某陸上風電機組選型、布置及技術經濟性研究

童 旭

（國能龍源電力技術工程有限責任公司，北京 100039）

0 引言

在“雙碳”目標背景下，風電具有綠色排放、資源消耗低、經濟效益好等優勢，從而成為低碳經濟中最重要的新能源之一[1]。目前，隨著風電機組容量的持續增長及主流機型容量的不斷提高，如何綜合考慮風機布置、上網電量及成本經濟性等因素進行風電機組合理選型，已成為風電領域關注的重點[2]。

風電作為環境友好、技術成熟的可再生能源，已在全球范圍內實現規模化應用。全球已有100多個國家開始發展風電，其中美國、丹麥、荷蘭、英國、德國等國家均在風力發電的研究與應用方面投入了大量的人力和資金。全球陸上風電的度電成本區間已經明顯低于化石能源，陸上風電平均成本逐漸接近水電，達到6美分/（kW·h）。隨著技術進步，風電項目的度電成本仍在進一步降低，風電將成為最經濟的綠色電力之一。截至2021年底，全球累計風電裝機容量達到837 GW，且年裝機容量持續增長[3]。從累計裝機量來看，截至2021年末，我國陸上風電累計裝機容量320 GW，占全球陸上總裝機量的40%，海上風電累計裝機容量25.35 GW，占全球海上總裝機量的48%，我國已成為累計裝機量第一大國家。截至2022年11月，我國風電裝機容量已達到350 GW，占發電裝機總容量的13.9%[4]。可見，無論是新增還是累計風電裝機容量，我國的風電市場規模均已占據全球首位。

盡管我國在大型風機開發及研制方面積累了豐富的經驗，但風電機組的技術經濟性及產品化程度仍有待進一步提高[5]。因此，如何更加合理地進行風電機組選型，獲得更好的技術經濟性已成為本領域研究的熱點問題。在風電機組設計建設中，風電機組選型的好壞不僅影響著風力場投資的多少，還直接影響著投產后的發電量和運行成本，最終決定上網電價。因此，在風力項目固定資產投資中，風力機組的選型具有重要意義。

針對風力發電機組選型，近些年國內開展了較為豐富的研究，肖洪波[6]研究了風力發電機組的分類和各類機型的優缺點，提出了風電場開發初期影響風力發電機組選型的主要因素和機型比選方法步驟，并以某風電場為實例，對比得出了推薦機型。在風能特性研究方面，李靖等[7]研究了高原地區湍流對風電機組的影響，從湍流對風電機組選型、發電能力、偏航系統、載荷等方面的影響展開分析，闡述了湍流對風電機組的諸多影響及其作用原理。蔡彥楓等[8]開展了測風激光雷達與風廓線雷達的對比觀測試驗研究，得到風廓線雷達觀測結果的極差和標準差整體偏大，測風精度不及測風激光雷達的結論。聚焦于典型臺風外圍影響，陳佳俊等[9]研究了湍流程度、陣風系數等的演變特性，基于此分析了上述因素對風電機組選型的影響，并進一步提出在臺風期間單獨實施槳角控制策略的方法，在保證機組安全性的同時，實現了風能利用的最大化。針對海上風電，劉展志等[10]綜合分析了歐洲各國的海上風電發展情況，并結合具體實例提出了四種輸電技術應用情景。官嫣嫣等[11]研究得到了基于風險管理的海上風電進度控制方法，能夠有效識別進度管理中的工作重點，實現項目進展的有效推動，有助于集中資源管理風險，避免或減少工期延誤。

上述研究工作對風力發電機組選型等方面具有一定的理論及技術指導意義，但在風電機組綜合性設計選型方面，系統性的研究報道仍然較為匱乏。本文聚焦于某陸上風場風電機組選型、布置及技術經濟性分析，優選出4種風力發電機型進行技術經濟性比較，根據風電場風向和風能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運輸和安裝條件，以風電場發電量較大、機組相互尾流影響較小為原則進行風機的優化布置。研究成果能夠為同類陸上風電機組選型、布置及發電經濟性分析提供一定的理論及技術支撐。

