華南沿海抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電機(jī)組選型研究

文 | 黃冬明，張鐵，曹人靖，肖書敏

我國(guó)華南沿海區(qū)域是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，是用電大戶集中區(qū)域，在華南沿海區(qū)域大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電，有利于風(fēng)電就近消納、保護(hù)環(huán)境、減少碳排放、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提升發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量。因此，“十三五”規(guī)劃明確表示，要加快開發(fā)中東部和南方地區(qū)陸上風(fēng)資源開發(fā)，按照“就近接入、本地消納”的原則，發(fā)揮風(fēng)資源分布廣泛和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，在做好環(huán)境保護(hù)、水土保持和植被恢復(fù)工作的基礎(chǔ)上，加快中東部和南方地區(qū)陸上風(fēng)資源規(guī)劃化開發(fā)。

然而，我國(guó)華南沿海區(qū)域是超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻繁登陸地區(qū)。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)瞬間陣風(fēng)風(fēng)速超過(guò)51m/s，具有很強(qiáng)的破壞力，給風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，為加快發(fā)展我國(guó)華南沿海區(qū)域風(fēng)力發(fā)展開發(fā)，必須對(duì)華南沿海區(qū)域的風(fēng)資源和臺(tái)風(fēng)特性進(jìn)行研究，為華南沿海區(qū)域抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電機(jī)組選型提供理論依據(jù)。

本文基于我國(guó)華南沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)數(shù)千臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)、登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)積累和抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組研發(fā)實(shí)踐，歸納了我國(guó)華南沿海臺(tái)風(fēng)特性、低風(fēng)速風(fēng)資源特性和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃特點(diǎn)。以華南沿海湛江某典型抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，考慮華南沿海區(qū)域的典型風(fēng)資源特性，采用MY2.0-104-80（剛塔）、MY2.0-104-130（剛塔）和MY2.0-104-130（柔塔）三種機(jī)型對(duì)案例風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，對(duì)比研究各機(jī)位風(fēng)資源、發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性，為華南沿海抗臺(tái)風(fēng)低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組選型提供參考依據(jù)。

項(xiàng)目概述

一、風(fēng)電場(chǎng)介紹

某100MW風(fēng)電場(chǎng)位于華南湛江雷州市，場(chǎng)址東南側(cè)緊靠雷州市界，場(chǎng)址中心距離雷州市區(qū)約34km，距離徐聞縣城約43km，場(chǎng)址地理坐標(biāo)介于東經(jīng)和北緯之間，場(chǎng)區(qū)面積約為90km2，場(chǎng)區(qū)地形為丘陵地形，場(chǎng)地高程在5m-80m之間，場(chǎng)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物為菠蘿、香蕉和甘蔗。風(fēng)電場(chǎng)地理位置如圖1所示。

本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候（北熱帶），冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，年平均溫度23攝氏度。工程區(qū)域南高北低，地形總體平緩，起伏不大，以石卯嶺和石板嶺為中心，向四周逐漸降低，最高點(diǎn)石卯嶺高程259.30m。工程區(qū)域地貌大部分為雷南火山熔巖臺(tái)地，小部分為雷州半島低山剝蝕丘陵，風(fēng)電場(chǎng)地形和地貌如圖2所示。

圖1 典型風(fēng)電場(chǎng)地理位置

圖2 風(fēng)電場(chǎng)地形和地貌

二、測(cè)風(fēng)塔概述

本風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有3座測(cè)風(fēng)塔分別為1865#、1867#和2436#，故利用該測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源進(jìn)行分析。測(cè)風(fēng)塔的每個(gè)觀測(cè)儀器占用一個(gè)記錄通道，每個(gè)記錄通道都記錄10分鐘內(nèi)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值共四項(xiàng)，測(cè)風(fēng)塔的基本信息如表1所示。

