风电项目的风电机组选型、布置及经济方案比选

2018-01-19◎姚远

三门峡职业技术学院学报 2017年4期

关键词：南港风能机型

◎姚远

（三门峡职业技术学院建筑工程学院，河南三门峡 472000）

风力发电机组是风电场中的核心设备，其投资占整个风电场总投资的74%至82%。风力发电资源特性的匹配情况、运行可靠性、可维护性等对于风电场全寿命周期的经济效益有着重大影响。风电机组的合理选型就是要在利用风能上产生最大效率和最好的经济效益。

1 风电机组选型

1.1 机型比选方案

1.1.1 世界风电机组发展趋势

目前，全球范围内包括以风力发电机组制造技术、风电大规模并网技术为核心的风能利用技术已日臻成熟；风能利用的市场体系、法律法规和技术标准体系建设亦日趋完善。这都为现阶段大规模风能开发提供了坚强保障。纵观全球，现有的风力发电设备其技术主要有以下发展趋势：

首先，风力发电机组的单机容量一直在增大。为了整个风力发电成本和风电场运行维护成本的降低，大容量风电机组的安装被广泛安装实用，这样也能增强风力发电在市场的竞争力。当然，我国现在风电技术的开发越来越成熟，风力发电机组也在向不断加大单机容量，同时把单位千瓦重量降低，转换效率不断升高的方向上趋近。

第二，目前发展快速的是变桨距功率可调节型的机组。众所周知其变桨距功率调节的方法对负荷具有控制稳定、安全、效率高等优势，近些年我们在风电机组尤其是大型风电机组上的应用非常多。

第三，变频技术的应用十分迅速。由于提升了风力发电技术和电力电子技术，越来越多的风电机组研发制造企业已经采用了变速恒频的技术，并且与变桨距技术相结合来运用，继而研制出现在在市场上应用及推广迅速的变桨变速的风电机组。日前，全球有90%以上的风电机组均采用了变速恒频技术，并且使用的份额一直在逐步的提高。

最后，无齿轮箱风电机组的市场份额的蛋糕也是迅速做大。现有的无齿轮箱采用的直驱方式能够高效地降低由于齿轮箱问题所引起的发电机组的故障，还能够高效的提升整个系统的运行稳定性和使用年限，降低整个系统的运行成本，所以在市场上很受欢迎。[1]

1.1.2 中国风电机组发展趋势

近些年，我国的风电机组设备生产能力在快速提高，产业能力在迅速集中，在国内市场上中国制造企业的进一步巩固霸主地位，而且实现了海外的出口。

中国主要风电机组制造企业在2011年所签风电机组供货合同已超过2000万千瓦，仅大唐电力、金风科技、国电联合动力三家企业就签订了共计超过约1300万千瓦的项目合同，基本具备实现风电发展规划目标年平均增长1500万千瓦的能力。

在提高风电机组供货能力的同时，我国的风电机组装备制造技术水平也在明显提升，陆续有一些风电机组制造厂家投入到大型风电设备制造竞争行列，现在我国自主研发的1.5-2.0MW级风电机组已占据中国风电市场的主要份额。2016年，金风科技、东汽、湘电等大型风电机组制造企业都已有5MW或6MW的大容量机组，且目前运行情况良好，预计很快将投入商业化运营。

2016年我国风力发电量创纪录。2016年风力发电大幅上升25.73%，至2113.0亿千瓦时。预计2017年风力发电量将达到1，846亿千瓦时，未来五年（2017-2021）年均复合增长率约为15.20%，2021年风力发电量将达到3，252亿千瓦时。

1.2 机型初选

1.2.1 基本原则

根据中国水电天津南港海上风电项目的风能资源条件，对技术较为成熟的风电机组进行筛选，通过机组价格、电气设备费用和施工费用等方面的经济技术比较，结合场址区地形特点，同时考虑业主方的要求。[2]

1.2.2 中国水电天津南港海上风电项目主要指标

中国水电天津南港海上风电项目场区西侧705603#测风塔100m高度代表年平均风速为6.65m/s，年平均风功率密度为304.1W/m2，90m高度代表年平均风速为6.41m/s，年平均风功率密度为272.5W/m2，50m高度年平均风速5.73m/s，年平均风功率密度193.5W/m2，属于一级风场。场址区705603#测风塔90m和100m高度50年一遇最大风速分别为33.3m/s和33.6m/s（保守起见，取方法二的计算结果），油田测风塔100m高度50年一遇最大风速分别为35.3m/s，705603#测风塔90m、100m高度特征湍流强度（15m/s风速段）均≤0.12。

另外根据大港气象站的统计资料，多年极端最低气温为-19.4℃（海拔高程3m）；705603#测风塔实测最低气温为-8.0℃（海拔高程3m），全年无气温＜-20℃的小时数。根据上述指标，本风电场适合安装IECⅢC类及以上等级的常温型风电机组。[3]

