中歐海上風電項目風機可利用率對比分析

吳 昊

(中國長江三峽集團公司，北京 100038)

由于海上風能資源豐富且適合大規模開發，海上風電逐漸成為風電發展的重要趨勢。截止2017年底，全球海上風電累計裝機1 881萬kW。根據NREL預測，到2022年，全球海上風電累計裝機有望達到5 177萬kW。相比于陸上風電，海上風電場受天氣和環境因素影響更大，如何通過合理的運用風場評價指標指導風場運維顯得十分重要。風力發電機組(以下簡稱“風機”)可利用率是評價風機的一項關鍵性能指標。目前，國內海上風場基本沿用風機制造廠商提供的風機可利用率計算公式，這不利于從運營商角度準確評價風機性能和提升運維管理水平。本文在對比國內外海上風電場風機可利用率算法的基礎上，提出基于發電量的可利用率算法作為行業內的統一性能指標。

1 風機可利用率的定義和分類

根據風電領域國際權威認證和咨詢機構DNV-GL的定義，可利用率是衡量風機或風電場發電潛力的一種方法。如果風機是“可用的”且處于并網狀態，在符合條件的風況條件下，風機就應該發電。

根據使用者的目的不同，可利用率可用來預測發電量、估算收益、評估風機設計表現、約定質保條款和實施獎懲等。不同目的的可利用率定義和算法不同，導致對相關法律，財務和技術等問題的判斷也不同，使用者需要根據自己的需求審慎選擇。如果風場運營商直接使用風機制造商提供的可利用率計算公式，由于定義的目的和考慮的角度不同，可能導致對風場整體運營情況的錯誤評價。

風機可利用率的分類方式有多種，按照分析目標范圍不同，可分為：“系統可利用率”、“風機可利用率”及“風電場配套設施可利用率”。根據使用目的不同又可分為：“合同可利用率”和“技術可利用率”。

按照分析數據對象不同還可分為：“基于時間的可利用率(THA)”和“基于發電量的可利用率(TEA)”，其中：“基于時間的可利用率”是以時間來衡量的可利用率。公式如下：

基于時間的可利用率(THA)=可利用小時數(h)/總計小時數(h)

但是，基于時間的可利用率忽略了風速隨時間變化對發電量造成的影響。所以，“基于能量的可利用率”概念應運而生，公式如下：

基于發電量的可利用率(TEA)=實際發電量(kW·h)/理論發電量(kW·h)

2 案例分析

在中國和歐洲各選1座典型商業化海上風電場作風機可利用率對比分析。

2.1 可利用公式和影響因素對比

國內海上風場A位于江蘇省東部沿海，離岸約10 km，水深介于8～14 m，年平均風速7 m/s(70 m輪轂高度)，安裝了某國外主機品牌4 MW機組，總裝機200 MW，于2016年末并網發電。歐洲海上風場B位于德國北海海域，離岸超過50 km，水深介于20～30 m，年平均風速9.6 m/(90 m輪轂高度)，安裝了和A項目同品牌和同平臺的海上風電機組，總裝機約300 MW，于2015年初投入商業運行。

A風場和B風場均使用了基于時間的可利用率(THA)作為考核風機的性能指標，且分母為全年小時數8 760 h，具體公式如下：

風機可利用率=風機發電小時數(h)/8 760(h)

但在考慮影響風機可利用率的因素方面兩項目有諸多不同。A項目沿用了和風機廠家簽訂的合同可利用率作為唯一的可利用率性能指標，而B項目既使用了與西門子合同中約定的“合同可利用率”，也使用了供內部考核評估使用的基于運營商角度的“技術可利用率”。為便于橫向對比，本文選取A項目“合同可利用率”(簡稱“A合”)、B項目的“合同可利用率”(簡稱B合)和“技術可利用率”(簡稱B技)進行對比分析。表1歸納了三套可利用率算法之間的差異并給出了推薦方案。

2.2 結果對比及推薦方案

如表1所示，本文根據IEC標準并結合項目實際情況，將影響可利用率的因素分為9大類，編號數字越大，優先級越高(如果多種因素同時發生，先考慮優先級高的)[1]。下面逐一分析各個類別的對比結果，并給出推薦方案。

1)運行發電。表示風機可將風能轉換為電能的狀態。其中非正常運行是指風機雖然能夠發電，但存在影響發電的技術或限制因素，比如由于電網限電等?！胺钦＿\行”實際也在發電，只是少于正常發電水平，A合、B合和B技都算作可利用較合理，因此推薦方案也算作可利用。

