风电机组设备初选型方法研究

文 | 宋育红

中国风电近十年来快速发展，全国总装机容量自2010年以来一直稳居榜首。风电场的投资，不是买来风电机组一装了事，风电机组选型直接关系到风电场运行的效益，也决定着投资人的回报率。随着风电机组制造业日臻成熟，适合中国低风速风况的国产化长叶片风电机组已有很多型号可供选择，不再处于若干年前东方人不得不穿欧版西服的尴尬境地。因此，一个风电场选用合适的机型，才能保证投入最少、产出最大。

在投资开发风电场之初，需要根据历史气象数据资料选定拟开发风电场区域，之后根据地形地势竖杆立塔进行测风（通常至少测满完整一年），并根据气象数据进行校核修订，最后由设计院汇总出代表该区域风能资源的主要数据资料，包括风频分布、主导风向、50年一遇的极大风速等数据，并出具风能资源分析报告。这是风电机组选型的基础指标，也是今后微观选址布机的重要依据，我们通常称之为风电场的“基因”工程。

在获得风电场的测风数据分析报告之后，通常就可以据此进行风电机组初步选型了。设计院在可研报告中也有相应的章节对风电机组的选型进行测算分析。风电场立项之后，业主会将风能资源数据放入风电机组设备招标文件中，由设备商据此投标，通过组织评标专家评审，最后选定中标风电机组。风电项目投资中，风电设备价格过去一直占总投资70%以上，虽然由于风电机组的国产化率提高以及制造水平日臻成熟，风电机组设备价格逐步降低，但近几年风电机组设备价格仍占总投资的50%以上，比重不可小觑，因此风电机组的选型尤为重要。设计院、评标专家不可或缺，但投资人自己明白选型的核心价值更为重要。笔者通过十几年的学习、工作和实践，逐步建立、积累了一种简便的风电机组选型测算方法，不仅能够在风电机组初选中把握方向，在最终的风电机组评标、合同谈判中也能掌握主动，做到心中有数、成竹在胸，有条不紊地做好风电机组选型工作，为公司投资决策做好参谋。

方法概述

由于风电机组的单机容量、发电模式以及技术路线不同，单凭投标价格不能选出风电场最适用风电机组，也就是说，不是投标价格越低越好，也不是发电量越高越好。从投资人获益最大化角度出发，应该选择投入产出最大的风电机组，也就是度电成本最低的风电机组。例如，1.5MW、2MW和3MW风电机组报价各不相同，同样单机容量因为双馈和直驱等不同技术路线价格也不相同，单机大容量的报价高，但单台发电量也高，而在总容量一定的前提下台数会相对较少，相应的风电机组基础、场内线路等工程量也会减少，此外，还应考虑风电机组20年生命周期内的运维费用，针对每一款投标风电机组，把以上大账算下来落到度电成本上再进行比较，就能确定最适用风电机组。

按20年生命周期计算是最系统最全面的，但对于我们非设计单位的“业余人士”而言，风电机组选型只比出性价比高的即可，没必要计算得那么严格精准。因此，上面将所说的度电成本比较法改为度电费用比较法更为贴切、简便。如果将风电场涉及的所有支出都详尽列入费用计算，那么度电费用就会更加逼近度电成本了。

案例分析

下面以河北省围场县风电项目设备招投标为例，介绍一种测算度电费用的方法，并据此选出最适用风电机组设备。

围场项目位于河北境内，此项目测风满一年，并经气象站五十年相关数据校核，汇总出风电场的重要风能资源数据（表1）载明于招标文件；围场项目有A、B、C三家设备商投标，各家风电机组参数（表2）载明于投标文件中。我们可根据风电场和设备的数据信息进行计算分析并得出风电机组选型结论。

