风电机组混排对于风电场收益率的影响分析

文 | 余美辰，杨济畅

随着近年来“三北”风电市场的逐步饱和，目前中国风电发展的重心已经转移到华中、华东区域以及南方，而与传统的北方风电场相比，南方风电项目普遍呈现出风速更低、施工难度更大、植被更加茂密、人口更加密集的变化趋势，很多项目的发电量及收益率都较低，前期设计方案优化不到位很可能就会出现亏损。

提高风电场收益率的一种较常用方法是采用风电机组混排的方式，将不同容量、不同高度的机型混合布置在同一个风电场内，在保证项目容量的前提下充分利用项目资源，进而起到提升发电量的目的。然而就如同加高塔筒的方法受项目风切变、运输条件、吊装条件等限制一样，风电机组混排的方法也有自身的局限性。就目前来说，采用风电机组混合布置的风电场主要有以下几种类型：

（1）个别机位载荷要求较高，采用不同类型机组保证安全性；

（2）平原地区存在盛行风向，上风向采用小叶轮、低塔筒的机型，下风向采用大叶轮、高塔筒的风电机组，提升发电量；

（3）复杂山地风电场，机位海拔落差较大或局部区域风况差别较大，针对具体风况采用不同机型定制化设计；

（4）项目面积或者机位数量不足，采用不同容量的机型混排，一方面保证项目容量，另一方面尽量提升发电量。

其中山地项目更多的是涉及第三或第四种类型，尤其是第四种类型，涉及各种机型的搭配比例、不同机型所处机位、机型本身轮毂高度、所搭配机型功率曲线与风电场风频契合度等各类问题，对于设计人员的个人技术素养有较高要求。以往也出现过一些明明采用了功率曲线更优的机型，但是全场发电量和收益率提升不明显甚至出现下滑的案例，表明风电机组混排的方法也并非在所有的风电场都适用。本文以两个项目为例，针对第四种类型详细分析不同风电场采用混排方案对于风电场发电量和经济性的提升效果，并分析产生差异的原因。

两案例基本情况介绍

此次两案例均为典型的山地风电项目，施工难度较大，前期业主规划的项目范围较小，在进行实际设计时均存在机位不足的问题，因此两项目在最初设计时均采用单一大容量机型减少机位数量，两项目基本情况如表1。

表1 两案例基本情况一览

两案例单纯采用2.0MW或2.2MW机型时都存在机位不足的问题。而且两案例极限风速较低、湍流较小，因此在初步设计时分别采用某厂家风轮直径最大的3.0机型与2.5机型进行排布与测算，发现采用3.0MW机型无论是发电量还是收益率均更高，因此首先确定两项目都采用17台3.0MW机型的方案。由于项目本身风切变较低，两项目都未考虑加高塔筒。随后在此基础上又进行了混排优化的相关分析。两项目的机位如图1、图2所示。

完成初步设计后，风电机组厂家、设计院及业主三方前往现场对所有风电机组点位进行现场踏勘落点，从道路修筑难度、工程地质、削峰量等多个角度考量每个机位的可用性，对于存在问题的机位进行微调，最终除案例一中一个机位点处于陡峭的山包上不满足现场施工条件外，其他机位均可满足风电机组安装需求，即案例一可用机位由24个变成23个。

在这样的背景下，为了使风电场能够获得更高的经济效益，针对两项目开展混排的相关评估工作。

图1 案例一资源图谱及机位

图2 案例二资源图谱及机位

图3 三种机型功率曲线标幺值

两案例混排效果对比

为了便于后期风电场运维管理，混排机型选用同一厂家风电机组，受机位数量限制，原有3.0MW机型继续保留，辅以搭配出力能力更高的2.0MW、2.2MW机型，即以3.0+2.0/3.0+2.2两种方案开展相关混排设计工作。由于项目极限风速较小，因此选用该厂家目前最大的WTG121-2.0、WTG131-2.2两种机型参与混排设计，三种机型的功率曲线标幺值如图3所示。