2)運行非發電。風機處于運行狀態，但由于各種因素導致無法發電。包括技術待機(風機為發電執行相關任務的時間，如解纜)；超出環境條件(如風速過高)；指令停機(如由于噪聲過高停機)。它是合理因素導致的無法發電，并不是故障，A合、B合和B技把“運行非發電”算作可利用合理，因此推薦場景也算作可利用。

3)電網影響。由于電網故障導致的全場停電，超出了風機的控制范圍，A合、B合和B技都算作可利用。但如果簡單的算作可利用，有時會造成誤判。舉個極端例子，如果某風場外送高壓換流站出現嚴重設備故障，三個月無法送電，期間的可利用率如果簡單的算作可利用，就會高估風場的實際發電能力。所以推薦方案將該因素不納入統計時間或理論發電量。

由于電網外送能力不足、計劃性檢修等導致的風機限電(降功率運行)且此時風機由于故障不可用，按影響因素優先級，此時風機已經處于故障停機狀態，其級別高于電網影響導致的限電，所以推薦方案算不可利用。

4)風場配套設施。指除風機以外的自建升壓站、海底電纜、風機基礎等配套設施。一般在計算系統可利用率時把風場配套設施導致的停機算作不可利用，本文闡述的均為風機可利用率概念，B項目把該因素算作可利用，混淆了風機可利用率和風場可利用率概念。對于風機本身，風場配套設施的運行情況也超出了控制范圍，推薦方案把其排除在計算時間或理論發電量之外。

5)定期維護。定期維護是可利用率最重要的影響因素之一，特別是海上風電，它導致的停機時間或能量損失占很大比例。A合由于沿用了風機廠家的可利用率概念，所以把定期維護導致的停機仍算作可利用，

表1 三套可利用率影響因素考慮方式對比

注：R代表可利用；U代表不可利用；-代表從統計時間或理論發電量中扣除，不予計算。

而B合為鼓勵風機廠家運維人員在小風天氣下維護，把低于4 m/s以下開展的維護停機也算作可利用。本文認為定期維護的頻率體現了風機可靠性，如果算作可利用，無法激勵運維人員優化定期維護策略，可能導致定期維護時間過長和發電量損失過大，推薦運營商算作不可利用。

6)計劃性改造。是指為保持、恢復或提高風機發電能力進行的作業。A合算作可利用、B合和B技都算作不可利用。和定期維護類似，它也是風機可靠性的體現，由此產生的停機應算作不可利用。

7)風機故障。風機故障是影響可利用率最重要的因素之一。同小風天氣下開展運維一樣，小風天氣下處理風機故障對于A合和B合都算作可利用，B技算不可利用；而對于運營商停機并處理故障的時間A合算可利用，B合和B技都算不可利用，因為B項目考慮無論誰來停機和處理故障，故障本身都是風機質量原因造成的。推薦方案將風機故障及處理故障的時間或發電量損失均算作不可利用。

8)暫停作業。是指為了避免人身傷害或設備損害，不得不中斷正在進行的“定期維護”、“計劃性改造”或“風機故障”，比如巨浪、風暴、雷電等惡劣天氣原因導致無法繼續工作。A合、B合和B技都算作可利用。推薦方案將其排除在統計時間或理論發電量之外。

9)不可抗力。指相關方無法控制的非常情況，導致不能履行義務。A合、B合和B技把都其算作可利用。推薦方案將其排除在統計時間或理論發電量之外。

2.3 實際可利用率對比

表2是A、B兩個項目采用各自可利用率算法統計的2017年可利用率。

表2 A項目和B項目2017年可利用率統計結果對比表

經過對可利用率損失原因的分類比較可知：

1)2017年B合可利用率為98.56%，比B技高出1.09個百分點，主要是B技將風場配套設施故障和檢修以及小風天氣下風機的故障處理和定期維護算作不可利用，而A合算作可利用。

2)A合可利用率全年統計結果較高，比B技可利用率高1.84個百分點，根據4.2節分析，主要是風機計劃性維護和檢查以及風場配套設施(如升壓站)計劃性維護和檢修影響所致。如果B技使用A合的計算公式，B技可利用率可從97.47%提升到98.9%。

