風(fēng)電機(jī)組混排對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)收益率的影響分析

文 | 余美辰，楊濟(jì)暢

隨著近年來(lái)“三北”風(fēng)電市場(chǎng)的逐步飽和，目前中國(guó)風(fēng)電發(fā)展的重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到華中、華東區(qū)域以及南方，而與傳統(tǒng)的北方風(fēng)電場(chǎng)相比，南方風(fēng)電項(xiàng)目普遍呈現(xiàn)出風(fēng)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(shì)，很多項(xiàng)目的發(fā)電量及收益率都較低，前期設(shè)計(jì)方案優(yōu)化不到位很可能就會(huì)出現(xiàn)虧損。

提高風(fēng)電場(chǎng)收益率的一種較常用方法是采用風(fēng)電機(jī)組混排的方式，將不同容量、不同高度的機(jī)型混合布置在同一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，在保證項(xiàng)目容量的前提下充分利用項(xiàng)目資源，進(jìn)而起到提升發(fā)電量的目的。然而就如同加高塔筒的方法受項(xiàng)目風(fēng)切變、運(yùn)輸條件、吊裝條件等限制一樣，風(fēng)電機(jī)組混排的方法也有自身的局限性。就目前來(lái)說(shuō)，采用風(fēng)電機(jī)組混合布置的風(fēng)電場(chǎng)主要有以下幾種類型：

（1）個(gè)別機(jī)位載荷要求較高，采用不同類型機(jī)組保證安全性；

（2）平原地區(qū)存在盛行風(fēng)向，上風(fēng)向采用小葉輪、低塔筒的機(jī)型，下風(fēng)向采用大葉輪、高塔筒的風(fēng)電機(jī)組，提升發(fā)電量；

（3）復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)位海拔落差較大或局部區(qū)域風(fēng)況差別較大，針對(duì)具體風(fēng)況采用不同機(jī)型定制化設(shè)計(jì)；

（4）項(xiàng)目面積或者機(jī)位數(shù)量不足，采用不同容量的機(jī)型混排，一方面保證項(xiàng)目容量，另一方面盡量提升發(fā)電量。

其中山地項(xiàng)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(jī)型的搭配比例、不同機(jī)型所處機(jī)位、機(jī)型本身輪轂高度、所搭配機(jī)型功率曲線與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)頻契合度等各類問(wèn)題，對(duì)于設(shè)計(jì)人員的個(gè)人技術(shù)素養(yǎng)有較高要求。以往也出現(xiàn)過(guò)一些明明采用了功率曲線更優(yōu)的機(jī)型，但是全場(chǎng)發(fā)電量和收益率提升不明顯甚至出現(xiàn)下滑的案例，表明風(fēng)電機(jī)組混排的方法也并非在所有的風(fēng)電場(chǎng)都適用。本文以兩個(gè)項(xiàng)目為例，針對(duì)第四種類型詳細(xì)分析不同風(fēng)電場(chǎng)采用混排方案對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性的提升效果，并分析產(chǎn)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(fēng)電項(xiàng)目，施工難度較大，前期業(yè)主規(guī)劃的項(xiàng)目范圍較小，在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)均存在機(jī)位不足的問(wèn)題，因此兩項(xiàng)目在最初設(shè)計(jì)時(shí)均采用單一大容量機(jī)型減少機(jī)位數(shù)量，兩項(xiàng)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(jī)型時(shí)都存在機(jī)位不足的問(wèn)題。而且兩案例極限風(fēng)速較低、湍流較小，因此在初步設(shè)計(jì)時(shí)分別采用某廠家風(fēng)輪直徑最大的3.0機(jī)型與2.5機(jī)型進(jìn)行排布與測(cè)算，發(fā)現(xiàn)采用3.0MW機(jī)型無(wú)論是發(fā)電量還是收益率均更高，因此首先確定兩項(xiàng)目都采用17臺(tái)3.0MW機(jī)型的方案。由于項(xiàng)目本身風(fēng)切變較低，兩項(xiàng)目都未考慮加高塔筒。隨后在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了混排優(yōu)化的相關(guān)分析。兩項(xiàng)目的機(jī)位如圖1、圖2所示。