《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》（GB/T18709-2002）標(biāo)準(zhǔn)中要求現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)風(fēng)的時(shí)間不應(yīng)少于一年，數(shù)據(jù)有效完整率不能低于90%，按照規(guī)則進(jìn)行冰凍數(shù)據(jù)、無(wú)效數(shù)據(jù)、傳感器故障數(shù)據(jù)的識(shí)別，并剔除無(wú)效的數(shù)據(jù)。測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行無(wú)效數(shù)據(jù)剔除之后，為了獲得較高的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)覆蓋率，對(duì)各個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理。由于1867#測(cè)風(fēng)塔100m高度風(fēng)速的有效數(shù)據(jù)完整率較差，測(cè)風(fēng)塔其他各通道高度的完整率較好，故1867#測(cè)風(fēng)塔100m高度風(fēng)速暫不考慮，采用1867#測(cè)風(fēng)塔90m高度風(fēng)速作為實(shí)測(cè)最高高度風(fēng)數(shù)據(jù)。三座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，都選取2013年5月10日到2014年5月10日時(shí)間段數(shù)據(jù)為完整年，有效數(shù)據(jù)完整率都在90%以上，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》關(guān)于數(shù)據(jù)完整性的要求，無(wú)需插補(bǔ)。

三、風(fēng)資源概述

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)溫度和氣壓數(shù)據(jù)，推算的空氣密度結(jié)果如表2所示。

由可研報(bào)告提供的雷州市氣象站年平均溫度和氣壓推算的空氣密度約為1.187kg/m3，但是可研報(bào)告提出風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔氣壓計(jì)所測(cè)量的氣壓值均不符合合理范圍要求，故空氣密度需要根據(jù)雷州市氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，參考可研報(bào)告暫取該風(fēng)電場(chǎng)的空氣密度為 1.174kg/m3。

通過(guò)對(duì)本風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，1865#、1867#和 2436#測(cè) 風(fēng) 塔90m高度的年平均風(fēng)速分別為6.17m/s、5.89m/s和 5.89m/s，風(fēng)功率密 度分別為 240W/m2、196W/m2和 199W/m2；測(cè)風(fēng)塔100m、90m處的湍流強(qiáng)度處于中等水平；測(cè)風(fēng)塔處的綜合風(fēng)切變較大，且風(fēng)切變總體呈先增大后減小的趨勢(shì)，相對(duì)風(fēng)切變值在90m高度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，故從機(jī)組安全性考慮，選用的輪轂高度應(yīng)該避開90m高度；利用測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)和0.250的風(fēng)切變推測(cè)各測(cè)風(fēng)塔輪轂高度80m處的年平均風(fēng)速分別為5.833m/s、5.743m/s和5.682m/s，輪轂高度130m處的年平均風(fēng)速分別為6.585m/s、6.484m/s和6.415m/s；根據(jù)長(zhǎng)期MERRA數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)風(fēng)時(shí)間段近似為平風(fēng)年，故暫不需要對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度50年一遇最大風(fēng)速大于42.5m/s，該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況屬于IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)的I B類。

風(fēng)電場(chǎng)方案

風(fēng)電場(chǎng)建模時(shí)采用風(fēng)資源軟件WindSim進(jìn)行建模分析及發(fā)電量計(jì)算。根據(jù)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的風(fēng)資源情況和地形圖，推薦分別選用明陽(yáng)智能MY2.0-104機(jī)型方案，輪轂高度分別為80m和130m，機(jī)型的總體參數(shù)如表3所示。

表1 測(cè)風(fēng)塔架信息

表2 測(cè)風(fēng)塔空氣密度

表3 機(jī)組總體參數(shù)表

根據(jù)可研報(bào)告提供的機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，將距離村莊、墳地和蝦塘較近的機(jī)位進(jìn)行移除和調(diào)整，勘查機(jī)位的布局如圖3所示。