由图3可以看出，三种机型在4～10m/s未满发的风速区间出力能力最高的为WTG131-2.2机型，而WTG131-2.2机型与WTG121-2.0机型在单位造价上相差无几，选用WTG131-2.2机型不但可以获得更高的发电量，而且相比2.0MW机型所用机位更少，风电机组基础、吊装等的成本更低。因此最终决定采用3.0+2.2的搭配方式进行混排，在保证50MW容量的前提下尽量多使用2.2MW机型提升发电量，最终两项目均采用5台WTG140-3.0+16台WTG131-2.2的混排方案，总装机容量50.2MW，占用机位21个。

确定混排方案后，还应对每个机位对应何种机型进行确认，这两个项目的极限风速和湍流都比较小，因此主要考虑不同机位风况的影响。对两个项目全场所有机位的风况进行了排名，排除备选机位后确定了三种方案：

第一种是将全场风况最差的5个机位定为3.0MW机型机位；

第二种是将全场风况最好的5个机位定为3.0MW机型机位；

第三种考虑到3.0机型尾流影响更大，将全场尾流损失最低的5个机位定为3.0MW机型机位。

将这三种方案都进行发电量计算，最终根据发电量确认案例一将风速最低的5台机位采用WTG140-3.0机型，其余机位选用WTG131-2.2机型；案例二与案例一正好相反，将风速最高的5台风电机组采用WTG140-3.0机型，电量计算成果如表2所示。

虽然从图3可以看出WTG131-2.2机型出力能力明显高于WTG140-3.0机型，但是两项目采用混排后呈现出了截然不同结果。案例一混排后仅比混排前满发小时数增加了24h，但是成本的增加反而导致资本金内部收益率（税后）降低了0.02%（表3），相当于采用混排增加的机位导致了施工成本与施工时间的增长，收益却无任何增加，得不偿失，最终该项目依然采用17台WTG140-3.0机型布置的方式，起到节省工期的目的。

与案例一相比案例二采用混排后满发小时数增加明显（相比混排前增加了215h），虽然成本也有所增加，但是资本金内部收益率（税后）相比于混排前提高了4.5%（表4），增幅非常明显，最终该项目采用混排的方式开展后续设计工作。

两案例混排结果差异性分析

根据图3几种机型的功率曲线标幺值对比，出力能力最强的机型为WTG131-2.2机型，根据以往经验，减少WTG140-3.0机型，增加WTG131-2.2机型可以使得发电量快速获得提升，进而提升风电场的整体收益率。但是两个案例的实际评估结果恰恰相反，案例一的发电量提升极其有限，而且因为成本的上升导致收益率出现下降。而在风速、风向、机位均一定的情况下，影响风电机组发电效果的主要原因就集中在项目的风切变及风频特性上，前者与风电机组本身轮毂高度的变化密切相关，后者则与风电机组的功率曲线有着直接的联系。

一、风切变对于混排效果的影响分析

两项目测风塔处拟合风切变指数如图4、图5所示。

可以看到案例一与案例二测风塔处拟合风切变指数差异较大，案例一明显大于案例二，前期通过两案例流场建模分析，并对建模粗糙度、大气热稳定性等进行校正，计算得到的两案例所有机位平均拟合风切变指数及所有机位不同高度平均风速如表5所示。

表2 不同排布方案满发小时数统计结果

表3 案例一混排前后经济性对比表

表4 案例二混排前后经济性对比表

由于两案例均为山地风电项目，运输、吊装难度较大，且风切变本身较小，因此在设计时均采用风电机组标准塔筒高度，不对塔筒进行加高。此次采用的WTG140-3.0机型塔筒高度为100m，WTG131-2.2机型塔筒高度为90m。虽然WTG131-2.2机型出力能力更好，但是该机型塔筒高度较低的劣势在风切变指数更大的案例一中被放大。从表5可以看出，混排前后案例一机位处塔筒高度平均风速相差0.1m/s，而案例二仅为0.04m/s，很显然WTG131-2.2机型在案例一中因为塔筒高度降低而造成的电量损失更加严重。将两案例混排方案中WTG131-2.2机型的塔筒高度提高至100m重新进行发电量计算，与原混排方案相比电量变化如表6所示。

