大功率风电机组经济性选型研究

2022-02-07贾湛龙

产业与科技论坛 2022年7期

□贾湛龙

随着社会的发展，社会对于一些天然能源使用消耗十分巨大，例如石油煤炭等不可再生资源，在日益增长的能源需求下，消耗速度明显增快。且这些不可再生资源再转换成能量时，会产生严重的环境污染，治理污染需要巨大的资金投入。在环保节能理念下许多清洁能源，逐渐进入大家视野，其中就包括风能。我国是自20世纪70年代开始对于风电进行研究的，但是早期我国建立的风电项目都是依靠一些国外的捐赠或者贷款，规模相对较小。在国家的大力支持下，我国开始研究一些小型风力发电组。而我国真正开始发展大型风电机组是从21世纪初开始，在风电机组研究到一定程度之后，相继完成了风机的载荷计算软件以及强度分析软件的开发以及应用。逐渐我国具备了大型风机的开发以及研制工作的所需条件，虽然已经取得了成功的经验，但是大功率风电机组的成本还是较高，离实现产品化方面也有相当长的一段距离。

一、风电场机组选型成本

(一)风机机组成本。我国在风电场风机机组主要有750千瓦、1.5兆瓦、2兆瓦、2.5兆瓦、4兆瓦、5兆瓦、6兆瓦几种选型，不同兆瓦的风机的效果也不一样。我国近几年来最常用的风机类型并且国产化效率较高的风机是1.5兆瓦、2兆瓦的风机，这两款风电机组主要是在2007年之后得到广泛使用，随着兆瓦级别风电机组不断发展，这两款的功率在近几年来的表现已经不足以提供充足的电力了。第二种是4兆瓦功率的风机，它较为成熟先进，相比于2兆瓦的风机，它多出了一个变速恒频，独立变桨的效果，能随着风速的快慢变速使得风机效率达到最大化。第三种为6兆瓦风机，它与4兆瓦至5兆瓦的风机效果相同，不过效率更高，风速在十三米每秒到二十五米每秒的时候能达到更强的功率。对比这三种风机类型，效果最好效率最高的为6兆瓦风机。在相同的风速下，桨叶叶片长度越长，那么发电量也会随之增加，但是发电机的成本也会随之增加。

(二)轮毂叶片、塔筒、齿轮箱、发电机以及电控系统成本。塔筒的体积是随着风机的大小以及尺寸来决定的，塔筒是由钢材制作的，论吨计算，目前的价格大概为一万到一万两千元每吨不等，并其塔筒总共分了四段，其价格随着风机的大小逐渐增长。其次为桨叶采购，桨叶有两种材料，第一种为传统材料，传统材料生产价格便宜，但是重量过重导致运输安装都会有产生极大的困难。其次是新颖的碳纤维结构，重量较小使用寿命也比较长，但是在制作以及运输的成本上过于昂贵，由于桨叶的尺寸随着风机的功率而增大，所以价格也会呈现几何形的放大。

(三)技术成本。风机机组制造成本主要消耗在技术成本上，目前我国风机机组较为常见的技术为双馈以及直驱永磁。双馈风机的技术比直驱永磁成熟，质量也十分稳定可靠，修缮费用和运行成本较低。直驱永磁则是在适应风区上更强，消耗较少，后续维护成本更低，所以直驱永磁近几年来在风电市场十分受欢迎。从价格上来说，直驱永磁的成本更加昂贵，千瓦就比同级别的贵出数百元，并且直驱永磁还有一个十分巨大的隐患，退磁。所以我国风机机组更偏向于选择双馈风机，双馈风机在产品定型之后量产能够大幅度降低单机制造费用，能够节省成本。

(四)风机选址成本。风机的大小以及所需的道路场地的不同以及所需的是临时征地和永久征地的需求量不同，使得最后落地的费用也不尽相同。但是功率越高的风机平台面积就越大。桨叶在平台中是一个较为难控制的点，桨叶长度过长时必须要确保平台桨叶伸展区域无障碍物。在风机征地时，升压站和风机基础需永久使用，所以需要征用，其他道路例如场内检修可以临时租用或者借用，省下经费。除去租用场地等，还要考虑送出线路的成本分析，风机机组的电缆线路一般分为直埋式敷设电缆和架空线路两种，架空线路建设时电路较为复杂，并且容易受到自然雷雨天之类的影响，也需要考虑永久征地以及维护的问题。直埋式可以沿着单路建设，线路简单，但是成本较高，并且电缆线路不能够随意变动和分支。

