風(fēng)電機組“以大代小”電量效益的量化研究

摘 要：【目的】依據(jù)存量風(fēng)電機組的實際風(fēng)資源情況，量化增加塔架高度所能產(chǎn)生的發(fā)電量效益。【方法】先依據(jù)風(fēng)機機位統(tǒng)計的實際風(fēng)速、風(fēng)頻分布情況，計算各不同單機容量、葉片長度的擬選機型所能產(chǎn)生的發(fā)電量效益；再通過對比分析，確定最優(yōu)發(fā)電效益的塔架、單機容量、葉片長度的機型組合。【結(jié)果】通過實例計算選定的機型組合所能產(chǎn)生的年度發(fā)電量相較于原機組的發(fā)電量提高2倍以上，并且可利用的小時數(shù)也較為可觀。【結(jié)論】為老舊存量風(fēng)電機組采取“以大代小”的提質(zhì)增效措施提供了理論支撐，對預(yù)計的收益情況進行量化評估，并在此基礎(chǔ)上，為分析投入成本和量化收益情況提供了更加直觀的可行性方案。

關(guān)鍵詞：以大代小；實際風(fēng)速；風(fēng)頻分布；提質(zhì)增效；收益評估

中圖分類號：TG333" " 文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.002

Quantitative Research on the Power Generation Benefits of Replacing Small Capacity Electricity with Large Capacity Wind Turbines

YANG Yaju

（Datang Henan Clean Energy Co.， LTD.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to quantify the power generation benefits generated by increasing the tower height according to the actual wind resources of the existing wind power units.[Methods] According to the actual wind speed and frequency distribution of the fan position statistics， the power generation benefits generated by the proposed models with different single-machine capacity and blade length were calculated， and" then the model combination of tower， single-machine capacity and blade length with the optimal power generation benefits was determined through comparative analysis.[Findings] The annual power generation generated by the selected model was more than 2 times higher than that of the original unit， and the number of available hours was also considerable.[Conclusions] This paper provides theoretical support for the quality and efficiency improvement measures of \"replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines\" for the old wind power units， and quantitatively evaluates the expected benefits， and on this basis ， this paper provides a more intuitive feasibility scheme for analyzing the input cost and quantifying the benefits.

Keywords：replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines; actual wind speed; frequency distribution; improving quality and efficiency; income assessment

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機組的塔架高度不斷增高、單機容量不斷加大、葉片長度不斷加長、更新迭代速度不斷加快。而部分投產(chǎn)時間較久的機組隨著設(shè)備的逐漸老化，出現(xiàn)了越來越多的問題。并且，由于早年間風(fēng)電機組塔架高度相對較低，獲得的風(fēng)資源相較于同區(qū)域內(nèi)新投產(chǎn)的高塔筒機組較差。另外，由于過去裝機的單機容量較小，相同風(fēng)資源情況下，產(chǎn)生的發(fā)電量嚴(yán)重低于大容量機組，造成老舊機組的經(jīng)濟效益較差。對于經(jīng)濟效益較差的老舊機組，采取“以大代小”設(shè)備迭代的提質(zhì)增效方案成為重中之重。并且，相較于新建風(fēng)電場還可以省去一部分前期投入。因此，該方案成為各公司針對老舊機組經(jīng)濟性改造的最優(yōu)選擇。如何量化分析不同塔架高度、單機容量、葉片長度所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益就成為風(fēng)電場提質(zhì)增效工作的關(guān)鍵問題。

1 存量風(fēng)電場機組分布概況

河南某公司存量的風(fēng)電場有27座，坐落分散，總裝機容量超百萬，風(fēng)機近千臺。其中，單機容量小于2 MW的機組89臺，占比11%；輪轂高度80 m及以下的機組337臺，占比40%；投產(chǎn)10年及以上的老舊機組100臺，占比12%。此類機組多具有容量小、塔架低、葉片短、風(fēng)資源好等特點，且經(jīng)過多年運行，風(fēng)資源情況較為清晰。

投運10年以上的機組不同于新建機組，需要對風(fēng)資源情況進行建模預(yù)測。這種機組經(jīng)過多年的運行，已積累了豐富的實際運行風(fēng)資源數(shù)據(jù)。因此，基于機組實際風(fēng)資源數(shù)據(jù)來量化評價各類機型（不同塔架高度、容量、葉片長度）的理論發(fā)電量、可利用小時數(shù)，可以作為實施風(fēng)電機組“以大代小”機型選擇的依據(jù)。

