基于部件成本分析的风电场机型优化选型

陈径

（国家电投云南国际缅甸零碳公司，云南 昆明 650228）

0 前言

受制于机型资料的丰富程度和各厂商的报价策略限制，以往风机选型工作中，业主单位对厂商提供的风机数据、发电量计算结果、进行对比分析，参考资本金收益率最高的方案即确定为最合适的机型[1]。难以真实反应风电机组对风电场现场的适应能力，因此不能充分发挥风电场最大资源禀赋。

随着风电大基地开发模式的日益成熟，超大风电场由于风资源在时间、空间上跨度较大，风电机组体量在几十到几百兆瓦之间，所以在大基地风机选型方面更需要贴合现场实际需要[2]。机型优选可以使得风电设备能最大限度地适应风电场的风况及气候状况，能够有效提高风电大基地的盈利水平。同时随着主机厂商毛利率的一再下降、业主单位打捆集中采购招标模式的推行，主机厂商对业主单位的诉求响应更加积极，使得定制化优选机型在未来成为了可能。

1 研究内容

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。对于一个风电场的建设和投资，需要考虑的主要因素为风电场单位千瓦造价、年上网发电量大小、上网电价及内部收益率等。

本研究针对风电场风能资源特点，结合风机部套成本数据和风电场建设成本数据，建立基于部件成本的风电场技术经济分析模型。并以此根据不同的应用场景，确定保障内部收益率最高的机型参数。通过定制化设计的风机，改变了以往“风场匹配已有风机”的设计思路，转而使用“风机适应风场”，使得风电设备能最大限度地适应风电场的风况及气候状况，有效减少风机故障率并提升发电效益，实现了风电大基地设计的现代化。

2 技术路线

本研究基于某发电集团部件成本数据库、风电场附属成本及工程成本数据库、风资源数据以及地形数据建立。

1）基于风机部件特性建立成本模型。风机部件可分为物理特性部件，重点关注其运行特性本身的部件，如发电机、齿轮箱等。另外一部分为受风资源影响的部件[3]，其各项设计参数将受到风资源的影响[4]，如叶片、塔筒、风机基础等。

2）基于风资源参数与部件关联性成本分析，建立风机机型功率曲线、推力系数库。

3）基于某发电集团风电场造价统计数据建立风电场附属成本及施工成本模型，主要考虑不同规模、不同塔筒高度、不同地形的集电线路用量、进场道路、场内道路长度、不同容量升压站成本等。

4）基于风机部件成本模型、风机机型库以及风电场附属成本及施工成本模型结合财务模型，实现基于部件成本的风电场技术经济分析模型建立。

图1 总体技术路线图

3 风机部件成本拟合模型

风机部件成本拟合总体思路是将风机总体参数、部件重量、部件价格三个因素解耦：第一步把部件重量和风机总体参数的函数关系挂钩，风机总体参数主要体现在设计风速、湍流等风资源参数，还有风机额定功率、风轮直径和轮毂高度等结构参数等。

第二步是拟合部件重量和部件成本的关系，未来可基于物料成本建立更加详细的部件材料重量模型，如考虑塔筒钢材的价格波动，进一步提高部件单重的评估准确性。

以直驱发电机为例：

直驱发电机成本受额定功率、发电机转速、散热方式和电压等级影响。其中主要影响因素为发电机功率和转速。

对于直驱发电机，考虑到高速发电机成本对直驱发电机成本的变化规律参考意义，采用收集到的直驱、半直驱发电机成本和价格数据建立直驱发电机成本模型。如图2所示，直驱发电机重量与功率近似成线性关系，和旋转周期（60/RPM）成非线性关系。

图2 直驱发电机重量拟合

如图3所示，直驱发电机成本与重量近似成正比关系，单重成本随重量增加而增加。 直驱发电机重量拟合误差如图4所示。

图3 直驱发电机成本拟合

图4 直驱发电机重量拟合误差

图5 通用风能利用系数

图6 归一化功率曲线

4 基于风资源参数的风机关键参数分析

基于风资源参数分析与部件关联性成本分析，建立风机机型库。平均风速和湍流强度主要通过塔架和轮毂铸件的疲劳极限影响其重量[7]。同时风资源会通过风电设备，影响风机的运行表现，因此本研究通过大量的功率曲线数据，推导得到了归一化功率曲线、推力系数以及风能利用系数[8]，为后续的整体计算提供驱动数据。

5 风电场附属成本及施工成本模型

基于某发电集团风电场造价统计数据建立风电场附属成本及施工成本模型，主要考虑不同规模、不同塔筒高度、不同地形的集电线路用量、进场道路、场内道路长度、不同容量升压站成本等。

以风机塔筒为例：

塔筒的设计参数主要受高度、功率面积影响。采用某主机厂家的2MW121机型塔架在不同重量下对应的轮毂高度，作为当量高度[9]。通过对2mw121不同塔架成本拟合，如图7所示。

图7 2MW121刚性、混塔、柔塔架成本拟合

在高塔筒下柔塔是具有明显的价格优势[10]。但相较于混塔和钢塔，柔塔倒塔概率较高，避震带的设置也会带来风机发电性能的损失。

图8 为通用性塔筒重量拟合，拟合铁塔重量随着轮毂高度 、功率面积的增加而加速增加。

图8 2MW121通用性塔筒重量拟合

图9 平原集电线路单位千瓦成本

图10 平原场内道路单位千瓦成本

图11 低风速单位发电小时数千瓦投资

图12 蒙西低风速投入产出比

以风机集电线路、场内道路为例：

以200MW平原风电场为例，考虑风机布机最小距离，分别拟合平原地形集电线路与场内道路成本,如何公式如下：

其中D为叶轮直径、P为风机功率。

6 应用场景

结合某发电集团风电技经模型，实现基于部件成本的风电场技术经济分析模型建立，并对以下应用场景进行分析。

新能源全额收购情境下，在新能源全额收购情境下，也就是争取最大发电量的情况下，同时考虑叶片和塔架技术发展的限制。在低风速情况下，最优机型为6MW210m[13]；在中风速情况下，最优机型为6.2MW192m[14]；在高风速情况下，最优机型为6.45MW175m。

新能源保障收购小时数情境下，对于新能源消纳困难地区，最低保障收购小时数内以火电标杆电价收购，超出保障收购小时数部分参与电力交易[12]。例如蒙西部分地区特许权项目保障收购小时数为2000小时，非特许权项目保障收购小时数为1500小时，新能源电力交易平均电价为0.0057元/kwh。

因此考虑风电场投资成本与实际综合交易电价。在低风速情况下，最优机型为9MW175m；在中风速情况下，最优机型为 8.75MW175m；在高风速情况下，最优机型为9.25MW155m。

7 结束语

本研究通过定制化设计风机，改变以往“风场匹配已有风机”的设计思路，转而使用“风机适应风场”。以风资源参数作为驱动，结合风机部套成本数据和风电场建设成本数据，建立基于部件成本的风电场技术经济分析模型，并以此根据不同的应用场景，推荐最优机型，使得风场设计能最大限度地适应风电场的风况与运行边界条件，有效提升风电场盈利水平。