完成初步設(shè)計(jì)后，風(fēng)電機(jī)組廠家、設(shè)計(jì)院及業(yè)主三方前往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所有風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘落點(diǎn)，從道路修筑難度、工程地質(zhì)、削峰量等多個(gè)角度考量每個(gè)機(jī)位的可用性，對(duì)于存在問(wèn)題的機(jī)位進(jìn)行微調(diào)，最終除案例一中一個(gè)機(jī)位點(diǎn)處于陡峭的山包上不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件外，其他機(jī)位均可滿足風(fēng)電機(jī)組安裝需求，即案例一可用機(jī)位由24個(gè)變成23個(gè)。

在這樣的背景下，為了使風(fēng)電場(chǎng)能夠獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)兩項(xiàng)目開(kāi)展混排的相關(guān)評(píng)估工作。

圖1 案例一資源圖譜及機(jī)位

圖2 案例二資源圖譜及機(jī)位

圖3 三種機(jī)型功率曲線標(biāo)幺值

兩案例混排效果對(duì)比

為了便于后期風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理，混排機(jī)型選用同一廠家風(fēng)電機(jī)組，受機(jī)位數(shù)量限制，原有3.0MW機(jī)型繼續(xù)保留，輔以搭配出力能力更高的2.0MW、2.2MW機(jī)型，即以3.0+2.0/3.0+2.2兩種方案開(kāi)展相關(guān)混排設(shè)計(jì)工作。由于項(xiàng)目極限風(fēng)速較小，因此選用該廠家目前最大的WTG121-2.0、WTG131-2.2兩種機(jī)型參與混排設(shè)計(jì)，三種機(jī)型的功率曲線標(biāo)幺值如圖3所示。

由圖3可以看出，三種機(jī)型在4～10m/s未滿發(fā)的風(fēng)速區(qū)間出力能力最高的為WTG131-2.2機(jī)型，而WTG131-2.2機(jī)型與WTG121-2.0機(jī)型在單位造價(jià)上相差無(wú)幾，選用WTG131-2.2機(jī)型不但可以獲得更高的發(fā)電量，而且相比2.0MW機(jī)型所用機(jī)位更少，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、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(jìn)行混排，在保證50MW容量的前提下盡量多使用2.2MW機(jī)型提升發(fā)電量，最終兩項(xiàng)目均采用5臺(tái)WTG140-3.0+16臺(tái)WTG131-2.2的混排方案，總裝機(jī)容量50.2MW，占用機(jī)位21個(gè)。

確定混排方案后，還應(yīng)對(duì)每個(gè)機(jī)位對(duì)應(yīng)何種機(jī)型進(jìn)行確認(rèn)，這兩個(gè)項(xiàng)目的極限風(fēng)速和湍流都比較小，因此主要考慮不同機(jī)位風(fēng)況的影響。對(duì)兩個(gè)項(xiàng)目全場(chǎng)所有機(jī)位的風(fēng)況進(jìn)行了排名，排除備選機(jī)位后確定了三種方案：

第一種是將全場(chǎng)風(fēng)況最差的5個(gè)機(jī)位定為3.0MW機(jī)型機(jī)位；

第二種是將全場(chǎng)風(fēng)況最好的5個(gè)機(jī)位定為3.0MW機(jī)型機(jī)位；

第三種考慮到3.0機(jī)型尾流影響更大，將全場(chǎng)尾流損失最低的5個(gè)機(jī)位定為3.0MW機(jī)型機(jī)位。

將這三種方案都進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，最終根據(jù)發(fā)電量確認(rèn)案例一將風(fēng)速最低的5臺(tái)機(jī)位采用WTG140-3.0機(jī)型，其余機(jī)位選用WTG131-2.2機(jī)型；案例二與案例一正好相反，將風(fēng)速最高的5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組采用WTG140-3.0機(jī)型，電量計(jì)算成果如表2所示。

雖然從圖3可以看出WTG131-2.2機(jī)型出力能力明顯高于WTG140-3.0機(jī)型，但是兩項(xiàng)目采用混排后呈現(xiàn)出了截然不同結(jié)果。案例一混排后僅比混排前滿發(fā)小時(shí)數(shù)增加了24h，但是成本的增加反而導(dǎo)致資本金內(nèi)部收益率（稅后）降低了0.02%（表3），相當(dāng)于采用混排增加的機(jī)位導(dǎo)致了施工成本與施工時(shí)間的增長(zhǎng)，收益卻無(wú)任何增加，得不償失，最終該項(xiàng)目依然采用17臺(tái)WTG140-3.0機(jī)型布置的方式，起到節(jié)省工期的目的。

