基于TOPSIS的海上風力發電機樁基礎支架類型選擇

烏云娜+李敏+許儒航

摘 要：風力發電，特別是海上風電，是清潔能源中最有前景的一種。在不斷增加的水深處部署風力渦輪機的過程中，選擇適當的基礎支架結構是一個問題。文章通過多目標群決策方法TOPSIS（逼近理想解的排序方法）對海上風電樁基支架方案排序，制定出選擇基準。參考一個功率5.5兆瓦，參考深度40米的風力渦輪機，從工程，經濟和環境屬性，比較單樁，三腳樁，導管架樁三種支護結構的應用，選出最優類型。

關鍵詞：海上風電樁基；選擇；TOPSIS

中圖分類號：TM315 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0010-02

引言

縱觀風電在世界的進一步發展，由于海上空間的不受限制，較低的社會影響和更良好的風資源條件，風能發展的興趣逐漸移到海上。據文獻[1]估計，相比于陸上發電，相同條件下海上風機可以多發出50%。雖然海上風能發電有許多優勢，但是海上風電面臨著高建設成本，特別是基礎部分以及與岸上送電，并且由于海上與陸地的連接限制而引起操作和維護的困難。化石燃料儲量的枯竭，化石燃料的價格上漲及其對氣候變化的“貢獻”等各種危機迫使世界很多國家使用可持續能源替代化石能源。中國的地理條件使其擁有最好的風力資源。為了要達到目標，可以通過有效舉措如海上風力發電機組支撐結構的優化，使這個行業更加經濟有效。

本文旨在從一個典型的水深40米處5.5mw風機支架入手，從三個最常用的支護結構通過多準則決策方法的分析方法進行優選。在多目標決策過程中，本文將從定量和定性指標的方面考慮，應用TOPSIS方法（逼近理想解的排序方法）對三種樁基支架方案進行優選評價。

1 TOPSIS方法

最優的決策是考慮到多個因素的。例如單樁結構支架經濟性最好但是在增加生物多樣性方面則是最壞的選擇。多準則決策法能夠在決策過程中考慮到多種因素條件下作出最好的選擇，于是此法將被采用。在可持續能源決策過程中，由于社會經濟以及生態影響的復雜性以及可持續目標的多維性，多準則決策分析方法被廣泛運用。

TOPSIS方法是一種強大的綜合評價方法，廣泛應用于評價問題。在權衡不同種類的評價方法后，由于其基本原理與本研究最貼合，所以被選擇。它的基本原理是最優選擇應該距離負理想解最遠，而距離正理想解最近。此方法將定性與定量的評價指標考慮在內并遵循所示的步驟順序，確保實現客觀的選擇標準。

評價指標的規范化處理，公式如下：

xij：決策矩陣中排數I與列數J表述各屬性的值

rij：歸一化矩陣r中第i行第j列的元素

緊接著考慮到每個指標的相對重要性確定權重（wj），后

通過下式再進行賦權處理：

vij≡wj×rij

在獲得加權歸一化矩陣之后，正理想解PIS（A+）和負理想解NIS（A-）由下式決定：

最后計算各方案到正理想解與負理想解的距離，對各方案進行綜合排序。

各方案與正理想解的接近度（C）的計算公式如下， C最接近于1的方案最佳。

2 目標分析

本文對海上風機基礎結構支架進行研究，圖1給出了不同基礎結構支架的示意圖研究范圍為三種最常見的風機基礎結構：單樁支架的設計很簡單，它的基礎是由管狀結構延伸到海底，用在25米以內的水深處；三腳樁支架是由三根圓柱形鋼管的三腳架結構，在水深25米至50米處適用；導管架樁是由四根圓柱形鋼管組成的四腳架結構，與三角樁相似，也適用于在水深25米和50米。

