经济效益最大化原则下的风电机组优化选型问题研究

2014-12-25薛军凯

科技视界 2014年24期

薛军凯

（国电电力宁夏新能源开发有限公司，宁夏银川750001）

0 引言

风能是一种完全意义上的可再生、无污染的清洁能源，并且具有储量大、分布广、绿色环保等优势。随着经济的快速发展，能源短缺问题越来越严重，能源的价格也在不断的上升，风能作为最重要的可再生能源之一，风能的开发利用越来越引起世界各国的重视，其中风力发电是利用风能的最主要形式。

1 风力机选型

1.1 机型的选择

风电场的开发以及风电机组的选择，既要充分有效的利用风能资源，也要兼顾风力机组的效率达到最高。对应同一个风电场，在不同的观测点，应该按照各个观测点的特点进行选择，而不是固定统一的选择同一种机组。

1.2 单机容量的选择

随着风电技术的大力发展，风机的单机容量也在逐渐的增大，但根据目前国内外风电市场的情况和国内已经建设的风电场来看，就从单机容量来考虑，主要可以分为四个级别：

1.2.1 600kW 级机组

该机组使用的单机容量多为600kW 或者750kW，机组叶片长度在19～23m 间，机舱重量在19~23t 之间，比较适合安装在地形较复杂的风电场，对于我国这种级别的风电场，主要运用的厂家是新疆金风和浙江运达等。

1.2.2 850kW 级机组

该机组使用的单机容量基本在850~1000kW 之间，风机叶片长约为25m，机舱重量约27t。这类机组适合地质条件较差和运行困难的风电场，该机组技术已经相当成熟，并且运行业绩也不错。

1.2.3 兆瓦级机组

这类机组的单机容量在1000~2000kW 之间，风机叶片长约在32~42m 之间，机舱重量约40~70t。该机组适合于交通相对方便、风电场场地平坦的电场。在技术上比较成熟，国内外市场份额较大。

答：9月2日我们接到了受害游客的口头报告，由于技术原因，我们在5日上午才收到书面详细报告，并向涉事酒店了解了情况。在全面了解情况后，我们在5日向瑞典外交部通报了情况并提出严正交涉。中国外交部也在北京向瑞典驻华大使提出了严正交涉。我们希望瑞方对这3名中国公民提出的彻查事实真相、道歉、惩处涉事警察、赔偿等诉求尽快给予回应。但快2周过去了，瑞方没有一点回应。这不符合国际惯例。3名中国游客身心受到伤害，期待瑞方对他们的合理诉求尽快给予回应，所以只能诉诸媒体。

1.2.4 多兆瓦级机组

这种机组使用的风机部件属于超长、超重、运行和吊装困难的类型，目前主要使用在海上风力发电。从目前风电装机趋势来看，逐渐以MW 级机组为主。安装发电容量大的风机机组，可以减少风电场运行以及维护成本，还可以降低整个风力发电成本，因此兆瓦级机组将逐渐成为市场主流。

1.3 风电机组选型的经济性

评价风力发电机组选型所带来的经济性，主要是指针对特定风场投资所产生的经济效益。对于一个风电项目，主要投资风险有固定资产投资、年上网电量大小和上网电价等。电网电价基本保持不变或者是变化不大，但是风电机组设备价格有波较大动，风力发电项目的投资能否取得良好的回报已成为影响风电项目投资的主要问题。所以说，对于一个风电场的建设和投资，需要考虑的主要因素有单位千瓦的造价、年上网发电量的大小和资金内部收益率等。通过对风电场建设的各个方面的计算、比较和分析，得出能反映选择机组的最佳经济效益。

2 风力机选型相关参量

2.1 风力机输出特性

对于一个特定的风力发电机组，该机组输出功率的大小取决于风电场的风速值，风力机的输出特性如图1 所示：

图1 风力机输出特性

根据图1 风力机输出功率与风速的关系可表示为：

2.2 容量系数

对于某一个特定的风电场在某段时间内，风力机在风电场中所起到的效率的高低，取决于年平均风能利用率的大小，风能利用率越大，风机的效率越高。为了更精确的反应风电场的经济性，在此我们引进

式中：Vi、Vr、Vc是指风力机的启动风速、额定风速和截止风速，v指的是风速介于Vi和Vc之间时，发电机输出功率和额定功率之比，通常称之为输出特性，是一个与风速有关的函数，用线性函数表示：容量系数。风电场的容量系数Cf是指风电场在一定的时间段内，实际发电量与这段时间段内的额定发电量的比值，也是风力发电机组年平均输出功率与pr额定功率的比值，即有：

将风力机输出特性v 和风电场风速概率密度函数pw（v）代入式（4）可得：

容量系数是风电场选址以及风力机选型的重要依据也是反映风电场经济性的一个最重要指标。风电场的容量系数Cf越大，经济性越好，发电成本也就越低。引入可用率A，它是指风力机年风速利用时数T 与全年总小时数的比值：

在实际应用中常用计算式：r

对于一个特定的风电场在确切的时间段内,反映风力机在风场中效率高低的最主要的指标是年平均风能利用率，风能利用率越大，风机的效率越高。风力机的年平均利用率等于风力机年平均效率与风力机容量系数的乘积。若要提高风能利用率，可以适当提高风力机的年平均效率，即提高风力机在额定风速范围内的运行时间，当然最有效的方法就是提高风力机容量系数。通常我们选取年平均容量系数作为衡量风力机利用风能的指标。

2.3 风电成本

风力发电机工作时，由于受到、雪、风暴等自然因素的制约，几乎不可能实现全运转。所以有必要选择最佳风力机争取在同一风能资源情况下发出更多的电，产生更好的经济效益。为了更明确的反映风电场建设的投资效益，通常引进风力发电成本作为衡量指标，风电成本是建场投资（包括运行与维护费用）与发电量的比值，节约建场投资费用又能发出更多的电能，是降低上网电价的最好手段。相比火电、核电，风力发电具有如下特点：

（1）风力发电机的输出特性受风电场风速影响大。

（2）风力发电建设工期短，运行费用较低，但建设风电场的一次性投资大，需要较长的资本回收期,风险相对较大。在某些情况下，风力机的选择是按发电成本最小也就是按容量系数最大为原则。风电成本可表示：

式中：C 表示风力发电总成本、A 表示机组总投资成本、B 表示机组运行费用、D 表示风力发电机的维护费用、n 表示投资回收期、i 表示利率。对式（8）进行处理变形可得：

式中：E 表示每kW 功率年运行与维修费用与每kW 功率建场投资之比，G 表示每kW 功率建场投资（元/kW）。

实质上，式（10）中Q 是风力机在满负荷、全运转的理想条件下的发电成本，在这种情况时容量系数等于1，成本最小。而在实际运用中风力机不可能满负荷、全运转的，因此容量系数始终是要小于1。对于一个特定的风电场，Q 值是基本不变的或者说变化不是很大，从式（10）可以看出，要使得风电成本最小，也就要使风力机的容量系数越大。因此，在风电场建设中选择最佳风电机组就是选择机组类型容量系数最大的机组，才能获得最好的经济效益。