1 風電機組型號選擇

1.1 單機容量選取

研究表明，對于確定的風電場，在特定技術、經濟、國產化比例約束下，使風機單機容量處于某一范圍內，能夠獲得較好的經濟性。根據目前國內外風電機組裝機情況，基于單機容量大小，可將風電機組分為兆瓦級以下機組（750～1 000 kW）、兆瓦級機組（1.5～2.0 MW）和多兆瓦級機組（2.5 MW、3.0 MW、3.6 MW和5.0 MW）。本文研究對象為山地風電場，場址內及進場道路施工難度相對較大，但風電場所在位置對外交通條件較好，因此，綜合考慮風電場范圍、地形特征、運輸條件和國內外風電技術及現狀等，風電機組單機容量選擇范圍在1 500～2 500 kW。

1.2 基于風況特性的機型方案選擇

機型方案選擇應對風電場風能資源和風電機組安全性等因素進行綜合考慮。首先，應系統獲得風場的風能參數。經風能數據分析可知，當風機輪轂高度為75 m時，該處的年均風速能夠達到6.50 m/s，對應的風功率密度達302.4 W/m2。對于該風電場的整體風速分布而言，其主要風速段位于2～11 m/s，占比85.8%以上。對應的風能則主要集中在5～14 m/s風速段，占比99.8%以上。經以上風能數據分析可知，該風電場屬于低風速型風電場，風能分布相對較為集中，因此風電機組宜選擇對低風速段利用較為充分的高效能風機。

在安全等級方面，根據歷史測風數據資料，位于電場內測風塔的80 m高度處，該位置50年一遇的最大風速值能夠達到33.1 m/s，相應的極大風速值達46.3 m/s。據此推算，在風機輪轂高度為75 m處，強風下的最大湍流強度可達0.07，湍流強度相對較小。參照國際電工協會標準，所選風電機型應滿足IEC ⅢC類安全等級。

綜合考慮上述分析及廠家供貨能力等因素，擬定包括WTG1、WTG2、WTG3、WTG4在內的共計4種機型進行綜合比選分析。4種單機容量在1 500～2 500 kW，輪轂高度在75～85 m的直驅機型或雙饋機型特征參數如表1所示，功率調節方式為變槳變速，切入風速均為3 m/s，電壓和頻率分別為690 V和50 Hz。

各比選機型在標準空氣密度（ρ=1.225 kg/m3）下的功率曲線和標幺值曲線分別如圖1（a）和圖1（b）所示，推力系數曲線如圖1（c）所示。從圖中對比結果可見，4種機型在10～12 m/s風速之間均能達到額定功率，標幺值曲線變化較為接近。在2～4 m/s的低風速范圍內，WTG1機型的推力系數最高。

圖1 比選機型的主要性能曲線對比

1.3 各機型上網電量計算

在進行上網電量計算前，應進行四方面的準備工作，具體包括：1）取得測風塔一整年的經修正插補訂正后的歷史測風數據；2）每個機型均采用標準空氣密度下的功率曲線，如圖1（a）所示，實際功率曲線按IEC 61400標準進行折減，輪轂高度范圍為各機型配套生產的推薦輪轂高度；3）根據實際需求，各風電機型布置的總裝機容量在50 MW以內；4）針對各方案分別進行優化布機方式的試算，經過綜合對比選取最優方案。

首先，根據風電場風能資源特點和場區地形條件，結合選定場區范圍和裝機規模要求，按照最大年發電量及最小尾流影響的原則，借助WindFarmer理論計算軟件對每個比選風電機型的布置位置進行優化。經計算獲得WTG1和WTG2風力發電機組機型方案布置如圖2（a）所示，WTG3和WTG4風力發電機組機型布置分別如圖2（b）和圖2（c）所示。

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圖2 不同機型的布置方案對比

而后，采用WT計算軟件對各方案下的理論發電量及尾流影響進行系統分析。進一步地，綜合考慮影響機組發電量的一系列折減因素，計算獲得各機型方案的年上網電量。經計算，各機型方案下的上網電量如表2所示。

表2 各機型比較方案的上網電量計算結果

可見，采用上述不同機型，風電場的年平均上網電量以WTG1機型方案最大，為10 530萬kW·h，年等效滿負荷利用小時為2 127 h，而WTG2和WTG4的年上網電量次之，分別為10 331萬kW·h和9 877萬kW·h，對應的年等效滿負荷小時數分別為2 086 h和2 080 h。WTG3方案相對較小，年平均上網電量為9 767萬kW·h，年等效滿負荷利用小時數為2 038 h。

1.4 各比選機型投資估算

發電成本不僅影響著風電機組運行的經濟性，也是衡量企業管理能力的重要標志[12]。根據前述各機型參數、總體布置，結合土建工程和施工布置等因素，估算各比選機型的投資如表3所示。

