)5臺(tái)上海電氣W1250N-65機(jī)型、單機(jī)容量1.25 MW、葉輪直徑65 m、輪轂高度70 m的風(fēng)電機(jī)組，地處山地。某年風(fēng)資源（風(fēng)速風(fēng)頻分布）情況如圖1所示。

假設(shè)擬選單機(jī)容量和葉片長度的組合機(jī)型情況見表3。

3.2 不同單機(jī)容量和葉片長度組合的電量效益

風(fēng)電機(jī)組的功率計(jì)算見式（3）。

式中：W為風(fēng)電機(jī)組的功率；ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，取河南區(qū)域平均空氣密度1.169 kg/m3作為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋籸為葉輪半徑，輪轂半徑多為3 m左右，折合葉片方向輪轂半徑1.23m，葉輪半徑r=葉片長度+1.23（m）；V為輪轂中心高度處的平均風(fēng)速；Cp為此臺(tái)機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組葉輪對風(fēng)能的捕獲能力在25%～47%之間，傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率在90%～95%（非直驅(qū)機(jī)組），發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率在52%～95%之間，逆變器的轉(zhuǎn)化效率在25%～90%之間，經(jīng)計(jì)算，本研究取Cp最高=0.41、Cp最低=0.03，風(fēng)速在達(dá)到額定風(fēng)速前，風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率Cp會(huì)逐漸增大，本研究根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際參數(shù)各風(fēng)速下選擇統(tǒng)一的Cp值，不再詳細(xì)進(jìn)行計(jì)算。

各機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速見式（4）。

計(jì)算可得，葉片長度相同的情況下，單機(jī)容量越大，額定風(fēng)速越高；單機(jī)容量相同的情況下，葉片長度越長，額定風(fēng)速越低。具體數(shù)據(jù)見表4。

并且，依據(jù)其額定風(fēng)速的情況，可計(jì)算出各風(fēng)速段下的理論功率。各機(jī)型的理論功率曲線如圖2所示。

3.3 單機(jī)容量和葉片長度組合選擇方案

根據(jù)此機(jī)位所對應(yīng)的實(shí)際風(fēng)資源情況，對該機(jī)位各機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的理論年度風(fēng)電量及可利用小時(shí)數(shù)進(jìn)行估算［5］。各機(jī)型單機(jī)年度具體情況見表5。由表5可知，①發(fā)電量最多的機(jī)型為機(jī)型5 000/75，單機(jī)發(fā)電量達(dá)到了1 083萬kWh，可利用小時(shí)數(shù)為2 167 h，但在各備選機(jī)型中僅位居第4，存在一定的“小馬拉大車”的情況，而且雖然每千瓦報(bào)價(jià)可能最低，但其容量較大，需要投入的單機(jī)總體成本較高，考慮其發(fā)電效率并不是最優(yōu)選擇。②機(jī)型3 000/75發(fā)電量達(dá)到約800萬kWh，可利用小時(shí)數(shù)達(dá)到2 600 h，在各機(jī)型可利用小時(shí)數(shù)最高，總體發(fā)電效率最好。③根據(jù)各機(jī)型估算的理論發(fā)電量和可利用小時(shí)數(shù)需要結(jié)合需投入的改造成本進(jìn)一步分析，獲得最具經(jīng)濟(jì)性的配置。

4 擬選方案整體效益的量化分析

若擬選方案為機(jī)型3 000/75，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量3 MW、葉片長度75 m，在此機(jī)位上可以獲得約800萬kWh的理論發(fā)電量，考慮綜合折減率，估算此機(jī)位此機(jī)型的年上網(wǎng)發(fā)電量。后期也可以根據(jù)剩余機(jī)位的實(shí)際風(fēng)資源情況逐臺(tái)計(jì)算年上網(wǎng)發(fā)電量，從而獲得此風(fēng)電場的年度發(fā)電量。

