3MW高效率風(fēng)電機(jī)組在某高原風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用研究

（作者單位：明陽智慧能源集團(tuán)股份公司）

云南省風(fēng)能資源十分豐富，風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增加。“十三五”規(guī)劃明確表示，要加快中東部和南方地區(qū)陸上風(fēng)能資源開發(fā)，按照“就近接入、本地消納”的原則，發(fā)揮風(fēng)能資源分布廣泛和應(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)能資源規(guī)范化開發(fā)。但由于云南地處高原，風(fēng)電的開發(fā)在建設(shè)上面臨交通、占地等問題，其規(guī)模的迅速擴(kuò)大也為電網(wǎng)帶來一定的壓力。因此，為加快云南省風(fēng)電開發(fā)，應(yīng)該對(duì)云南省的風(fēng)能資源和高原特性進(jìn)行研究，為西南區(qū)域高原型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

本文基于我國西南高原地區(qū)數(shù)千臺(tái)高原型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和高原型風(fēng)電機(jī)組研發(fā)實(shí)踐，歸納總結(jié)了我國西南高原山地風(fēng)資源特性和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。以云南某試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃區(qū)域海拔均在2000米以上，紫外線強(qiáng)、空氣密度低、多雷暴且地形較為復(fù)雜，很好地代表了西南地區(qū)高原山地風(fēng)電場(chǎng)的基本特征。考慮西南高原地區(qū)的典型風(fēng)資源特性，分別采用MySE2.5MW機(jī)型和MySE3.0MW長(zhǎng)葉片機(jī)型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行總體布置設(shè)計(jì)，對(duì)比研究脫硫標(biāo)桿電價(jià)下各機(jī)位風(fēng)資源、發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性，為西南地區(qū)高原型風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)總體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

在同等裝機(jī)容量情況下，采用大容量、智能型、環(huán)境友好型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠大大減少林地占用和對(duì)環(huán)境的影響，最大限度地利用寶貴的土地資源和風(fēng)資源。本風(fēng)電場(chǎng)具有典型的高原氣候環(huán)境特點(diǎn)和較好的風(fēng)能資源條件，適合風(fēng)電機(jī)組的試驗(yàn)研究開發(fā)。在該區(qū)域建設(shè)試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)，能夠?yàn)檩p量化、高效翼型氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉片和基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的高原風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供最佳的試驗(yàn)環(huán)境。

項(xiàng)目概述

一、風(fēng)電場(chǎng)介紹

某150MW風(fēng)電場(chǎng)位于云南省南華縣，場(chǎng)址總體為三條近似為西北－東南走向的山脊，地理坐標(biāo)介于北緯東經(jīng)10058東西寬約3～6km，南北長(zhǎng)約12km。場(chǎng)區(qū)內(nèi)山脊整體連續(xù)，地勢(shì)起伏變化較小，山脊頂部平坦，兩側(cè)山坡較為平緩，場(chǎng)區(qū)內(nèi)有部分旱地，有機(jī)耕小道通過。場(chǎng)區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)的植物多為低矮、茂密的灌木林和華山松，山脊相連處為高山草甸，植被覆蓋率較高。本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)氣候宜人，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候。風(fēng)電場(chǎng)位置示意圖如圖1所示。

二、 測(cè)風(fēng)塔概述

本風(fēng)電場(chǎng)共收集到三座測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，分別為0006#、0007#和0008#測(cè)風(fēng)塔，故利用測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源進(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)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)、無效數(shù)據(jù)、傳感器故障數(shù)據(jù)的識(shí)別，并剔除無效的數(shù)據(jù)。經(jīng)過對(duì)場(chǎng)內(nèi)0006#測(cè)風(fēng)塔2011年5月1日－2012年4月30日時(shí)段數(shù)據(jù)、0007#測(cè)風(fēng)塔2011年9月1日－2012年8月31日時(shí)段數(shù)據(jù)及0008#測(cè)風(fēng)塔2011年9月15日－2012年9月14日時(shí)段數(shù)據(jù)分析處理，三座測(cè)風(fēng)塔有效數(shù)據(jù)完整率基本達(dá)到90%以上。經(jīng)過插補(bǔ)修正后，三座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)覆蓋率均在94.8%以上，數(shù)據(jù)完整性較好，滿足國家標(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。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)地理位置

三、 風(fēng)能資源概述

本風(fēng)電場(chǎng)三座測(cè)風(fēng)塔中僅有0008#測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行了完整的溫度和氣壓的測(cè)量，根據(jù)測(cè)風(fēng)塔的溫度和氣壓數(shù)據(jù)計(jì)算年平均空氣密度，推算的空氣密度結(jié)果如表2所示。

參考可研報(bào)告，暫取該風(fēng)電場(chǎng)的空氣密度為0.9kg/m3。

通過對(duì)本風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析：0006#測(cè)風(fēng)塔60m高度代表年平均風(fēng)速為8.697m/s，湍流強(qiáng)度屬于IEC B類，綜合風(fēng)切變?yōu)?.0726；0007#測(cè)風(fēng)塔70m高度代表年平均風(fēng)速為8.875m/s，湍流強(qiáng)度屬于IEC B類，綜合風(fēng)切變?yōu)?.117；0008#測(cè)風(fēng)塔60m高度代表年平均風(fēng)速為8.179m/s，湍流強(qiáng)度屬于IEC B類，綜合風(fēng)切變?yōu)?.159；根據(jù)長(zhǎng)期MERRA數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)風(fēng)時(shí)間段近似為大風(fēng)年，相關(guān)性較好，暫用MCP法對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；風(fēng)電場(chǎng)90m輪轂高度處標(biāo)空下的五十年一遇最大風(fēng)速小于37.5m/s，風(fēng)況適宜IEC III B及以上等級(jí)機(jī)型。