表3 各比選機型的投資估算

1.5 推薦機型分析

由表3給出的各比選機型技術經濟指標可見，在4個比較機型方案中，從效益來看，以WTG1機型方案的年上網電量最大，WTG2方案次之，WTG3方案最低。由投資總額對比結果可見，4種機型的投資位于33 634萬～35 543萬元，WTG3方案的整體費用最低，單位千瓦投資為7 007元，WTG1機型方案次之，單位千瓦投資為7 163元，WTG4機型方案投資相對較大，單位千瓦投資為7 239元。從項目經濟性來看，在參與比較的4個比選機型方案中，單位度電投資以WTG1機型方案最小，為3.367元/（kW·h），WTG2方案次之，為3.440元/（kW·h），WTG4機型方案相對較大，為3.481元/（kW·h）。在4個機型比選方案中，WTG1機型表現出了更好的經濟性。

1.6 風機輪轂高度

對于風機輪轂高度的選擇，其核心是對比分析提高輪轂高度所帶來的發電量增大與建設成本增加之間的關系，應綜合考慮，選擇更具合理經濟性的輪轂高度。由于推薦代表機型為WTG1型風力發電機組，其可選的風機輪轂高度分別為70、75、85 m。考慮到風電場及周邊的實際運輸條件，本文以75 m和85 m輪轂高度方案進行比較。不同輪轂高度下的經濟性對比如表4所示，可見，當輪轂高度由75 m增大至85 m時，年上網電量增加了1.15%。從投資和經濟性來看，當輪轂高度由75 m提高至85 m時，造價、運輸及安裝等的費用相應增長，對應投資費用增加了5.29%，其費用增加幅度要高于對應的電量增加幅度。并且，對比單位度電的投資額可知，輪轂高度為85 m時的費用為3.505元/（kW·h），要略高于75 m時的投資額。因此，最終選擇75 m作為風機的輪轂高度。

表4 不同輪轂高度下的經濟性對比

2 風電機組總體布置位置分析

基于上述風電機組布置優化原則，首先采用WT理論計算軟件，生成能夠反映風電場各區域風資源好壞的風能風譜圖，而后結合風電場數字化地形圖，借助WindFarmer風電場優化設計軟件，對風電機組的布置位置進行總體優化，并通過持續的局部位置調整，進行反復迭代。最終獲得優化調整后的整體風機布置如圖3所示。

圖3 風電場風電機組布置

3 風電場年發電量計算

在進行風電場年發電量計算時，首先需考慮以下因素：1）根據前述設計分析，風電場總裝機容量為49.5 MW，采用WTG1型風機，對應安裝臺數為33臺，單機容量為1 500 kW；2）采用擬布機點位的空氣密度平均值（1.074 kg/m3）作為風電場空氣密度；3）考慮風電場山體上部地表植被低矮，地表粗糙度擬取0.05 m；4）綜合考慮包括空氣密度折減、尾流折減修正、湍流與控制折減、葉片污染折減、風機功率曲線折減、氣候影響停機、能量損耗等在內的多因素影響。

基于上述計算條件，獲得綜合折減系數為70.4%，單機最大尾流影響、最小尾流影響及平均尾流影響分別為8.5%、0.5%和3.9%。對應風電場的年理論發電量為15 554萬kW·h，年上網電量為10 530萬kW·h，平均單機上網電量為319.1萬kW·h，年等效滿負荷小時數為2 127 h，具體計算結果如表5所示。

表5 風電場年上網電量計算

4 結論

本文立足于陸上風電機組選型、布置及技術經濟性研究，以某風電場為研究對象，綜合考慮風場特性、交通運輸、地形地貌等因素，對比分析了4種代表風電機型（WTG1、WTG2、WTG3、WTG4）的技術經濟性。主要結論如下：

1）根據風電場風向和風能分布情況，充分考慮地形地貌條件、送變電方案及運輸和安裝條件，以風電場發電量較大、機組相互尾流影響較小為原則進行風機的優化布置。在此基礎上，采用WT軟件模擬了尾流影響與發電量情況。

2）推薦選取布置33臺單機容量為1 500 kW的WTG1型風力機型作為風電場的代表機型。

3）綜合考慮風電機組利用率與各類損耗等的折減，最終獲得在安裝33臺單機容量1 500 kW風力發電機組的情況下，預計年上網電量105 298 MW·h，年等效滿負荷小時數2 127 h，容量系數0.243，能夠實現較好的技術經濟性。