針對以上風(fēng)電機組的特點，本研究暫不考慮機組的安全性問題，僅針對其經(jīng)濟性從以下方面進行研究。一是依據(jù)每臺機組的實際風(fēng)資源（平均風(fēng)速）情況，量化不同塔架高度的電量收益，確定此臺機組的最優(yōu)塔架高度；二是針對每臺機組的實際風(fēng)資源（風(fēng)頻分布）情況，量化不同單機容量、葉片長度的機型組合的電量收益，確定此臺機組的最優(yōu)機型組合方案。

2 不同塔架高度的電量收益分析

因為局部地區(qū)的地理位置、地形條件、所處高度的不同，所以某個位置不同垂直高度的風(fēng)速也不相同。風(fēng)速在垂直距離上的變化叫垂直風(fēng)切變。風(fēng)切變也叫風(fēng)剪切，可以認(rèn)為是風(fēng)廓線的另一種表達形式，是對風(fēng)廓線的工程應(yīng)用，用來表示兩個高度平均風(fēng)速的關(guān)系［1］。

風(fēng)切變除了和風(fēng)廓線直接相關(guān)外，還與兩點之間的高度和高度差有關(guān)，見式（1）。

式中：V1為Z1高度的平均風(fēng)速；V2為Z2高度的平均風(fēng)速；α為Z1到Z2垂直高度上的風(fēng)切變系數(shù)。

因此，隨著風(fēng)電機組的不斷發(fā)展和更新迭代，風(fēng)機廠家也不斷地追求高塔架以獲得更高位置上更大平均風(fēng)速的風(fēng)資源。但是更高位置上帶來的經(jīng)濟效益相比于獲得更高位置需要的資本投入如何能達到最大收益，成了風(fēng)機塔架高度選擇及老舊機組塔架以高代低選擇的關(guān)鍵問題。

2.1 基于實際風(fēng)資源情況案例的模擬計算

投運10年以上的XX風(fēng)電場，其裝機5臺上海電氣W1250N-65機型、單機容量1.25 MW、葉輪直徑65 m、輪轂高度70 m的風(fēng)電機組，經(jīng)歷史運行數(shù)據(jù)分析，年平均風(fēng)速為5.88 m/s。河南地區(qū)2～22 m/s風(fēng)速段內(nèi)風(fēng)切變的范圍大概在0.1～0.4［2］。因此，常用塔架高度70 m、80 m、85 m、87 m、90 m、95 m、100 m、120 m、140 m、145 m、150 m。當(dāng)風(fēng)切變系數(shù)在0.003～0.403、步長為0.01時，對應(yīng)的平均風(fēng)速見表1。

2.2 基于此機位不同塔架高度的電量收益

由于各風(fēng)電場之間的風(fēng)頻分布、風(fēng)電機組選型等因素存在差異，各風(fēng)電場之間的平均風(fēng)速、理論電量、利用小時數(shù)等無明顯的函數(shù)關(guān)系［3］。但對于單個風(fēng)電場來說，風(fēng)速變化與理論發(fā)電量、利小時數(shù)的變化呈近似效果，利用小時數(shù)大致增加50～60 h［4］。本研究取55 h，此臺風(fēng)機不同風(fēng)切變系數(shù)及塔架高度下獲得的發(fā)電利用小時數(shù)見表2。

2.3 基于此機位風(fēng)資源的塔架高度選擇方案

此風(fēng)電場風(fēng)切變系數(shù)見式（2）。

由表2可知，①若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.003～0.033范圍，塔架高度從70 m增加到150 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響不到100 h，因此，改變塔架高度對其所在的地理位置風(fēng)資源影響不明顯。

②若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.043～0.073范圍，塔架高度從70 m增加到120 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響超過100 h，即使再增加高度對可利用小時數(shù)的影響也未超過200 h，因此，120 m塔架是機位的最優(yōu)塔架高度。

③若此風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔實際測得的風(fēng)切變系數(shù)在0.233左右，塔架高度從70 m增加到80 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響已超過100 h；塔架高度從70 m增加到90 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響已超過200 h；塔架高度從70 m增加到120 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響已超過400 h；塔架高度從70 m增加到140 m對發(fā)電可利用小時數(shù)的影響已超過600 h；再增加高度對可利用小時數(shù)的影響也未超過700 h，因此，可對比塔架造價投入和收益選擇最優(yōu)塔架高度。