與案例一相比案例二采用混排后滿發(fā)小時(shí)數(shù)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(nèi)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(xiàng)目采用混排的方式開(kāi)展后續(xù)設(shè)計(jì)工作。

兩案例混排結(jié)果差異性分析

根據(jù)圖3幾種機(jī)型的功率曲線標(biāo)幺值對(duì)比，出力能力最強(qiáng)的機(jī)型為WTG131-2.2機(jī)型，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，減少WTG140-3.0機(jī)型，增加WTG131-2.2機(jī)型可以使得發(fā)電量快速獲得提升，進(jìn)而提升風(fēng)電場(chǎng)的整體收益率。但是兩個(gè)案例的實(shí)際評(píng)估結(jié)果恰恰相反，案例一的發(fā)電量提升極其有限，而且因?yàn)槌杀镜纳仙龑?dǎo)致收益率出現(xiàn)下降。而在風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)位均一定的情況下，影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效果的主要原因就集中在項(xiàng)目的風(fēng)切變及風(fēng)頻特性上，前者與風(fēng)電機(jī)組本身輪轂高度的變化密切相關(guān)，后者則與風(fēng)電機(jī)組的功率曲線有著直接的聯(lián)系。

一、風(fēng)切變對(duì)于混排效果的影響分析

兩項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔處擬合風(fēng)切變指數(shù)如圖4、圖5所示。

可以看到案例一與案例二測(cè)風(fēng)塔處擬合風(fēng)切變指數(shù)差異較大，案例一明顯大于案例二，前期通過(guò)兩案例流場(chǎng)建模分析，并對(duì)建模粗糙度、大氣熱穩(wěn)定性等進(jìn)行校正，計(jì)算得到的兩案例所有機(jī)位平均擬合風(fēng)切變指數(shù)及所有機(jī)位不同高度平均風(fēng)速如表5所示。

表2 不同排布方案滿發(fā)小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 案例一混排前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

表4 案例二混排前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

由于兩案例均為山地風(fēng)電項(xiàng)目，運(yùn)輸、吊裝難度較大，且風(fēng)切變本身較小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)均采用風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)塔筒高度，不對(duì)塔筒進(jìn)行加高。此次采用的WTG140-3.0機(jī)型塔筒高度為100m，WTG131-2.2機(jī)型塔筒高度為90m。雖然WTG131-2.2機(jī)型出力能力更好，但是該機(jī)型塔筒高度較低的劣勢(shì)在風(fēng)切變指數(shù)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(jī)位處塔筒高度平均風(fēng)速相差0.1m/s，而案例二僅為0.04m/s，很顯然WTG131-2.2機(jī)型在案例一中因?yàn)樗哺叨冉档投斐傻碾娏繐p失更加嚴(yán)重。將兩案例混排方案中WTG131-2.2機(jī)型的塔筒高度提高至100m重新進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，與原混排方案相比電量變化如表6所示。

圖4 案例一測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)廓線

圖5 案例二測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)廓線

表5 兩案例所有機(jī)位處風(fēng)況統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 混排方案塔筒高度提升前后電量對(duì)比

圖6 混排所用兩種機(jī)型在標(biāo)況下的動(dòng)態(tài)功率曲線標(biāo)幺值

圖7 案例一全年風(fēng)速分布直方圖及風(fēng)電機(jī)組功率標(biāo)幺值差值對(duì)比結(jié)果

圖8 案例二全年風(fēng)速分布直方圖及風(fēng)電機(jī)組功率標(biāo)幺值差值對(duì)比結(jié)果

可以看到，當(dāng)將WTG121-2.2機(jī)型的塔筒高度提升至100m時(shí)，與最初的混排方案相比，案例一滿發(fā)小時(shí)數(shù)又提升了49h，相比單一機(jī)型方案累計(jì)提升了73h；而案例二將WTG121-2.2機(jī)型的塔筒高度提升至100m時(shí)滿發(fā)小時(shí)數(shù)僅提升了12h。因此案例一對(duì)于風(fēng)電機(jī)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(jī)型，但是很大一部分提升的電量都因?yàn)樗哺叨冉档投鴵p失。

二、風(fēng)頻特性對(duì)于混排效果的影響分析

針對(duì)混排所用的兩種風(fēng)電機(jī)組功率曲線標(biāo)幺值進(jìn)行分析，確定兩種機(jī)型出力差異，兩種機(jī)型功率曲線標(biāo)幺值如圖6所示。