(五)运维费用。在风机机组基本选型完成之后，运维费用也是成本消耗的重头项目。风场一般质保都在三年以上，维修能力以及后备储存都较为可靠，但是费用将会相对高一点，但是从长远发展看更加的经济可靠。自主运维对于风机管理单位的后备充足性以及设备故障突发处理速度都是极大的考验。从科学角度分析来说，在不出现故障的情况下自主运维确实可以节约成本，但是大机组一旦出现问题，修复不及时则会造成更大的损失，综合来看选择原厂家技术人员进行运维更加合适。

二、风电机组初步选型

(一)确定一个适合单机容量的设备。在确定了机组安全防护等级之后,在根据以下几个因素进行甄别筛选得到一个符合条件的设备制造商,从而最终确定一个适合单机容量的设备。一是需要仔细地考察一个机组的制造技术水平和其技术的成熟程度,这个机组的制造商首先必须要通过国标认证,这个机组的产品能否经过了对设计价格的评估、生产工艺和质量的验证。二是调查机组的成熟程度,用于分析判断本次产品在使用中的可靠性,从该零部件制造商在其中投入的商业运营时间和所占据的市场份额等方面来进行了评价,这样才能够检测得出零部件供应商的生产能力和技术水平。三是要对这些制造企业的经营绩效能力,有无不良记录。四是判断本厂家服务工作到位与否是标准,以及售后服务工作能否及时开展。

(二)场地调查。在确定场地之后要调查现场的交通运输情况，以免意外情况的发生，其次要调查地质构造状况是否适合施工以及风机机组的安装。还要调查风场的情况，风切变情况以及风力，结合风电机组技术参数表的安装高度的要求制作出一个最适合的方案，以免出现轮毂过高或者过低，无法实现风电机组的最大效率。此外要调查好机组适应环境的能力，不同类型的机组适应不同地区不同温度。功率曲线是一个风机机组发电输出性能好坏的显示，在进行安装之前要仔细研究功率曲线，在最适合的地址安装风机机组。

三、年上网发电量比选

(一)在一定的风速范围之内，风速越大那么风电机组的输出功率也就越大，发电量也会随之提升。风电场的选址最先要考虑风资源的分布情况这样才能最大程度地发掘风机的能力和效率。对于风电场进行拟选坐标，并且在其中必须要考虑安装风机时轮毂中心高度以及风轮直径和功率曲线。之后进行拟建风场的年理论发电量的计算。再根据国家的要求对这些计算得出的数据进行修正，首先要考虑的是空气密度修正系数，在标准的空气密度之下，风机的标准功率曲线是风机的输出功率与风速的关系曲线。但是,在实际的使用环境中,风机往往被建在一个海拔较高的地方,那么其实际的空气密度值就会远远低于其标准值,由此可以得到,在相同的使用风速情况下,风机的实际输出能力和功率都会更低一些,所以在进行各种使用风电场每年的上网能耗计算时,就需要检查和修正其中的空气密度。现在最常见的一种修正方式就是,以年平均空气密度和标准空气密度之间的值相比来计算得到的修正系数,直接用这个值来计算年理论中的发电总量。

(二)控制湍流折减系数也是需要考虑和修正的。在实际情况当中，机组的操控总是根据风向变化而变化的，因此机组的操控总是滞后于方向变化，这也会对风机的输出功率估计值产生影响。同时湍流强度越大，风的速度也会出现变化，不稳定的风速会对风机的输出功率产生影响，因此在实际操作过程中，要根据实际的湍流强度和方向对模拟估算出的数据进行修正，以保证计算结果更加贴近实际值。

(三)风机的利用率也不会像计算的一样达到最大值，所以在计算时也要修正风机在真实情况下由于自身的质量、风机维护等问题所折用的效率值。除此之外风机功率曲线保证率以及风电场的损耗系数都会有一定的折损，在计算时也要考虑到这两点的情况。风机受到类似于霜降、凝冻等这样的极端气候影响时，运行效率都会下降。电网波动以及限电时为了保障风场的电网安全，风电场会暂时脱网，所以发电量会减少。在实际情况中，若是风机出现在特别复杂的地形条件下，软件在进行模拟时，得出的数据可能会与实际数据之间存在一定差距，从而导致理论发电量与实际发电量不相符合。

四、风电场经济比选

我国常用的经济比选法有四种，第一种是年度电投资法，第二种是差额内部收益率法，第三种是最低电价法，第四种是发电成本法。进行各项对比再选择出一个适合的风机机组。2兆瓦左右的风机是较早的产品之一，它所带来的各项性能指标已经落后于现在的需求，价格虽然较为便宜但是经济效益也十分微小。4兆瓦属于已经成熟的产品，性能较为稳定，运输和吊装也较为简单，适合一些经济型的风场投资。6兆瓦风机的性能最强，但是价格也十分昂贵，适合选址在沿海区域，因为它属于沿海抗台型风机。