風電機組混排對于風電場收益率的影響分析

文 | 余美辰，楊濟暢

隨著近年來“三北”風電市場的逐步飽和，目前中國風電發展的重心已經轉移到華中、華東區域以及南方，而與傳統的北方風電場相比，南方風電項目普遍呈現出風速更低、施工難度更大、植被更加茂密、人口更加密集的變化趨勢，很多項目的發電量及收益率都較低，前期設計方案優化不到位很可能就會出現虧損。

提高風電場收益率的一種較常用方法是采用風電機組混排的方式，將不同容量、不同高度的機型混合布置在同一個風電場內，在保證項目容量的前提下充分利用項目資源，進而起到提升發電量的目的。然而就如同加高塔筒的方法受項目風切變、運輸條件、吊裝條件等限制一樣，風電機組混排的方法也有自身的局限性。就目前來說，采用風電機組混合布置的風電場主要有以下幾種類型：

（1）個別機位載荷要求較高，采用不同類型機組保證安全性；

（2）平原地區存在盛行風向，上風向采用小葉輪、低塔筒的機型，下風向采用大葉輪、高塔筒的風電機組，提升發電量；

（3）復雜山地風電場，機位海拔落差較大或局部區域風況差別較大，針對具體風況采用不同機型定制化設計；

（4）項目面積或者機位數量不足，采用不同容量的機型混排，一方面保證項目容量，另一方面盡量提升發電量。

其中山地項目更多的是涉及第三或第四種類型，尤其是第四種類型，涉及各種機型的搭配比例、不同機型所處機位、機型本身輪轂高度、所搭配機型功率曲線與風電場風頻契合度等各類問題，對于設計人員的個人技術素養有較高要求。以往也出現過一些明明采用了功率曲線更優的機型，但是全場發電量和收益率提升不明顯甚至出現下滑的案例，表明風電機組混排的方法也并非在所有的風電場都適用。本文以兩個項目為例，針對第四種類型詳細分析不同風電場采用混排方案對于風電場發電量和經濟性的提升效果，并分析產生差異的原因。

兩案例基本情況介紹

此次兩案例均為典型的山地風電項目，施工難度較大，前期業主規劃的項目范圍較小，在進行實際設計時均存在機位不足的問題，因此兩項目在最初設計時均采用單一大容量機型減少機位數量，兩項目基本情況如表1。

表1 兩案例基本情況一覽

兩案例單純采用2.0MW或2.2MW機型時都存在機位不足的問題。而且兩案例極限風速較低、湍流較小，因此在初步設計時分別采用某廠家風輪直徑最大的3.0機型與2.5機型進行排布與測算，發現采用3.0MW機型無論是發電量還是收益率均更高，因此首先確定兩項目都采用17臺3.0MW機型的方案。由于項目本身風切變較低，兩項目都未考慮加高塔筒。隨后在此基礎上又進行了混排優化的相關分析。兩項目的機位如圖1、圖2所示。

完成初步設計后，風電機組廠家、設計院及業主三方前往現場對所有風電機組點位進行現場踏勘落點，從道路修筑難度、工程地質、削峰量等多個角度考量每個機位的可用性，對于存在問題的機位進行微調，最終除案例一中一個機位點處于陡峭的山包上不滿足現場施工條件外，其他機位均可滿足風電機組安裝需求，即案例一可用機位由24個變成23個。

在這樣的背景下，為了使風電場能夠獲得更高的經濟效益，針對兩項目開展混排的相關評估工作。

圖1 案例一資源圖譜及機位

圖2 案例二資源圖譜及機位

圖3 三種機型功率曲線標幺值

兩案例混排效果對比

為了便于后期風電場運維管理，混排機型選用同一廠家風電機組，受機位數量限制，原有3.0MW機型繼續保留，輔以搭配出力能力更高的2.0MW、2.2MW機型，即以3.0+2.0/3.0+2.2兩種方案開展相關混排設計工作。由于項目極限風速較小，因此選用該廠家目前最大的WTG121-2.0、WTG131-2.2兩種機型參與混排設計，三種機型的功率曲線標幺值如圖3所示。