④依次類推，根據(jù)實際測風(fēng)塔測量數(shù)據(jù)而計算的風(fēng)切變系數(shù)及成本投入，來確定最優(yōu)的塔筒高度選擇結(jié)果。

3 綜合方案的量化收益分析

在老舊機組“以大代小”提質(zhì)增效的技術(shù)改造中，若選擇機組單機容量過小，則不能充分地發(fā)揮此機位風(fēng)資源的經(jīng)濟效益；若選擇機組單機容量過大，則容易造成機組可利用小時不高，效率低下。因此，準(zhǔn)確地評估在此機位的實際風(fēng)資源情況下，可獲得的最優(yōu)發(fā)電量和可利用小時數(shù)以及所對應(yīng)的機組容量和葉片長度組合，就成了機組選型的關(guān)鍵問題。

3.1 基于機位實際風(fēng)資源情況的模擬計算

投運10年以上的XX風(fēng)電場，裝機5臺上海電氣W1250N-65機型、單機容量1.25 MW、葉輪直徑65 m、輪轂高度70 m的風(fēng)電機組，地處山地。某年風(fēng)資源（風(fēng)速風(fēng)頻分布）情況如圖1所示。

假設(shè)擬選單機容量和葉片長度的組合機型情況見表3。

3.2 不同單機容量和葉片長度組合的電量效益

風(fēng)電機組的功率計算見式（3）。

式中：W為風(fēng)電機組的功率；ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋『幽蠀^(qū)域平均空氣密度1.169 kg/m3作為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋籸為葉輪半徑，輪轂半徑多為3 m左右，折合葉片方向輪轂半徑1.23m，葉輪半徑r=葉片長度+1.23（m）；V為輪轂中心高度處的平均風(fēng)速；Cp為此臺機組的風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)電機組葉輪對風(fēng)能的捕獲能力在25%～47%之間，傳動鏈的傳動效率在90%～95%（非直驅(qū)機組），發(fā)電機的轉(zhuǎn)化效率在52%～95%之間，逆變器的轉(zhuǎn)化效率在25%～90%之間，經(jīng)計算，本研究取Cp最高=0.41、Cp最低=0.03，風(fēng)速在達到額定風(fēng)速前，風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率Cp會逐漸增大，本研究根據(jù)風(fēng)機實際參數(shù)各風(fēng)速下選擇統(tǒng)一的Cp值，不再詳細(xì)進行計算。

各機型風(fēng)電機組的額定風(fēng)速見式（4）。

計算可得，葉片長度相同的情況下，單機容量越大，額定風(fēng)速越高；單機容量相同的情況下，葉片長度越長，額定風(fēng)速越低。具體數(shù)據(jù)見表4。

并且，依據(jù)其額定風(fēng)速的情況，可計算出各風(fēng)速段下的理論功率。各機型的理論功率曲線如圖2所示。

3.3 單機容量和葉片長度組合選擇方案

根據(jù)此機位所對應(yīng)的實際風(fēng)資源情況，對該機位各機型風(fēng)電機組的理論年度風(fēng)電量及可利用小時數(shù)進行估算［5］。各機型單機年度具體情況見表5。由表5可知，①發(fā)電量最多的機型為機型5 000/75，單機發(fā)電量達到了1 083萬kWh，可利用小時數(shù)為2 167 h，但在各備選機型中僅位居第4，存在一定的“小馬拉大車”的情況，而且雖然每千瓦報價可能最低，但其容量較大，需要投入的單機總體成本較高，考慮其發(fā)電效率并不是最優(yōu)選擇。②機型3 000/75發(fā)電量達到約800萬kWh，可利用小時數(shù)達到2 600 h，在各機型可利用小時數(shù)最高，總體發(fā)電效率最好。③根據(jù)各機型估算的理論發(fā)電量和可利用小時數(shù)需要結(jié)合需投入的改造成本進一步分析，獲得最具經(jīng)濟性的配置。

4 擬選方案整體效益的量化分析

若擬選方案為機型3 000/75，風(fēng)機單機容量3 MW、葉片長度75 m，在此機位上可以獲得約800萬kWh的理論發(fā)電量，考慮綜合折減率，估算此機位此機型的年上網(wǎng)發(fā)電量。后期也可以根據(jù)剩余機位的實際風(fēng)資源情況逐臺計算年上網(wǎng)發(fā)電量，從而獲得此風(fēng)電場的年度發(fā)電量。