由圖6可以看出，在達(dá)到滿發(fā)前WTG131-2.2機(jī)型功率曲線特性全面優(yōu)于WTG140-3.0機(jī)型，這種差距在6～9m/s的風(fēng)速區(qū)間尤為明顯（見(jiàn)圖6 中紅圈部分），在風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí)差異達(dá)到峰值。因此如果風(fēng)電場(chǎng)全年風(fēng)速在6～9m/s的風(fēng)速區(qū)間比例較高，則將WTG140-3.0機(jī)型替換為WTG131-2.2機(jī)型對(duì)于滿發(fā)小時(shí)數(shù)的提升較為明顯，反之則不明顯。

現(xiàn)在對(duì)兩案例全年風(fēng)頻特性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7－圖8所示。

由圖7可以看出，案例一全年風(fēng)頻比例較大的區(qū)間介于4～7m/s之間，與WTG131-2.2機(jī)型相比于WTG140-3.0機(jī)型的優(yōu)勢(shì)出力風(fēng)速區(qū)間不吻合，即圖7中測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速分布變化趨勢(shì)與風(fēng)電機(jī)組功率標(biāo)幺值差值變化趨勢(shì)二者走勢(shì)不一致，出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。則WTG131-2.2機(jī)型在6～9m/s的風(fēng)速區(qū)間段無(wú)法很好地發(fā)揮出其功率曲線特性優(yōu)勢(shì)，因此即便采用混排，用WTG131-2.2機(jī)型替換WTG140-3.0機(jī)型，滿發(fā)小時(shí)數(shù)也無(wú)法獲得大幅度提升。

由圖8可以看出，案例二全年風(fēng)頻分布與WTG131-2.2機(jī)型相比于WTG140-3.0機(jī)型的優(yōu)勢(shì)出力風(fēng)速區(qū)間吻合度較高，案例二全年風(fēng)速區(qū)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(jī)型能夠體現(xiàn)出其功率曲線特性優(yōu)勢(shì)的區(qū)間，因此案例二采用混排后發(fā)電量提升效果較佳。

攝影：李宏劍

結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電項(xiàng)目的逐漸開(kāi)發(fā)，低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)越來(lái)越頻繁，很多項(xiàng)目本身資源情況較差且項(xiàng)目可用地范圍又少，因此可以采用風(fēng)電機(jī)組混排的方式，一方面用大容量機(jī)型保證總體容量，另一方面又搭配一些容量相對(duì)較小但是出力較高的風(fēng)電機(jī)組來(lái)提升發(fā)電量，最終起到提升項(xiàng)目整體收益率的目的。但是并非所有的風(fēng)電項(xiàng)目均適合進(jìn)行混排布置，單從發(fā)電量來(lái)說(shuō)，混排能否獲得較好的效果不但受制于風(fēng)電機(jī)組本身性能，更與風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源屬性有很大的關(guān)系。本文以兩個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為例，分析在不同風(fēng)資源特性下進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組混排時(shí)發(fā)電量提升效果產(chǎn)生差異的原因，最終得出結(jié)論為：

（1）風(fēng)切變?cè)酱蟮捻?xiàng)目，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組混排時(shí)不同風(fēng)電機(jī)組塔筒高度的變化對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)整體電量的提升影響越大，即便采用功率曲線更優(yōu)、出力能力更強(qiáng)的風(fēng)電機(jī)組，但是風(fēng)電機(jī)組本身塔筒高度的降低會(huì)大大抵消發(fā)電量的提升效果。

（2）在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組混排前應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)頻特性及不同風(fēng)電機(jī)組之間的出力特性差異進(jìn)行分析，可以采用風(fēng)電機(jī)組功率標(biāo)幺值差值與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)頻曲線對(duì)比的方式快速判斷新增機(jī)型的出力情況，如果某種新搭配風(fēng)電機(jī)組相比于原風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)出力風(fēng)速區(qū)間與風(fēng)電場(chǎng)本身風(fēng)頻較大的風(fēng)速區(qū)間不一致，那么這種風(fēng)電機(jī)組即便本身出力能力更佳，混排后也很難使得風(fēng)電場(chǎng)整體發(fā)電量獲得提升，甚至導(dǎo)致提升的發(fā)電量無(wú)法抵消因混排增加的成本，得不償失。