經濟效益最大化原則下的風電機組優化選型問題研究

薛軍凱

（國電電力寧夏新能源開發有限公司，寧夏 銀川750001）

0 引言

風能是一種完全意義上的可再生、無污染的清潔能源，并且具有儲量大、分布廣、綠色環保等優勢。 隨著經濟的快速發展，能源短缺問題越來越嚴重，能源的價格也在不斷的上升，風能作為最重要的可再生能源之一，風能的開發利用越來越引起世界各國的重視，其中風力發電是利用風能的最主要形式。

1 風力機選型

1.1 機型的選擇

風電場的開發以及風電機組的選擇，既要充分有效的利用風能資源，也要兼顧風力機組的效率達到最高。對應同一個風電場，在不同的觀測點，應該按照各個觀測點的特點進行選擇，而不是固定統一的選擇同一種機組。

1.2 單機容量的選擇

隨著風電技術的大力發展， 風機的單機容量也在逐漸的增大，但根據目前國內外風電市場的情況和國內已經建設的風電場來看，就從單機容量來考慮，主要可以分為四個級別：

1.2.1 600kW 級機組

該機組使用的單機容量多為600kW 或者750kW， 機組葉片長度在19～23m 間，機艙重量在19~23t 之間，比較適合安裝在地形較復雜的風電場，對于我國這種級別的風電場，主要運用的廠家是新疆金風和浙江運達等。

1.2.2 850kW 級機組

該機組使用的單機容量基本在850~1000kW 之間，風機葉片長約為25m，機艙重量約27t。這類機組適合地質條件較差和運行困難的風電場，該機組技術已經相當成熟，并且運行業績也不錯。

1.2.3 兆瓦級機組

這類機組的單機容量在1000~2000kW 之間， 風機葉片長約在32~42m 之間，機艙重量約40~70t。 該機組適合于交通相對方便、風電場場地平坦的電場。 在技術上比較成熟，國內外市場份額較大。

答：9月2日我們接到了受害游客的口頭報告，由于技術原因，我們在5日上午才收到書面詳細報告，并向涉事酒店了解了情況。在全面了解情況后，我們在5日向瑞典外交部通報了情況并提出嚴正交涉。中國外交部也在北京向瑞典駐華大使提出了嚴正交涉。我們希望瑞方對這3名中國公民提出的徹查事實真相、道歉、懲處涉事警察、賠償等訴求盡快給予回應。但快2周過去了，瑞方沒有一點回應。這不符合國際慣例。3名中國游客身心受到傷害，期待瑞方對他們的合理訴求盡快給予回應，所以只能訴諸媒體。

1.2.4 多兆瓦級機組

這種機組使用的風機部件屬于超長、超重、運行和吊裝困難的類型，目前主要使用在海上風力發電。從目前風電裝機趨勢來看，逐漸以MW 級機組為主。 安裝發電容量大的風機機組，可以減少風電場運行以及維護成本，還可以降低整個風力發電成本，因此兆瓦級機組將逐漸成為市場主流。

1.3 風電機組選型的經濟性

評價風力發電機組選型所帶來的經濟性，主要是指針對特定風場投資所產生的經濟效益。 對于一個風電項目，主要投資風險有固定資產投資、年上網電量大小和上網電價等。 電網電價基本保持不變或者是變化不大，但是風電機組設備價格有波較大動，風力發電項目的投資能否取得良好的回報已成為影響風電項目投資的主要問題。 所以說，對于一個風電場的建設和投資，需要考慮的主要因素有單位千瓦的造價、年上網發電量的大小和資金內部收益率等。 通過對風電場建設的各個方面的計算、比較和分析，得出能反映選擇機組的最佳經濟效益。

2 風力機選型相關參量

2.1 風力機輸出特性

對于一個特定的風力發電機組，該機組輸出功率的大小取決于風電場的風速值，風力機的輸出特性如圖1 所示：

圖1 風力機輸出特性

根據圖1 風力機輸出功率與風速的關系可表示為：

2.2 容量系數

對于某一個特定的風電場在某段時間內，風力機在風電場中所起到的效率的高低，取決于年平均風能利用率的大小，風能利用率越大，風機的效率越高。 為了更精確的反應風電場的經濟性，在此我們引進