由圖3可以看出，三種機型在4～10m/s未滿發的風速區間出力能力最高的為WTG131-2.2機型，而WTG131-2.2機型與WTG121-2.0機型在單位造價上相差無幾，選用WTG131-2.2機型不但可以獲得更高的發電量，而且相比2.0MW機型所用機位更少，風電機組基礎、吊裝等的成本更低。因此最終決定采用3.0+2.2的搭配方式進行混排，在保證50MW容量的前提下盡量多使用2.2MW機型提升發電量，最終兩項目均采用5臺WTG140-3.0+16臺WTG131-2.2的混排方案，總裝機容量50.2MW，占用機位21個。

確定混排方案后，還應對每個機位對應何種機型進行確認，這兩個項目的極限風速和湍流都比較小，因此主要考慮不同機位風況的影響。對兩個項目全場所有機位的風況進行了排名，排除備選機位后確定了三種方案：

第一種是將全場風況最差的5個機位定為3.0MW機型機位；

第二種是將全場風況最好的5個機位定為3.0MW機型機位；

第三種考慮到3.0機型尾流影響更大，將全場尾流損失最低的5個機位定為3.0MW機型機位。

將這三種方案都進行發電量計算，最終根據發電量確認案例一將風速最低的5臺機位采用WTG140-3.0機型，其余機位選用WTG131-2.2機型；案例二與案例一正好相反，將風速最高的5臺風電機組采用WTG140-3.0機型，電量計算成果如表2所示。

雖然從圖3可以看出WTG131-2.2機型出力能力明顯高于WTG140-3.0機型，但是兩項目采用混排后呈現出了截然不同結果。案例一混排后僅比混排前滿發小時數增加了24h，但是成本的增加反而導致資本金內部收益率（稅后）降低了0.02%（表3），相當于采用混排增加的機位導致了施工成本與施工時間的增長，收益卻無任何增加，得不償失，最終該項目依然采用17臺WTG140-3.0機型布置的方式，起到節省工期的目的。

與案例一相比案例二采用混排后滿發小時數增加明顯（相比混排前增加了215h），雖然成本也有所增加，但是資本金內部收益率（稅后）相比于混排前提高了4.5%（表4），增幅非常明顯，最終該項目采用混排的方式開展后續設計工作。

兩案例混排結果差異性分析

根據圖3幾種機型的功率曲線標幺值對比，出力能力最強的機型為WTG131-2.2機型，根據以往經驗，減少WTG140-3.0機型，增加WTG131-2.2機型可以使得發電量快速獲得提升，進而提升風電場的整體收益率。但是兩個案例的實際評估結果恰恰相反，案例一的發電量提升極其有限，而且因為成本的上升導致收益率出現下降。而在風速、風向、機位均一定的情況下，影響風電機組發電效果的主要原因就集中在項目的風切變及風頻特性上，前者與風電機組本身輪轂高度的變化密切相關，后者則與風電機組的功率曲線有著直接的聯系。

一、風切變對于混排效果的影響分析

兩項目測風塔處擬合風切變指數如圖4、圖5所示。

可以看到案例一與案例二測風塔處擬合風切變指數差異較大，案例一明顯大于案例二，前期通過兩案例流場建模分析，并對建模粗糙度、大氣熱穩定性等進行校正，計算得到的兩案例所有機位平均擬合風切變指數及所有機位不同高度平均風速如表5所示。

表2 不同排布方案滿發小時數統計結果

表3 案例一混排前后經濟性對比表

表4 案例二混排前后經濟性對比表

由于兩案例均為山地風電項目，運輸、吊裝難度較大，且風切變本身較小，因此在設計時均采用風電機組標準塔筒高度，不對塔筒進行加高。此次采用的WTG140-3.0機型塔筒高度為100m，WTG131-2.2機型塔筒高度為90m。雖然WTG131-2.2機型出力能力更好，但是該機型塔筒高度較低的劣勢在風切變指數更大的案例一中被放大。從表5可以看出，混排前后案例一機位處塔筒高度平均風速相差0.1m/s，而案例二僅為0.04m/s，很顯然WTG131-2.2機型在案例一中因為塔筒高度降低而造成的電量損失更加嚴重。將兩案例混排方案中WTG131-2.2機型的塔筒高度提高至100m重新進行發電量計算，與原混排方案相比電量變化如表6所示。