通過考慮風(fēng)機(jī)特性及風(fēng)電場運(yùn)行過程中其他因素影響，對理論產(chǎn)量進(jìn)行修正，折減系數(shù)取值如下。

①空氣密度修正計(jì)算時(shí)利用了當(dāng)?shù)仄骄諝饷芏龋虼?，需要根?jù)風(fēng)機(jī)具體實(shí)際測量的空氣密度對進(jìn)行修正，本研究暫不考慮其影響。

②風(fēng)電機(jī)組利用率主要考慮風(fēng)電機(jī)組、輸電線路、電氣設(shè)備檢修和故障等因素造成的停機(jī)。根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際平均運(yùn)行情況，風(fēng)電機(jī)組的可利用率取98%。

③葉片污染折減考慮到葉片隨著使用會(huì)逐漸磨損老化，損耗系數(shù)確定為98%。

④廠用電、線損等損耗根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，廠用電和線損取3%，此項(xiàng)折減系數(shù)為96%。

⑤功率曲線修正考慮到風(fēng)電機(jī)組實(shí)際功率曲線應(yīng)保證為理論的97%，在計(jì)算發(fā)電量時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行考慮，本研究取各機(jī)型理論功率曲線保證率為98%。

⑥該場區(qū)存在冰凍等天氣，主要影響天氣為覆冰、暴雨等等，氣候影響停機(jī)折減取2%，此項(xiàng)折減系數(shù)98%。

⑦不確定因素折減，其他未考慮的因素，如實(shí)際風(fēng)切變計(jì)算誤差、實(shí)際風(fēng)資源數(shù)據(jù)誤差、機(jī)組檢修等存在較大的不確定因素。綜合考慮這些因素，最終按照 90.8%的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

綜上所述，除空氣密度、尾流影響外，本機(jī)位此機(jī)型風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)電量綜合折減率為：

0.96×0.98×0.98×0.98×0.98×0.908≈0.821

因此，根據(jù)此機(jī)位所對應(yīng)的實(shí)際風(fēng)資源情況，該機(jī)位此機(jī)型風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的年度發(fā)電量約為653萬kWh，是原機(jī)型的3倍以上，其可利用小時(shí)數(shù)為2 178 h。河南地區(qū)的山地及丘陵的風(fēng)切變指數(shù)較小，風(fēng)切變指數(shù)分布在0～0.1和0.1～0.2之間［1］；而平原的風(fēng)切變指數(shù)較大，風(fēng)切變指數(shù)分布在0.2以上。此風(fēng)電場地處山地，選擇風(fēng)機(jī)塔架高度可依據(jù)葉片組合對塔架高度的最低要求進(jìn)行選擇。若實(shí)際測量的此機(jī)位風(fēng)切變參數(shù)較好，配合增加更高的塔架高度，則其實(shí)際可利用小時(shí)數(shù)可進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論

在實(shí)施老舊機(jī)組“以大代小”機(jī)組改造的過程中，可以根據(jù)其風(fēng)電場所在區(qū)域測風(fēng)塔實(shí)際測量獲得的風(fēng)切變指數(shù)直觀地選擇最優(yōu)電量收益的塔架高度。另外，根據(jù)此機(jī)位實(shí)際的風(fēng)資源情況計(jì)算得出的單機(jī)容量和葉片長度的機(jī)型在此機(jī)位上所能產(chǎn)生的直觀電量收益，為機(jī)型選擇提供了可行的方案。后期，可依據(jù)本研究的計(jì)算算法制作相關(guān)的計(jì)算軟件，通過輸入機(jī)位的風(fēng)資源等信息，直接給出最優(yōu)的機(jī)型選擇方案，為存量風(fēng)電場的提質(zhì)增效工作做出更大的貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2023-11-29

作者簡介：楊亞炬（1990—），男，碩士，工程師，研究方向：新能源集控大數(shù)據(jù)分析。