风电设备选型的技术经济分析

    摘　要：风电设备选型已经成为影响风电项目投资行为的主要因素之一。通过对风电设备选型的主要技术指标额定风速的理论分析、公式计算， 通过对风电设备选型、风电设备投资等主要经济指标进行不同组合的方案研究，提出了风电设备设计选型时简单而有效的评价方法，揭示了风电设备选型组合方案与风电投资规模效应的内在联系，能更好地提高风电项目的经济性。

    关键词：风电项目；设备选型；技术经济分析

    0　引 言
　　2006年， 中国的风电装机容量达到了135万kW， 实现了当年约106.7%的增长速度。截至2006年底，中国风电装机容量达到了2599MW，低于丹麦的3136MW，排名第六位[1]。 伴随着风电装机规模的高速增长， 风电设备及零部件呈现出供不应求的状况，风电设备的价格也出现了较大的波动。在现有上网电价的情况下，风电设备选型已经成为影响风电项目投资行为的主要因素之一。

　　中国的风力发电技术及其应用相对落后于欧美，风电设备选型时应关注的主要技术经济指标还没有较好的评价和分析方法。风电设备选型技术指标上，目前依据的主要是风电的相关标准和规范，而选型时对风电场风能资源与风电设备额定风速的关系没有简单有效的分析方法；风电设备选型主要经济指标上，评价和分析风电项目时比较关注上网电价、固定投资和设备利用率等主要指标，而对影响风电项目投资较大的指标，如风电设备选型的组合对固定资产的影响、风电设备选型与风电项目投资规模效应之间的关系较少引起重视。通过对风能利用效率原理分析，提出简单确定风电场额定风速的计算公式，提供风电设备选型参考；通过应用运筹学原理及对相关经济指标概率统计的设计，揭示了风电设备选型组合方案与风电项目投资规模效应之间的内在联系。本文正是通过上述分析，提出了风电设备选型设计的一种新型有效、实用简单的评价方法和分析途径。
    1　风电设备选型的技术分析

　　中国幅员辽阔，南北风资源差别较大，按目前引进的欧美风机技术及其标准制造的风电设备，其还需要有一个对本土化风资源适应性研究的过程。

　　按照现行变浆距风力发电机的最大功率捕获原理，风力发电机从切入风速（Cut-in wind speed）到额定风速（Rated wind speed）这一过程中，通过变浆技术可以实现风力发电机工况下的最优化，从实际风速分布统计情况来看，风力发电机运行得最多的时段也基本上是集中在这一工况下，且这一工况下的出力为最多。风力发电机从切入风速到风力发电机达到额定功率时的最优风能捕获[2]曲线如图1所示。

　　 从图1中可以看到，随着风速v的增加，通过控制叶片变浆，即改变叶片的迎风攻角，可以保持风力发电机在各个风速nmax时达到其出力最大化Pmax，图1中用几条风速曲线表达了这一变化过程。而在实际工作中，一般将测得的逐时风速按风频数来统计，一个典型风场的风速分布为一个威布尔（Weibull）分布及其瑞利（Rayleigh）分布，如下图2所示，图2中分别列出了陆上（Onshore）和海上（Offshore）风速典型分布[3]情况。

　　 其中威布尔（weibull）分布所控制分布宽度的形状参数K值和控制平均风速分布的尺度参数A值是实际工作中主要关注的两个参数[2，4]。一般来说，在弄清风电场址区的风速分布情况后，会根据平均风速值、湍流计算值和极大风速推算值等，以及风力发电机组分级[4，5]的相关规定，来确定风力机组及主要部件的选型。从安全的角度来说，这种做法是值得肯定的，但随着风电设备装机规模的不断扩大，越来越多的专业人士对风力发电机出力这一指标给予了高度关注。而决定某台风力发电机出力的指标就是其对风能的捕获能力和利用效率， 所关注的这些参数与风能资源紧密相关。图1表明，在实况中，进入额定风速区后，同功率机型之间的出力差别不大，而风力发电机大部分时间都是在额定风速以下区间运行，不同风力发电机的出力差别则主要集中在额定风速以下的区间，因此对额定风速的确定直接关系某台风力发电机的出力指标。
　　在一个风电场区的风能资源参数已定的情况下，为了达到最优出力，风电设备选型的一个重要技术指标就是确定其额定风速VN。通过不同风场、多台风力发电机的出力对比研究发现，VN取值为A和K值的乘积，即VN=A×K是一个最简单而有效的计算公式。如图2中的陆上风电场风电设备应选取额定风速VN为12～13m/s，而海上风电场区风力发电机应选取额定风速VN为15～16m/s。基于对这一点的理解，风力发电机安装在海上时可以越来越大型化，因为其要求的额定风速相对比较高，而安装在陆上的风力发电机却不能一味求大，单机功率过大的风力发电机即使采用了很多先进技术，如加大其低风速的捕风性能，但由于其额定风速较高，因而牺牲了整机性能，将得不偿失。
    2　风电设备选型的主要经济指标分析

　　实际工作中，对风电设备选型时， 既要做到风电设备选型满足风电场的技术要求，也要考虑设备价格波动对风电投资所产生的影响。现阶段，有些风电项目，不管拟建场址区的风能资源情况如何，风电设备选型上都以MW级机组为目标，以1.5MW机组选型为最多，而1.5MW级单机的额定风速多以14m/s左右为主，一个二级风能资源[4，5]的风电场其年平均风速70米轮毂高度的实测风还不到6.6m/s，选用这样的风电设备，其出力也能算到两千小时的年等效小时利用数，实难苟同。

　　评价一个风电项目的主要风险变量有上网电量、固定资产投资、上网电价。前面在技术分析中主要谈到了风力发电机的出力问题，此问题相关于上网电量，在电网电价暂不确定的情况下，由于风电设备价格的较大波动，风电项目投资回报[6]问题已经成为影响风电项目投资的主要因素之一。