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，风电项目投资回报问题已经成为影响风电项目投资的主要因素之一。

在风电项目固定资产投资中，风电设备选型对投资影响最大，风电设备选型及其组合方案与风电项目规模的关联是最主要的因素。现阶段，风电设备根据单机功率的划分，遵循的是一个由小到大的发展路线，在一个系列产品中，单机功率较小的比较大的风力发电机研发要早，产品更成熟。所以，一些单机功率稍小但国产化多年且逐步成熟稳定的风力发电机，如750kW机，尽管风能利用效率理论上比不上同系列的MW级风力发电机，但由于其已经成熟、运行相对稳定，其可利用率反而更高，而且其价格更有竞争力，具有较高的性价比。通过对风电项目风电设备选型的多方案比较，发现风电设备选型与风电项目规模相关联。采用不同的组合方案，对风电设备投资的控制、风电设备的可利用率等主要经济指标都能实现优化。

3　工程案例分析

以一个实际风电项目风电设备选型为例，按49.5MW装机规模考虑，从技术经济的角度来分析多种组合方式下的选型情况。结合目前国产、合资、外资本土化等风力发电机设备制造情况，此处提出如下几种可供选择的方案。方案一：用国产基本上已经定型且成熟的750kW级机组，设备单kW造价的工程投资将有大幅降低。这一方案建议在电价不明确的情况下使用，选用的概率为10%。方案二：用国产基本上已经定型且成熟的750kW机和1500kW机组合，也能有一定幅度的投资额下降。这一方案可以在电价不理想时使用，选用概率为20%。方案三：用国产已定型1500kW机，选用的概率为50%。方案四：用合资生产且满足国产化70%要求的1500kW机组时，投资在方案三的基础上有一定幅度的上升。这一方案由于受多方影响，选用的概率为20%。方案五：用进口2000kW风力发电机时，设备造价和投资将大幅度提升。 根据现行可能的价格政策和上述的技术分析情况来看，投入此种机型将导致投资收益率和回报率都十分低，对本项目来说，将选用其的概率暂定为0%。各方案的具体参数详见表1。

表1　某49.5MW规模风电项目的设备可供选型方案

序号

方案

设备造价(万元)

基准率(%)

设备投资浮动率(%)

工程总投资浮动率(%)

设备单价(元/kW)

说明

备注

1

用750kW机

19800?

62.50

-37.50

-23.38

4000.00

按66台国产750kW单机

国产

2

750kW和1500kW混合方案

25920.00

81.82

-18.18

-11.33

4000(750kW机)6400(1500 kW机)

按32台750kW单机和17台国产1500kW单机的组合方式

国产

3

用1500kW机

31680

100.00

--

6400.00

按33台国产1500kW单机

国产

4

用1500kW机

38610

121.88

21.88

15.02

7800.0

按33台合资或独资达到国产化率70%要求的1500kW单机

合资

5

用2000kW机

50000

157.83

57.83

38.63

10000.00

按25台合资或独资达到国产化率70%要求的2000kW单机

进口

机型

根据表1所列参数，在不同组合方案下，工程总投资的变动量非常大，每一级组合情况下都有大于10%的差距，而采用各种组合方式计算的上网电量差要小于10%。这也就是说明，在相同的上网电价的情况下，功率较小一些的组合方案，如方案二，上网电量的降低相对投资的降低对计算投资回报来说影响要小，也就是说方案二的投资回报要好于方案三的投资回报;反之，在规模一定、上网电价还没有明确的情况下，方案二将比方案三有一个更有竞争力的上网电价。

另一个需要考虑的是风电场的规模效应问题。 以现阶段的风电设备单机规模来说，过小的装机规模，如风电场的设计装机规模小于2万kW，则不适宜进行多种规格的风电设备混装。这一点无论是从风电设备采购、运输、安装、运行维护等方面，还是从组合的效益方面来说，风电设备选型一定要进行充分的投资、上网电量、上网电价三者的优化组合上进行分析。如图3为菲律宾北风风电场，其装机规模为1.65万kW，选用的是同一规格的风电设备。而对于一个设计规模较大、投资分期进行的风电项目，则可以考虑按前段组合方案来实施。一般而言，一个风电场内的上网电价在确定的时候基本上是一致的，不会有太大的变动，选择适合于本风电场区风能资源特点的一系列规格的风电设备则是较优方案。在中国很多地区，一个风电场的建设，并不都是一次性建成的，一个较大的风电场，都是经过单机试运行、多机小规模运行、中等规模的装机、直到大规模的装机这个过程，在这个过程中，风电设备的选型基本上都包含了对上述技术经济及相关问题的分析考虑。图4为内蒙古辉腾锡勒风电场，该风电场在近几年的发展过程中，采取了多次建设、不同规模、规格不同的装机方案，该风电厂目前的运营效益较佳。

4　结　论

综上所述，风电设备选型时主要技术经济指标的准确和有效评价，对风电项目投资行为起着至关重要的作用。风电设备选型及其组合方案与风电项目规模效应是存在关联的，风电设备设计选型时应用简单而有效的评价方法，找出风电设备选型组合方案与风电投资规模效应的内在联系。通过这些方法的实际应用，能更好地提高风电项目的经济性和整体效益。

参考资料

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