表1 围场风电项目资源参数

一 、录入风电场重要参数：不同测风高度对应的风频分布、空气密度、轮毂高度、50年一遇极大风速和最大风速等

二、计算各投标风电机组单机年发电量

（1）为投标设备商建立一个excel表（表2），输入各已知参数，根据测风高度、风频分布、轮毂高度计算出轮毂高度的风速；

（2）根据（1）和功率曲线计算出相应的出力；

（3）根据（2）和风频分布计算出单机年发电量。

三、计算出风电场费用总价（A、B、C合表计算）

建立表3，以风电机组供货商A、B和C为例，分别将其机组设备的主要参数列出，其中“单机理论年发电量”为表2的计算结果，根据供货台数和折减经验计算出“总发电量”。后面根据供货投标设备所提供的塔筒重量和高度、风电机组基础设计图等分别计算出塔筒的价格、基础的费用以及吊装、箱变基础等相关工程的费用，最后得出“费用总价”。

由于该项目招标时国内兆瓦级风电机组刚刚起步，还未有运营多年的生产维护费用数据，现在许多风电机组已有运行10年的成本数据，同行们可在表3的“其他费用”中录入并计算出最终的“费用总价”。重要的相关费用涵盖越多，度电费用就越贴近实际，设备选型也就越准确。

四、计算出风电场度电费用

建立表4，以风电机组供货商A、B和C为例，由于风电场生命周期为20年，分别列出各发电设备20年各年度理论发电量，根据技术经济理论，计算出20年折现“发电量”，再用各自相应的“费用总价”去除，继而得出度电费用。

摄影：肖红波

表2 三家设备商所提供风电机组参数及发电量计算

b.设备商B风电机组参数及发电量计算机型 B77-1500 测风高度（m） 65 风速转换系数 1 塔重（t） 109.49风轮直径（m）77单机容量（kW）/台数1500/33风电场容量（万千瓦）4.95 50年极大风速（m/s）52.5轮毂高度（m）65年平均风速（m/s）6.73 风电场密度（ kg/m3）1.067标准密度（ kg/m3）1.225序号风速(m/s) 风频分布（h）/65m功率曲线（kW）对应功率曲线风速（m/s）轮毂风速（m/s）/65m相应出力（kW）/pd+(pg-pd)＊0.x 相应发电量（kWh）/W=P＊T 1 0 0 0 0 0 0 0 2 172 0 1 1 0 0 3 2 296 0 2 2 0 0 1 4 507 6 3.5 3 6 3042 5 4 605 37 4 4 37 22385 3 6 776 109 5 5 109 84584 7 6 988 212 6 6 212 209456 5 8 1085 357 7 7 357 387345 9 8 1014 549 8 8 549 556686 7 10 9 860 784 9 9 784 674240 11 10 713 1041 10 10 1041 742233 12 11 515 1293 11 11 1293 665895 13 12 335 1438 12 12 1438 481730 14 13 283 1497 13 13 1497 423651 15 14 195 1500 14 14 1500 292500 16 15 139 1500 15 15 1500 208500 17 16 70 1500 16 16 1500 105000 18 17 71 1500 17 17 1500 106500 19 18 48 1500 18 18 1500 72000 20 19 27 1500 19 19 1500 40500 21 20 25 1500 20 20 1500 37500 22 21 17 1500 21 21 1500 25500 23 22 9 1500 22 22 1500 13500 24 23 4 1500 23 23 1500 6000 25 24 5 1500 24 24 1500 7500 1 0 25 0 0 0单机年发电量（kWh） 5166247