3)對比全年每月可利用率，4月至8月期間的B技比A合可利用率低很多，主要受B項目利用夏季(小風季節)頻繁開展定期維護和檢查工作導致，包括德國法律強制規定的檢查(葉片、電梯、爬梯和起重設備等)、整機廠家要求的年度檢查(電梯、高壓設備以及風機內絕大多數設備)以及運營商自己負責設備的維護和檢查(補漆、油脂采樣、風機內通訊柜、消防和安全設備、過渡段平臺上的輔助設備等)，以上工作國內A項目明顯少于德國B項目，且定期維護A項目是算作可利用的。

根據圖1，2017年B項目由于定期維護和檢查導致的風機停機占全年不可利用時間的17.5%，它對基于時間的年平均技術可利用率影響至少為1個百分點。

圖1 B風場2017年不可利用因素占比

3 推薦風機可利用率公式

隨著風電行業的發展，人們逐漸發現采取基于時間的技術可利用率來衡量風機可靠性存在一定缺陷。作為風場投資方，最終關心的是發電量帶來的收入，而我們發現大風時風機可利用和小風時可利用對發電量的影響是截然不同的，而這是第二節中提到的“基于時間的可利用率(THA)”算法無法評估的，它不能真實準確地反映機組狀態與性能，也無法科學地指導安排科學的運維策略。

基于以上考慮，行業內提出了基于發電量的可利用率(TEA)概念，西班牙伊布爾德羅拉風電公司、葡萄牙電力公司等國際知名風電運營商都在使用這套可利用率計算方式，即：

發電量可利用率(TEA)=實際發電量(kW·h)/理論發電量(kW·h)

以B項目為例，說明以TEA計算方式評估小風天氣維護策略和大風天氣維護策略的差異。如圖2和圖3所示，假設6月計劃性維護的總停機時間都為7 d(168 h)，則兩種策略下THA均為77.67%。如果采用TEA計算，B項目2017年6月實際發電量為8 870萬kW·h，采取小風天氣維護策略時雖然停機時間為168 h，但發電量損失僅為349 kW·h，即TEA為95.55%；采用大風天氣維護策略發電量損失高達3 772 kW·h，即TEA為56.99%(橙色部分面積大小直觀反映了發電量損失多少)。所以，TEA相比THA更能準確反映實際發電量的損失。

圖2 采用小風天氣下維護策略的發電量損失

圖3 采用大風天氣下維護策略的發電量損失

在利用TEA公式過程中，原始數據的可靠收集是前提，理論發電量的準確評估是基礎，影響可利用率因素的科學分類和統計是關鍵。首先，獲取可靠的原始數據需要保證測風塔和機艙測風設備維護良好。其次，理論發電量評估主要有兩種方法，一是基于特定功率曲線和風速計算，另一種則是基于功率計算。在第一種方法中，風速可以通過機艙風速計、激光測風雷達或測風塔獲取，在某些情況下還需通過適當的修正。第二種方法無需知道功率曲線，可通過相鄰的1臺或1組風機數據推算目標風機理論發電量。再次，影響可利用率因素的科學分類統計需要信息化軟件的支撐，對影響因素的考慮方式可參照表3中的推薦方案。

TEA作為內部評估風場運維管理水平的重要性能指標具有重要意義：

1)TEA指標的應用是一種以發電收入為導向的運維管理模式，它能在內部和市場當中傳遞最真實、可靠的信息，促使運營商改進運維計劃和預算，真正達到精益管理、降本增效的目的。

2)有助于合理安排風機計劃性維護和檢查工作。TEA指標可促進優化風場運維策略，合理調度船只，科學安排人員，精細管理備件。

3)TEA作為統一指標，有利于不同區域、不同規模和不同地理條件的風場之間進行橫向對比，也有利于和國際先進風場對標。

4)把TEA作為第三方運維服務提供商的考核指標，有利于其專注減少發電量損失，更加靈活地分配資源，降低運維成本和提高運維效率。

4 結 語

本文從研究國內外兩個海上風電項目可利用率計算方式異同點入手，找出了影響兩者可利用率結果差異的主要原因，提出了現有可利用率計算方式的不足，推薦了一種基于發電量的可利用率(TEA)的計算方法，并建議作為統一性能指標在行業內推廣。主要結論如下：

1)對定期維護和風場配套設施影響因素的考慮與否是造成不同風場(風機)可利用率算法結果差異的主要原因；

2)海上風電項目需根據風速的季節變化合理安排運維策略，減少發電收入損失；

3)基于發電量的可利用率算法以發電收入為導向，應作為評估風場運維管理水平的重要性能指標加以推廣。