基于部件成本分析的風電場機型優化選型

陳徑

（國家電投云南國際緬甸零碳公司，云南 昆明 650228）

0 前言

受制于機型資料的豐富程度和各廠商的報價策略限制，以往風機選型工作中，業主單位對廠商提供的風機數據、發電量計算結果、進行對比分析，參考資本金收益率最高的方案即確定為最合適的機型[1]。難以真實反應風電機組對風電場現場的適應能力，因此不能充分發揮風電場最大資源稟賦。

隨著風電大基地開發模式的日益成熟，超大風電場由于風資源在時間、空間上跨度較大，風電機組體量在幾十到幾百兆瓦之間，所以在大基地風機選型方面更需要貼合現場實際需要[2]。機型優選可以使得風電設備能最大限度地適應風電場的風況及氣候狀況，能夠有效提高風電大基地的盈利水平。同時隨著主機廠商毛利率的一再下降、業主單位打捆集中采購招標模式的推行，主機廠商對業主單位的訴求響應更加積極，使得定制化優選機型在未來成為了可能。

1 研究內容

評價風力發電機組選型所帶來的經濟性，主要是指針對特定風場投資所產生的經濟效益。對于一個風電場的建設和投資，需要考慮的主要因素為風電場單位千瓦造價、年上網發電量大小、上網電價及內部收益率等。

本研究針對風電場風能資源特點，結合風機部套成本數據和風電場建設成本數據，建立基于部件成本的風電場技術經濟分析模型。并以此根據不同的應用場景，確定保障內部收益率最高的機型參數。通過定制化設計的風機，改變了以往“風場匹配已有風機”的設計思路，轉而使用“風機適應風場”，使得風電設備能最大限度地適應風電場的風況及氣候狀況，有效減少風機故障率并提升發電效益，實現了風電大基地設計的現代化。

2 技術路線

本研究基于某發電集團部件成本數據庫、風電場附屬成本及工程成本數據庫、風資源數據以及地形數據建立。

1）基于風機部件特性建立成本模型。風機部件可分為物理特性部件，重點關注其運行特性本身的部件，如發電機、齒輪箱等。另外一部分為受風資源影響的部件[3]，其各項設計參數將受到風資源的影響[4]，如葉片、塔筒、風機基礎等。

2）基于風資源參數與部件關聯性成本分析，建立風機機型功率曲線、推力系數庫。

3）基于某發電集團風電場造價統計數據建立風電場附屬成本及施工成本模型，主要考慮不同規模、不同塔筒高度、不同地形的集電線路用量、進場道路、場內道路長度、不同容量升壓站成本等。

4）基于風機部件成本模型、風機機型庫以及風電場附屬成本及施工成本模型結合財務模型，實現基于部件成本的風電場技術經濟分析模型建立。

圖1 總體技術路線圖

3 風機部件成本擬合模型

風機部件成本擬合總體思路是將風機總體參數、部件重量、部件價格三個因素解耦：第一步把部件重量和風機總體參數的函數關系掛鉤，風機總體參數主要體現在設計風速、湍流等風資源參數，還有風機額定功率、風輪直徑和輪轂高度等結構參數等。

第二步是擬合部件重量和部件成本的關系，未來可基于物料成本建立更加詳細的部件材料重量模型，如考慮塔筒鋼材的價格波動，進一步提高部件單重的評估準確性。

以直驅發電機為例：

直驅發電機成本受額定功率、發電機轉速、散熱方式和電壓等級影響。其中主要影響因素為發電機功率和轉速。

對于直驅發電機，考慮到高速發電機成本對直驅發電機成本的變化規律參考意義，采用收集到的直驅、半直驅發電機成本和價格數據建立直驅發電機成本模型。如圖2所示，直驅發電機重量與功率近似成線性關系，和旋轉周期（60/RPM）成非線性關系。

圖2 直驅發電機重量擬合

如圖3所示，直驅發電機成本與重量近似成正比關系，單重成本隨重量增加而增加。 直驅發電機重量擬合誤差如圖4所示。

圖3 直驅發電機成本擬合

圖4 直驅發電機重量擬合誤差

圖5 通用風能利用系數

圖6 歸一化功率曲線

4 基于風資源參數的風機關鍵參數分析

基于風資源參數分析與部件關聯性成本分析，建立風機機型庫。平均風速和湍流強度主要通過塔架和輪轂鑄件的疲勞極限影響其重量[7]。同時風資源會通過風電設備，影響風機的運行表現，因此本研究通過大量的功率曲線數據，推導得到了歸一化功率曲線、推力系數以及風能利用系數[8]，為后續的整體計算提供驅動數據。

5 風電場附屬成本及施工成本模型

基于某發電集團風電場造價統計數據建立風電場附屬成本及施工成本模型，主要考慮不同規模、不同塔筒高度、不同地形的集電線路用量、進場道路、場內道路長度、不同容量升壓站成本等。

以風機塔筒為例：

塔筒的設計參數主要受高度、功率面積影響。采用某主機廠家的2MW121機型塔架在不同重量下對應的輪轂高度，作為當量高度[9]。通過對2mw121不同塔架成本擬合，如圖7所示。

圖7 2MW121剛性、混塔、柔塔架成本擬合

在高塔筒下柔塔是具有明顯的價格優勢[10]。但相較于混塔和鋼塔，柔塔倒塔概率較高，避震帶的設置也會帶來風機發電性能的損失。

圖8 為通用性塔筒重量擬合，擬合鐵塔重量隨著輪轂高度 、功率面積的增加而加速增加。

圖8 2MW121通用性塔筒重量擬合

圖9 平原集電線路單位千瓦成本

圖10 平原場內道路單位千瓦成本

圖11 低風速單位發電小時數千瓦投資

圖12 蒙西低風速投入產出比

以風機集電線路、場內道路為例：

以200MW平原風電場為例，考慮風機布機最小距離，分別擬合平原地形集電線路與場內道路成本,如何公式如下：

其中D為葉輪直徑、P為風機功率。

6 應用場景

結合某發電集團風電技經模型，實現基于部件成本的風電場技術經濟分析模型建立，并對以下應用場景進行分析。

新能源全額收購情境下，在新能源全額收購情境下，也就是爭取最大發電量的情況下，同時考慮葉片和塔架技術發展的限制。在低風速情況下，最優機型為6MW210m[13]；在中風速情況下，最優機型為6.2MW192m[14]；在高風速情況下，最優機型為6.45MW175m。

新能源保障收購小時數情境下，對于新能源消納困難地區，最低保障收購小時數內以火電標桿電價收購，超出保障收購小時數部分參與電力交易[12]。例如蒙西部分地區特許權項目保障收購小時數為2000小時，非特許權項目保障收購小時數為1500小時，新能源電力交易平均電價為0.0057元/kwh。

因此考慮風電場投資成本與實際綜合交易電價。在低風速情況下，最優機型為9MW175m；在中風速情況下，最優機型為 8.75MW175m；在高風速情況下，最優機型為9.25MW155m。

7 結束語

本研究通過定制化設計風機，改變以往“風場匹配已有風機”的設計思路，轉而使用“風機適應風場”。以風資源參數作為驅動，結合風機部套成本數據和風電場建設成本數據，建立基于部件成本的風電場技術經濟分析模型，并以此根據不同的應用場景，推薦最優機型，使得風場設計能最大限度地適應風電場的風況與運行邊界條件，有效提升風電場盈利水平。