本研究的目的是對最常用的三種樁基支架方案進行排序，這個問題有三個方案（m=3），九個目標（n=9）。所有的目標定義如下：

（1）人工礁石：越高越好，旨在代表為海洋生物提供加額外基質定植從而增加生物多樣性，這種環境好處的大小是與各結構的總的表面積成比例。

（2）認證參數：積極的目標。它表明如果基礎結構是否能用于海上風力發電機。如果已應用于海上風電場，則認證參數為1，如果沒有應用于海上風電場，但是已經被注冊用于近海石油和天然氣行業，則認證參數為0.5，如果兩者都沒有，則認證參數為0。

（3）CO2排放：這是個消極的目標，即排放量高低反映在生產制造不同基礎結構的過程中排放的CO2量，本文只考慮鋼材的提取、制造、建設、運輸過程中二氧化碳排放量、生產每公斤鋼產生的二氧化碳排放量。

（4）深度兼容性：這是個消極的目標，代表各基礎結構在40米水深處的兼容性。如果參考水深為40米以內，則得分為1；如果參考水深擴展范圍在40米以內，最低參考值*0.75-最大參考值×1.25，則得分為2，如果參考水深的擴展范圍超過40米，則得分為3。

（5）最大位移：這是個消極的目標，表示外力作用下阻抗結構產生的側向位移。

（7）耐久性：這是個積極的目標，與抵抗老化的能力有關。從相關文獻得出，取決于結構暴露的腐蝕面積與結構的疲勞消耗，耐久性評分標準從1到5。

（8）凈現值：這是個積極的經濟評價目標，表示不同基礎結構的海上風電場產生的經濟效益，經濟評價的目的是研究特定假設下建設一個新的海上風電場的經濟效率。凈現值是將全壽命期的總成本轉化為現值。未來T年內收入與費用的現值以折現率i用如下計算公式計算：

PV（Xt）=Xt[（1+t）-t]

（9）最大凡米塞斯應力：這是一種消極的目標，用來對不同基礎結構支架的適用性進行選擇，因為它涉及到材料的韌-脆轉變。

權重直接影響到決策的結果，而權重是由專家的實際工作經驗得出，因此，專家的工作經驗越豐富，結果就越客觀。權重將根據克蘭菲爾德岸可再生能源集團的該領域專家的經驗制定。通過問卷調查決定各個目標的相對重要性。在利克特量表中，專家根據對問卷中的概念陳述給出同意或不同意的程度，使用5分里克特量表進行打分。本文對里克特量表的分數等級進行優化，1分表示非常不重要，2分表示不重要，3分表示比較重要，4分表示重要，到5分表示非常重要。

3 應用

從每種基礎支架類型與正理想解的接近度的計算得出，三腳樁支架（0.61）最優，優于單樁支架（0.44）和導管樁支架（0.55）。為了進一步分析，本文對權重大小作了敏感性分析，分析顯示出經驗對于權重分配的重要作用。一組新的權重將會改變接近程度值從而改變綜合排序結果，三腳樁基礎與導管架基礎接近程度值都為（0.58）排名相同，但是單樁結構得分（0.40）依舊排在第三名。

4 結束語

除了直接成本還考慮到其他目標，并綜合本研究的結果，說明在既定假設下，總體上三腳樁支架結構是最優的選擇。這很合理，因為雖然單樁支架最經濟對環境的傷害也最小，但是相對于單樁三腳樁遭遇到的波共振更少。本文不僅考慮到地基結構的內部影響和環境操作荷載，還將工程經濟環境目標考慮在內，TOPSIS法的應用為不同海上風機基礎支架類型的優選提供了最客觀的準則。敏感性分析著重分析了TOPSIS法中權重，證明了不同目標權重大小對總分的影響，增加了選擇排序水平的客觀性。

本研究未來的工作，應該研究水深以及不同環境條件和其他目標對最佳海上風力發電機基礎支架類型選擇的影響。最后，定性目標的歸一定量化也有利于決策結果更加明智。

參考文獻：

[1]Díaz G.， Moreno B.， Coto J.， Gómez-Aleixandre J. Valuation of wind power distributed generation by using Longstaff-Schwartz option pricing method[J].Applied Energy，2015，145： 223-233.

[2]Kim K. T.， Lee D. J.， Park S. J. Evaluation of R&D investments in wind power in Korea using real option[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2014，40（40）：335-347.endprint