1.2.3 实际风电机组的方案选择

根据机型初选的基本原则和中国水电天津南港海上风电场主要指标，本次设计选择了5种技术较为成熟、已有一定运行试验数据的机组，组成了6种技术方案（参见表1），从技术参数、机型特点、功率曲线、推力系数曲线、多年平均上网电量、建设成本、运行成本等因素出发，进行方案筛选。

2 风电机组布置

中国水电天津南港海上风电项目场址区位于天津市大港区南港工业区南大堤外坡脚处，场区呈东西向直线，南港工业区填海陆地与海洋的交界处。根据场址区的地形、地貌特点，进行风电机组布置。

中国水电天津南港海上风电项目场址区实际可利用大堤长度为11.6km，装机容量90MW。为充分利用风电场的资源条件，风电机组的排布以整列单排方式布机，合理控制风机尾流影响，以获得较大电量，并适当注意避免过于分散布置，以利用交通安装条件，减少集电线路长度，充分利用场地。[4]

风电机组的排布应根据风电场内主风向和主风能方向判断，以基本垂直于主风向和主风能方向，同时兼顾次主风向和次主风能的原则来排布机组。中国水电天津南港海上风电场主风向和主风能较为明显，但不集中，主要分为三个区间，因此本次设计风机布置采用紧凑型等间距布机方式（见图 4）。

图1 各机型功率曲线

图2 各机型标幺值功率曲线

图3 各机型推力系数曲线

图4 台机组布置示意

3 方案经济比选

3.1 多年平均上网电量计算

下面3种是常用的经济比选方案:

（1）年度电投资法：静态投资/年上网电量。

（2）差额内部收益率法：在等量上网电价条件下，可对备选方案进行类比，最终确认方案。

（3）最低电价法：依据财务分析，投资估算出每种风力机电价，低者胜出。

比较得出年度电投资法最简单和便捷，这个算法常在项目可研阶段使用。结合各方案的机组安装、风电机组轮毂的高度，还有把风电机组发电量的折减系数考虑进去，并且对多年平均上网电量进行计算。为了方便比较选择，各个方案理论发电量均都可采用空气密度为1.225kg/m3的功率曲线计算，空气密度修正系数可依据各机型轮毂高度的空气密度确定，除尾流折减外，其他折减按24%计算。经过计算得出，WTG1方案的多年平均上网电量为1.564亿kW·h，等效利用小时数2173h，指标最好；WTG2方案的多年平均上网电量为1.780亿kW·h，等效利用小时数1648h，指标最低。

3.2 技术经济指标计算

以发电量计算为基础，采用技术经济指标的计算，也就是说在发电量指标的基础上，同时集合各方案的静态投资数据和上网电价的涨幅，从而得出最优方案。计算的边界条件依据5年期以上贷款的利率是5.9%，短期贷款的利率是5.6%，计算年期是25年，还贷期是15年，其资本金比例是20%，其余款项使用国内商业银行的贷款。增值税率取17%，所得税率取25%，上网电价为0.76元/kW·h。根据上述边界条件，计算各方案的全部投资财务内部收益率（税前），计算结果见下表。

方案的技术经济性比较表

3.3 方案选择

进行方案的选择需要从静态分析和动态分析不同的角度进行比较。“度电投资”和“度电成本”是风力发电工程项目领域中经常应用到的静态经济指标，具有简单、快捷、易算、直观的优点，但是因为该经济指标没有考虑在整个运营年度内资金的时间价值，因此不能准确、全面地反映项目在整个运营期间内的经济效益，在此仅作为参考值。

分析方法中有一种最常用多方案比较方法是“内部收益率法”，其将工程项目中投资要素的变化及运营期间资金的时间价值进行充分的考虑，然后利用多种方案里的两两差值比较，可比较准确地反映出不同方案在整个运营期间内的经济效益，是现有的比较科学、全面的经济指标。

4 最终推荐方案的优点

从上表可以看出，WTG1方案的单位千瓦静态投资为14032元/kW，度电成本为6.46元/kW·h，从动态指标，在6个方案中均是最优的，但其机型有待深入考核。从规避风险角度计，尚须谨慎选择。WTG4方案其度电成本为6.49元/kW·h，比WTG1仅高0.03，其他财务指标也基本相当。因此本次可研设计选择排名第二位的WTG4为本工程推荐方案。

WTG4风电机组是为单机容量5.0MW的半直驱永磁变桨风电机组，叶轮直径132m，塔筒高度95m，该机组运行安全、技术最为先进、成熟可靠，适应本风电场的运行环境。而且，经过相关考察了解，相比其他机型此机型在运输及安装上有较大优势，进一步优化的空间很大。