圖4 案例一測風塔處風廓線

圖5 案例二測風塔處風廓線

表5 兩案例所有機位處風況統計結果

表6 混排方案塔筒高度提升前后電量對比

圖6 混排所用兩種機型在標況下的動態功率曲線標幺值

圖7 案例一全年風速分布直方圖及風電機組功率標幺值差值對比結果

圖8 案例二全年風速分布直方圖及風電機組功率標幺值差值對比結果

可以看到，當將WTG121-2.2機型的塔筒高度提升至100m時，與最初的混排方案相比，案例一滿發小時數又提升了49h，相比單一機型方案累計提升了73h；而案例二將WTG121-2.2機型的塔筒高度提升至100m時滿發小時數僅提升了12h。因此案例一對于風電機組塔筒高度變化的敏感性更高，雖然混排方案中采用了出力能力更高的WTG131-2.2機型，但是很大一部分提升的電量都因為塔筒高度降低而損失。

二、風頻特性對于混排效果的影響分析

針對混排所用的兩種風電機組功率曲線標幺值進行分析，確定兩種機型出力差異，兩種機型功率曲線標幺值如圖6所示。

由圖6可以看出，在達到滿發前WTG131-2.2機型功率曲線特性全面優于WTG140-3.0機型，這種差距在6～9m/s的風速區間尤為明顯（見圖6 中紅圈部分），在風速達到8m/s時差異達到峰值。因此如果風電場全年風速在6～9m/s的風速區間比例較高，則將WTG140-3.0機型替換為WTG131-2.2機型對于滿發小時數的提升較為明顯，反之則不明顯。

現在對兩案例全年風頻特性進行分析，結果如圖7－圖8所示。

由圖7可以看出，案例一全年風頻比例較大的區間介于4～7m/s之間，與WTG131-2.2機型相比于WTG140-3.0機型的優勢出力風速區間不吻合，即圖7中測風塔風速分布變化趨勢與風電機組功率標幺值差值變化趨勢二者走勢不一致，出現雙峰現象。則WTG131-2.2機型在6～9m/s的風速區間段無法很好地發揮出其功率曲線特性優勢，因此即便采用混排，用WTG131-2.2機型替換WTG140-3.0機型，滿發小時數也無法獲得大幅度提升。

由圖8可以看出，案例二全年風頻分布與WTG131-2.2機型相比于WTG140-3.0機型的優勢出力風速區間吻合度較高，案例二全年風速區間占比較大的集中在5～9m/s，這也正好是WTG131-2.2相比于WTG140-3.0機型能夠體現出其功率曲線特性優勢的區間，因此案例二采用混排后發電量提升效果較佳。

攝影：李宏劍

結論

隨著國內風電項目的逐漸開發，低風速風電場的開發與建設越來越頻繁，很多項目本身資源情況較差且項目可用地范圍又少，因此可以采用風電機組混排的方式，一方面用大容量機型保證總體容量，另一方面又搭配一些容量相對較小但是出力較高的風電機組來提升發電量，最終起到提升項目整體收益率的目的。但是并非所有的風電項目均適合進行混排布置，單從發電量來說，混排能否獲得較好的效果不但受制于風電機組本身性能，更與風電場的風資源屬性有很大的關系。本文以兩個實際項目為例，分析在不同風資源特性下進行風電機組混排時發電量提升效果產生差異的原因，最終得出結論為：

（1）風切變越大的項目，進行風電機組混排時不同風電機組塔筒高度的變化對于風電場整體電量的提升影響越大，即便采用功率曲線更優、出力能力更強的風電機組，但是風電機組本身塔筒高度的降低會大大抵消發電量的提升效果。

（2）在進行風電機組混排前應對風電場的風頻特性及不同風電機組之間的出力特性差異進行分析，可以采用風電機組功率標幺值差值與風電場風頻曲線對比的方式快速判斷新增機型的出力情況，如果某種新搭配風電機組相比于原風電機組的優勢出力風速區間與風電場本身風頻較大的風速區間不一致，那么這種風電機組即便本身出力能力更佳，混排后也很難使得風電場整體發電量獲得提升，甚至導致提升的發電量無法抵消因混排增加的成本，得不償失。