風電設備選型的技術經濟分析

    摘　要：風電設備選型已經成為影響風電項目投資行為的主要因素之一。通過對風電設備選型的主要技術指標額定風速的理論分析、公式計算， 通過對風電設備選型、風電設備投資等主要經濟指標進行不同組合的方案研究，提出了風電設備設計選型時簡單而有效的評價方法，揭示了風電設備選型組合方案與風電投資規模效應的內在聯系，能更好地提高風電項目的經濟性。

    關鍵詞：風電項目；設備選型；技術經濟分析

    引  言

    2006年， 中國的風電裝機容量達到了135萬kW， 實現了當年約106.7%的增長速度。截至2006年底，中國風電裝機容量達到了2599MW，低于丹麥的3136MW，排名第六位[1]。 伴隨著風電裝機規模的高速增長， 風電設備及零部件呈現出供不應求的狀況，風電設備的價格也出現了較大的波動。在現有上網電價的情況下，風電設備選型已經成為影響風電項目投資行為的主要因素之一。

    中國的風力發電技術及其應用相對落后于歐美，風電設備選型時應關注的主要技術經濟指標還沒有較好的評價和分析方法。風電設備選型技術指標上，目前依據的主要是風電的相關標準和規范，而選型時對風電場風能資源與風電設備額定風速的關系沒有簡單有效的分析方法；風電設備選型主要經濟指標上，評價和分析風電項目時比較關注上網電價、固定投資和設備利用率等主要指標，而對影響風電項目投資較大的指標，如風電設備選型的組合對固定資產的影響、風電設備選型與風電項目投資規模效應之間的關系較少引起重視。通過對風能利用效率原理分析，提出簡單確定風電場額定風速的計算公式，提供風電設備選型參考；通過應用運籌學原理及對相關經濟指標概率統計的設計，揭示了風電設備選型組合方案與風電項目投資規模效應之間的內在聯系。本文正是通過上述分析，提出了風電設備選型設計的一種新型有效、實用簡單的評價方法和分析途徑。

    1　風電設備選型的技術分析

    中國幅員遼闊，南北風資源差別較大，按目前引進的歐美風機技術及其標準制造的風電設備，其還需要有一個對本土化風資源適應性研究的過程。

    按照現行變漿距風力發電機的最大功率捕獲原理，風力發電機從切入風速（Cut-in wind speed）到額定風速（Rated wind speed）這一過程中，通過變漿技術可以實現風力發電機工況下的最優化，從實際風速分布統計情況來看，風力發電機運行得最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。風力發電機從切入風速到風力發電機達到額定功率時的最優風能捕獲[2]曲線。

    隨著風速v的增加，通過控制葉片變漿，即改變葉片的迎風攻角，可以保持風力發電機在各個風速nmax時達到其出力最大化Pmax，圖1中用幾條風速曲線表達了這一變化過程。而在實際工作中，一般將測得的逐時風速按風頻數來統計，一個典型風場的風速分布為一個威布爾（Weibull）分布及其瑞利（Rayleigh）分布，分別列出了陸上（Onshore）和海上（Offshore）風速典型分布[3]情況。

    其中威布爾（weibull）分布所控制分布寬度的形狀參數K值和控制平均風速分布的尺度參數A值是實際工作中主要關注的兩個參數[2，4]。一般來說，在弄清風電場址區的風速分布情況后，會根據平均風速值、湍流計算值和極大風速推算值等，以及風力發電機組分級[4，5]的相關規定，來確定風力機組及主要部件的選型。從安全的角度來說，這種做法是值得肯定的，但隨著風電設備裝機規模的不斷擴大，越來越多的專業人士對風力發電機出力這一指標給予了高度關注。而決定某臺風力發電機出力的指標就是其對風能的捕獲能力和利用效率， 所關注的這些參數與風能資源緊密相關。圖1表明，在實況中，進入額定風速區后，同功率機型之間的出力差別不大，而風力發電機大部分時間都是在額定風速以下區間運行，不同風力發電機的出力差別則主要集中在額定風速以下的區間，因此對額定風速的確定直接關系某臺風力發電機的出力指標。

    在一個風電場區的風能資源參數已定的情況下，為了達到最優出力，風電設備選型的一個重要技術指標就是確定其額定風速VN。通過不同風場、多臺風力發電機的出力對比研究發現，VN取值為A和K值的乘積，即VN=A×K是一個最簡單而有效的計算公式。如圖2中的陸上風電場風電設備應選取額定風速VN為12～13m/s，而海上風電場區風力發電機應選取額定風速VN為15～16m/s。基于對這一點的理解，風力發電機安裝在海上時可以越來越大型化，因為其要求的額定風速相對比較高，而安裝在陸上的風力發電機卻不能一味求大，單機功率過大的風力發電機即使采用了很多先進技術，如加大其低風速的捕風性能，但由于其額定風速較高，因而犧牲了整機性能，將得不償失。