式中：Vi、Vr、Vc是指風力機的啟動風速、 額定風速和截止風速，v指的是風速介于Vi和Vc之間時，發電機輸出功率和額定功率之比，通常稱之為輸出特性，是一個與風速有關的函數，用線性函數表示：容量系數。 風電場的容量系數Cf是指風電場在一定的時間段內，實際發電量與這段時間段內的額定發電量的比值，也是風力發電機組年平均輸出功率與pr額定功率的比值，即有：

將風力機輸出特性v 和風電場風速概率密度函數pw（v） 代入式（4）可得：

容量系數是風電場選址以及風力機選型的重要依據也是反映風電場經濟性的一個最重要指標。 風電場的容量系數Cf越大，經濟性越好，發電成本也就越低。引入可用率A，它是指風力機年風速利用時數T 與全年總小時數的比值：

在實際應用中常用計算式：r

對于一個特定的風電場在確切的時間段內,反映風力機在風場中效率高低的最主要的指標是年平均風能利用率， 風能利用率越大，風機的效率越高。風力機的年平均利用率等于風力機年平均效率與風力機容量系數的乘積。 若要提高風能利用率，可以適當提高風力機的年平均效率，即提高風力機在額定風速范圍內的運行時間，當然最有效的方法就是提高風力機容量系數。通常我們選取年平均容量系數作為衡量風力機利用風能的指標。

2.3 風電成本

風力發電機工作時，由于受到、雪、風暴等自然因素的制約，幾乎不可能實現全運轉。所以有必要選擇最佳風力機爭取在同一風能資源情況下發出更多的電，產生更好的經濟效益。 為了更明確的反映風電場建設的投資效益，通常引進風力發電成本作為衡量指標，風電成本是建場投資（包括運行與維護費用）與發電量的比值，節約建場投資費用又能發出更多的電能， 是降低上網電價的最好手段。 相比火電、核電，風力發電具有如下特點：

（1）風力發電機的輸出特性受風電場風速影響大。

（2）風力發電建設工期短，運行費用較低，但建設風電場的一次性投資大，需要較長的資本回收期,風險相對較大。 在某些情況下，風力機的選擇是按發電成本最小也就是按容量系數最大為原則。風電成本可表示：

式中：C 表示風力發電總成本、A 表示機組總投資成本、B 表示機組運行費用、D 表示風力發電機的維護費用、n 表示投資回收期、i 表示利率。 對式（8）進行處理變形可得：

式中：E 表示每kW 功率年運行與維修費用與每kW 功率建場投資之比，G 表示每kW 功率建場投資（元/kW）。

實質上，式（10）中Q 是風力機在滿負荷、全運轉的理想條件下的發電成本，在這種情況時容量系數等于1，成本最小。 而在實際運用中風力機不可能滿負荷、全運轉的，因此容量系數始終是要小于1。 對于一個特定的風電場，Q 值是基本不變的或者說變化不是很大， 從式（10）可以看出，要使得風電成本最小，也就要使風力機的容量系數越大。 因此，在風電場建設中選擇最佳風電機組就是選擇機組類型容量系數最大的機組，才能獲得最好的經濟效益。

3 結束語

總之，風力發電之所以成本高，主要是風電機組的價格太高，風電機組的投資占了整個風電場建設總投資的一半以上。而在風電場建設期間，選擇適合風電場的機組不僅能更有效的利用風能，也是降低風電成本的有效手段，因此機組的優化選型是至關重要的。

［1］呂鵬遠,鄧志勇.風電場建設中的風力發電機組選型[J].水利水電技術,2009,40(9):57-61.

［2］謝建民,邱毓昌.大型風力發電場選址與風力發電機優化匹配[J].太陽能學報,2001,22(4): 466-471