图4 案例一测风塔处风廓线

图5 案例二测风塔处风廓线

表5 两案例所有机位处风况统计结果

表6 混排方案塔筒高度提升前后电量对比

图6 混排所用两种机型在标况下的动态功率曲线标幺值

图7 案例一全年风速分布直方图及风电机组功率标幺值差值对比结果

图8 案例二全年风速分布直方图及风电机组功率标幺值差值对比结果

可以看到，当将WTG121-2.2机型的塔筒高度提升至100m时，与最初的混排方案相比，案例一满发小时数又提升了49h，相比单一机型方案累计提升了73h；而案例二将WTG121-2.2机型的塔筒高度提升至100m时满发小时数仅提升了12h。因此案例一对于风电机组塔筒高度变化的敏感性更高，虽然混排方案中采用了出力能力更高的WTG131-2.2机型，但是很大一部分提升的电量都因为塔筒高度降低而损失。

二、风频特性对于混排效果的影响分析

针对混排所用的两种风电机组功率曲线标幺值进行分析，确定两种机型出力差异，两种机型功率曲线标幺值如图6所示。

由图6可以看出，在达到满发前WTG131-2.2机型功率曲线特性全面优于WTG140-3.0机型，这种差距在6～9m/s的风速区间尤为明显（见图6 中红圈部分），在风速达到8m/s时差异达到峰值。因此如果风电场全年风速在6～9m/s的风速区间比例较高，则将WTG140-3.0机型替换为WTG131-2.2机型对于满发小时数的提升较为明显，反之则不明显。

现在对两案例全年风频特性进行分析，结果如图7－图8所示。

由图7可以看出，案例一全年风频比例较大的区间介于4～7m/s之间，与WTG131-2.2机型相比于WTG140-3.0机型的优势出力风速区间不吻合，即图7中测风塔风速分布变化趋势与风电机组功率标幺值差值变化趋势二者走势不一致，出现双峰现象。则WTG131-2.2机型在6～9m/s的风速区间段无法很好地发挥出其功率曲线特性优势，因此即便采用混排，用WTG131-2.2机型替换WTG140-3.0机型，满发小时数也无法获得大幅度提升。

由图8可以看出，案例二全年风频分布与WTG131-2.2机型相比于WTG140-3.0机型的优势出力风速区间吻合度较高，案例二全年风速区间占比较大的集中在5～9m/s，这也正好是WTG131-2.2相比于WTG140-3.0机型能够体现出其功率曲线特性优势的区间，因此案例二采用混排后发电量提升效果较佳。

摄影：李宏剑

结论

随着国内风电项目的逐渐开发，低风速风电场的开发与建设越来越频繁，很多项目本身资源情况较差且项目可用地范围又少，因此可以采用风电机组混排的方式，一方面用大容量机型保证总体容量，另一方面又搭配一些容量相对较小但是出力较高的风电机组来提升发电量，最终起到提升项目整体收益率的目的。但是并非所有的风电项目均适合进行混排布置，单从发电量来说，混排能否获得较好的效果不但受制于风电机组本身性能，更与风电场的风资源属性有很大的关系。本文以两个实际项目为例，分析在不同风资源特性下进行风电机组混排时发电量提升效果产生差异的原因，最终得出结论为：

（1）风切变越大的项目，进行风电机组混排时不同风电机组塔筒高度的变化对于风电场整体电量的提升影响越大，即便采用功率曲线更优、出力能力更强的风电机组，但是风电机组本身塔筒高度的降低会大大抵消发电量的提升效果。

（2）在进行风电机组混排前应对风电场的风频特性及不同风电机组之间的出力特性差异进行分析，可以采用风电机组功率标幺值差值与风电场风频曲线对比的方式快速判断新增机型的出力情况，如果某种新搭配风电机组相比于原风电机组的优势出力风速区间与风电场本身风频较大的风速区间不一致，那么这种风电机组即便本身出力能力更佳，混排后也很难使得风电场整体发电量获得提升，甚至导致提升的发电量无法抵消因混排增加的成本，得不偿失。