根據(jù)機(jī)位坐標(biāo)進(jìn)行分析可知，機(jī)位的最小間距為2.7倍MY2.0-104機(jī)型風(fēng)輪直徑，最小間距的機(jī)位編號(hào)為MY25和MY33。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況，考慮風(fēng)電機(jī)組尾流及其他各種因素折減計(jì)算年發(fā)電量。風(fēng)電機(jī)組尾流折減由軟件直接計(jì)算得到。其他折減系數(shù)選取如表4所示。

根據(jù)業(yè)主提供的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、下載地形圖、勘查機(jī)位，使用風(fēng)電場(chǎng)空氣密度下的風(fēng)電機(jī)組功率曲線和推力系數(shù)曲線，采用WindSim風(fēng)資源軟件計(jì)算得到風(fēng)電場(chǎng)年理論發(fā)電量，并考慮風(fēng)電機(jī)組尾流及各種其他因素折減，得到風(fēng)電場(chǎng)年凈發(fā)電量結(jié)果如表5所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組位置布置圖

表5 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量結(jié)果匯總

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目可采用明陽(yáng)智能方案一——MY2.0-104/80抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型，項(xiàng)目投產(chǎn)后的年上網(wǎng)電量分別為17910萬(wàn)千瓦時(shí)。方案二——MY2.0-104/130（柔性塔筒）抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型，項(xiàng)目投產(chǎn)后的年上網(wǎng)電量分別為23530萬(wàn)千瓦時(shí)。方案三——MY2.0-104/130（鋼性塔筒）抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型，項(xiàng)目投產(chǎn)后的年上網(wǎng)電量分別為23530萬(wàn)千瓦時(shí)。

表6 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

項(xiàng)目財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)計(jì)算期采用21年。工程建設(shè)第1年末風(fēng)電機(jī)組全部安裝完畢，從第2年年初全部正常運(yùn)行投產(chǎn)發(fā)電。

通過(guò)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型計(jì)算，三種方案各財(cái)務(wù)指標(biāo)如表6所示。

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目所得稅后總投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率三個(gè)方案分別為6.95%、9.14%、8.2%，均高于《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》（第三版）中項(xiàng)目投資稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為6.05%的基準(zhǔn)總投資內(nèi)部收益率。可以看出在不考慮融資情況下，總投資收益很好，該風(fēng)電項(xiàng)目都是可行的。

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率三個(gè)方案分別為10.75%、16.97%、14.5%，均高于《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》（第三版）中項(xiàng)目投資稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為8%的基準(zhǔn)資本金投資內(nèi)部收益率，從項(xiàng)目權(quán)益投資者角度看，三個(gè)方案在選定的等額本金方案下還款方式的資本金財(cái)務(wù)效益較好，項(xiàng)目權(quán)益投資者收益率都較高。綜合考慮技術(shù)可行性、先進(jìn)性和風(fēng)電場(chǎng)綜合效益，柔性塔架在我國(guó)華南沿海低風(fēng)速抗臺(tái)風(fēng)區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。

結(jié)論

基于華南沿海數(shù)十個(gè)抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)上千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得的臺(tái)風(fēng)特性，選擇廣東湛江某典型低風(fēng)速抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)我國(guó)華南沿海抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源特性進(jìn)行研究，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。基于風(fēng)電場(chǎng)總體設(shè)計(jì)，采用行業(yè)通用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，分析不同機(jī)組選型方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，獲得各方案盈利能力分析結(jié)果。采用明陽(yáng)智能三種方案（方案一——MY2.0-104/80抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型、方案二——MY2.0-104/130柔性塔筒抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型、方案三——MY2.0-104/130鋼性塔筒抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型），盈利能力、償債能力、生存能力、抗風(fēng)險(xiǎn)能力各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都較好，經(jīng)濟(jì)性都是可行的。但綜合考慮技術(shù)可行性、先進(jìn)性和風(fēng)電場(chǎng)綜合效益，柔性塔架在我國(guó)華南沿海低風(fēng)速抗臺(tái)風(fēng)區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。