c.设备商C风电机组参数及发电量计算机型 C1.5 测风高度（m） 65 风速转换系数 1 塔重（t） 104.66风轮直径（m） 82.04 单机容量（kW）/台数 1500/33 风电场容量(万千瓦) 4.95 50年极大风速（m/s） 52.5轮毂高度（m）65年平均风速（m/s）6.73 风电场密度（kg/m3）1.067标准密度（kg/m3）1.225序号 风速(m/s) 风频分布(h)/65m功率曲线(kW)对应功率曲线风速(m/s)轮毂风速(m/s)/65m相应出力(kW)/pd+(pg-pd)＊0.x相应发电量（kWh）/W=P＊T 1 0 0 0 0 0 0 0 2 172 0 1 1 0 0 3 2 296 0 2 2 0 0 1 4 507 3.02 3 3 3.02 1531.14 5 4 605 47.14 4 4 47.14 28519.7 3 6 776 115.2 5 5 115.2 89395.2 7 6 988 227.18 6 6 227.18 224453.84 5 8 1085 387.97 7 7 387.97 420947.45 9 8 1014 604.57 8 8 604.57 613033.98 7 10 9 860 882.28 9 9 882.28 758760.8 11 10 713 1168.82 10 10 1168.82 833368.66 12 11 515 1437.68 11 11 1437.68 740405.2 13 12 335 1500 12 12 1500 502500 14 13 283 1500 13 13 1500 424500 15 14 195 1500 14 14 1500 292500 16 15 139 1500 15 15 1500 208500 17 16 70 1500 16 16 1500 105000 18 17 71 1500 17 17 1500 106500 19 18 48 1500 18 18 1500 72000 20 19 27 1500 19 19 1500 40500 21 20 25 1500 20 20 1500 37500 22 21 17 1500 21 21 1500 25500 23 22 9 1500 22 22 1500 13500 24 23 4 1500 23 23 1500 6000 25 24 5 1500 24 24 1500 7500 1 0 25 0 0 0单机年发电量（kWh） 5552415.97

五、风电机组初选型

建立表5，以风电机组供货商A、B和C为例，将上述各表的主要指标和计算结果汇总。根据上述计算和汇总，可以粗算出三家投标厂家的度电费用，表5中供货商C的度电费用最低，对该项目而言，应为最佳推荐机型。

另外还有以下几点需要关注：

（1）关于空气密度。招标时我们都要求设备商提供设计认证和型式认证报告，以及针对风电场空气密度下的保证功率曲线。值得注意的是风电机组认证报告中的功率曲线是在标准空气密度（1.225kg/m3）下的数值，我们在计算发电量时要使用实际风电场的空气密度下的功率曲线（设备商提供的保证功率曲线）。以围场风电场为例，该风电场空气密度为1.067 kg/m3，低于标准空气密度，因此修正完的风电场功率曲线应比标准功率曲线值低，依此计算的发电量也低。过往风电机组招标就出现过投标人直接用标准功率曲线作为保证功率曲线投标的情况，因此在计算发电量前应先审核保证功率曲线的真实准确性。

表3 风电机组设备商风电场费用数据列表

表4 设备商投标风电机组设备的度电费用（折现率：8%）

（2）关于安全性。IEC标准有2类安全风速，一是平均风速，用以考量风电机组的疲劳载荷；二是极大风速（3s平均）或最大风速（10min平均），又称生存风速，二者是1.4倍关系，通常分析一个即可，用以考量极端载荷。以围场风电场为例，实际空气密度下50年一遇的极大风速是52.2m/s，折合到标准空气密度下的极大风速应低于52.2m/s，根据IEC标准，风电场平均风速6.73m/s，属三类风电场，抗极大风速为52.5m/s，大于前折算极大风速值，因此投标的风电机组均处于安全范围内。

表5 风电机组设备主要指标和计算结果汇总

结论

本文介绍了风电机组设备初选型的一种方法，要点就是通过提供的风电场风频分布、极限风速等主要数据和风电机组设备的功率曲线、轮毂高度、单机容量、投标价格等主要数据分别计算出拟选风电机组设备的总发电量和总费用，进而计算出风电机组设备的度电费用，最低者为最佳，应将业主发一度电投入最少的风电机组设备作为首选。

以上引例介绍的是风电机组初选型的一种方法，该方法也可用于风电机组预选型分析，即可以建一个风电机组资源库，将国内外可获取主流风电机组的型号、单机容量、轮毂高度、功率曲线等参数一一列入，随时查用；另外，在评标中也可校核投标机型的数据是否真实可信。中国风能设备分会每年都会汇编一册风电机组汇总资料，大家可以据此建库。

摄影：何海青