通過考慮風(fēng)機特性及風(fēng)電場運行過程中其他因素影響，對理論產(chǎn)量進行修正，折減系數(shù)取值如下。

①空氣密度修正計算時利用了當(dāng)?shù)仄骄諝饷芏龋虼耍枰鶕?jù)風(fēng)機具體實際測量的空氣密度對進行修正，本研究暫不考慮其影響。

②風(fēng)電機組利用率主要考慮風(fēng)電機組、輸電線路、電氣設(shè)備檢修和故障等因素造成的停機。根據(jù)風(fēng)機實際平均運行情況，風(fēng)電機組的可利用率取98%。

③葉片污染折減考慮到葉片隨著使用會逐漸磨損老化，損耗系數(shù)確定為98%。

④廠用電、線損等損耗根據(jù)經(jīng)驗，廠用電和線損取3%，此項折減系數(shù)為96%。

⑤功率曲線修正考慮到風(fēng)電機組實際功率曲線應(yīng)保證為理論的97%，在計算發(fā)電量時應(yīng)適當(dāng)進行考慮，本研究取各機型理論功率曲線保證率為98%。

⑥該場區(qū)存在冰凍等天氣，主要影響天氣為覆冰、暴雨等等，氣候影響停機折減取2%，此項折減系數(shù)98%。

⑦不確定因素折減，其他未考慮的因素，如實際風(fēng)切變計算誤差、實際風(fēng)資源數(shù)據(jù)誤差、機組檢修等存在較大的不確定因素。綜合考慮這些因素，最終按照 90.8%的系數(shù)進行計算。

綜上所述，除空氣密度、尾流影響外，本機位此機型風(fēng)機實際發(fā)電量綜合折減率為：

0.96×0.98×0.98×0.98×0.98×0.908≈0.821

因此，根據(jù)此機位所對應(yīng)的實際風(fēng)資源情況，該機位此機型風(fēng)電機組單機的年度發(fā)電量約為653萬kWh，是原機型的3倍以上，其可利用小時數(shù)為2 178 h。河南地區(qū)的山地及丘陵的風(fēng)切變指數(shù)較小，風(fēng)切變指數(shù)分布在0～0.1和0.1～0.2之間［1］；而平原的風(fēng)切變指數(shù)較大，風(fēng)切變指數(shù)分布在0.2以上。此風(fēng)電場地處山地，選擇風(fēng)機塔架高度可依據(jù)葉片組合對塔架高度的最低要求進行選擇。若實際測量的此機位風(fēng)切變參數(shù)較好，配合增加更高的塔架高度，則其實際可利用小時數(shù)可進一步提高。

5 結(jié)論

在實施老舊機組“以大代小”機組改造的過程中，可以根據(jù)其風(fēng)電場所在區(qū)域測風(fēng)塔實際測量獲得的風(fēng)切變指數(shù)直觀地選擇最優(yōu)電量收益的塔架高度。另外，根據(jù)此機位實際的風(fēng)資源情況計算得出的單機容量和葉片長度的機型在此機位上所能產(chǎn)生的直觀電量收益，為機型選擇提供了可行的方案。后期，可依據(jù)本研究的計算算法制作相關(guān)的計算軟件，通過輸入機位的風(fēng)資源等信息，直接給出最優(yōu)的機型選擇方案，為存量風(fēng)電場的提質(zhì)增效工作做出更大的貢獻。

參考文獻：

［1］高勇.河南地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的空間變化分析［J］.科技與創(chuàng)新，2018（22）：70-72.

［2］王炎，崔永峰，袁紅亮，等.平原地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的計算方法［J］.西北水電，2019（2）：95-99.

［3］楊超穎.山西電網(wǎng)風(fēng)電理論電量計算及棄風(fēng)監(jiān)測統(tǒng)計研究與應(yīng)用. 山西省，國網(wǎng)山西省電力公司，2015-07-03.

［4］覃榮君.復(fù)雜山地項目風(fēng)能資源設(shè)計后評價探討［J］.風(fēng)能，2018（8）：74-77.

［5］郭辰.風(fēng)電場平均風(fēng)速變化對利用小時數(shù)的影響研究［J］.風(fēng)能，2012（7）：50-58.

收稿日期：2023-11-29

作者簡介：楊亞炬（1990—），男，碩士，工程師，研究方向：新能源集控大數(shù)據(jù)分析。