風(fēng)電場(chǎng)方案

根據(jù)本風(fēng)電場(chǎng)的氣候特點(diǎn)、地形地貌、風(fēng)能資源分布和建設(shè)條件等情況，由于項(xiàng)目風(fēng)速較高，風(fēng)能資源情況較好，為充分開發(fā)資源以及減少環(huán)境破壞，建議盡量采用較大的單機(jī)容量機(jī)組以減少機(jī)位和整場(chǎng)投資；為提高發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性，建議盡量采用大風(fēng)輪直徑的機(jī)型；由于該項(xiàng)目機(jī)位點(diǎn)處植被高度較高，地形較為復(fù)雜，從安全性角度考慮，選用90m輪轂高度。根據(jù)以上分析及測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的風(fēng)能資源情況和地形圖，推薦兩個(gè)方案：方案一選用60臺(tái)MySE2.5-121/90機(jī)型方案，方案二選用50臺(tái)MySE3.0-135/90機(jī)型方案，機(jī)型的總體參數(shù)如表3所示。風(fēng)電場(chǎng)建模時(shí)采用風(fēng)能資源軟件Meteodyn WT 64進(jìn)行建模分析及發(fā)電量計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了布局，風(fēng)電機(jī)組布局如圖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1.9倍MySE2.5-121機(jī)型風(fēng)輪直徑，1.7倍MySE3.0-135機(jī)型風(fēng)輪直徑。

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)、測(cè)繪地形圖、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Meteodyn WT 64風(fēng)能資源軟件計(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。

表1 測(cè)風(fēng)塔信息

表2 測(cè)風(fēng)塔空氣密度

表3 機(jī)組總體參數(shù)表

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目可采用方案一60臺(tái)MySE2.5-121/90機(jī)型，項(xiàng)目投產(chǎn)后的年上網(wǎng)電量為549478MWh。方案二50臺(tái)MySE3.0-135/90機(jī)型，項(xiàng)目投產(chǎn)后的年上網(wǎng)電量為565505MWh。

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，第2年年初全部正常運(yùn)行投產(chǎn)發(fā)電。

按照發(fā)改辦能源〔2005〕899號(hào)文附件3《風(fēng)電場(chǎng)工程可行性研究報(bào)告編制辦法》，并參照《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》（第三版）有關(guān)規(guī)定及現(xiàn)行的有關(guān)財(cái)稅政策，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)工程進(jìn)行財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)。其中，電價(jià)按照脫硫標(biāo)桿電價(jià)來算。

通過經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型計(jì)算，兩種方案各財(cái)務(wù)指標(biāo)如表6所示。

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)方案按照脫硫標(biāo)桿電價(jià)，所得稅后總投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為7.84%、8.96%，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。可以看出在脫硫標(biāo)桿電價(jià)情況下，總投資收益很好，該風(fēng)電項(xiàng)目都是可行的。

圖3 風(fēng)電機(jī)組位置布置圖

表4 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量折減因素選取表

表5 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量結(jié)果匯總

經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)方案按照脫硫標(biāo)桿電價(jià)，資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為17.08%、21.41%，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。綜合考慮技術(shù)可行性、先進(jìn)性和風(fēng)電場(chǎng)綜合效益，3MW機(jī)型在我國西南地區(qū)高原風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。

結(jié)論

基于西南地區(qū)數(shù)十個(gè)高原型風(fēng)電場(chǎng)上千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得的高原型風(fēng)電機(jī)組特性，選擇某典型高原型示范風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)150MW容量的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)，研究了我國西南地區(qū)高原型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源特性。采用60臺(tái)MySE2.5-121/90方案與50臺(tái)MySE3.0-135/90方案的平均等效年發(fā)電小時(shí)數(shù)分別為3663h和3770h。

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

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，分析不同設(shè)計(jì)方案的風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，獲得各方案盈利能力分析結(jié)果。采用方案一60臺(tái)MySE2.5-121/90機(jī)型、方案二50臺(tái)MySE3.0-135/90機(jī)型在脫硫標(biāo)桿電價(jià)下，資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為17.08%、21.41%，綜合考慮技術(shù)可行性、先進(jìn)性和風(fēng)電場(chǎng)綜合效益，采用3MW長(zhǎng)葉片機(jī)型在高原型試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)具有較大優(yōu)勢(shì)。

在該區(qū)域建設(shè)試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)，在同等裝機(jī)容量情況下，采用大容量、智能型、環(huán)境友好型MySE3.0MW長(zhǎng)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，相比2.5MW機(jī)型，機(jī)位數(shù)減少，不僅能夠降低項(xiàng)目總投資，提高項(xiàng)目資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率，而且大大降低土地、林地占用率和對(duì)環(huán)境的影響。綜上所述，采用3MW長(zhǎng)葉片高效率風(fēng)電機(jī)組在云南省高原型試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)具有較大優(yōu)勢(shì)。

攝影：夏偉雄