摘　要：風電設備選型已經成為影響風電項目投資行為的主要因素之一。通過對風電設備選型的主要技術指標額定風速的理論分析、公式計算， 通過對風電設備選型、風電設備投資等主要經濟指標進行不同組合的方案研究，提出了風電設備設計選型時簡單而有效的評價方法，揭示了風電設備選型組合方案與風電投資規模效應的內在聯系，能更好地提高風電項目的經濟性。

關鍵詞：風電項目 設備選型 技術經濟分析

0　引 言

2006年， 中國的風電裝機容量達到了135萬kW， 實現了當年約106.7%的增長速度。截至2006年底，中國風電裝機容量達到了2599MW，低于丹麥的3136MW，排名第六位[1]。 伴隨著風電裝機規模的高速增長， 風電設備及零部件呈現出供不應求的狀況，風電設備的價格也出現了較大的波動。在現有上網電價的情況下，風電設備選型已經成為影響風電項目投資行為的主要因素之一。

中國的風力發電技術及其應用相對落后于歐美，風電設備選型時應關注的主要技術經濟指標還沒有較好的評價和分析方法。風電設備選型技術指標上，目前依據的主要是風電的相關標準和規范，而選型時對風電場風能資源與風電設備額定風速的關系沒有簡單有效的分析方法;風電設備選型主要經濟指標上，評價和分析風電項目時比較關注上網電價、固定投資和設備利用率等主要指標，而對影響風電項目投資較大的指標，如風電設備選型的組合對固定資產的影響、風電設備選型與風電項目投資規模效應之間的關系較少引起重視。通過對風能利用效率原理分析，提出簡單確定風電場額定風速的計算公式，提供風電設備選型參考;通過應用運籌學原理及對相關經濟指標概率統計的設計，揭示了風電設備選型組合方案與風電項目投資規模效應之間的內在聯系。本文正是通過上述分析，提出了風電設備選型設計的一種新型有效、實用簡單的評價方法和分析途徑。

1　風電設備選型的技術分析

中國幅員遼闊，南北風資源差別較大，按目前引進的歐美風機技術及其標準制造的風電設備，其還需要有一個對本土化風資源適應性研究的過程。

按照現行變漿距風力發電機的最大功率捕獲原理，風力發電機從切入風速(Cut-in wind speed)到額定風速(Rated wind speed)這一過程中，通過變漿技術可以實現風力發電機工況下的最優化，從實際風速分布統計情況來看，風力發電機運行得最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。風力發電機從切入風速到風力發電機達到額定功率時的最優風能捕獲曲線如圖1所示。

從圖1中可以看到，隨著風速v的增加，通過控制葉片變漿，即改變葉片的迎風攻角，可以保持風力發電機在各個風速nmax時達到其出力最大化Pmax，圖1中用幾條風速曲線表達了這一變化過程。而在實際工作中，一般將測得的逐時風速按風頻數來統計，一個典型風場的風速分布為一個威布爾(Weibull)分布及其瑞利(Rayleigh)分布，如下圖2所示，圖2中分別列出了陸上(Onshore)和海上(Offshore)風速典型分布情況。

其中威布爾(weibull)分布所控制分布寬度的形狀參數K值和控制平均風速分布的尺度參數A值是實際工作中主要關注的兩個參數[2，4]。一般來說，在弄清風電場址區的風速分布情況后，會根據平均風速值、湍流計算值和極大風速推算值等，以及風力發電機組分級[4，5]的相關規定，來確定風力機組及主要部件的選型。從安全的角度來說，這種做法是值得肯定的，但隨著風電設備裝機規模的不斷擴大，越來越多的專業人士對風力發電機出力這一指標給予了高度關注。而決定某臺風力發電機出力的指標就是其對風能的捕獲能力和利用效率， 所關注的這些參數與風能資源緊密相關。圖1表明，在實況中，進入額定風速區后，同功率機型之間的出力差別不大，而風力發電機大部分時間都是在額定風速以下區間運行，不同風力發電機的出力差別則主要集中在額定風速以下的區間，因此對額定風速的確定直接關系某臺風力發電機的出力指標。

在一個風電場區的風能資源參數已定的情況下，為了達到最優出力，風電設備選型的一個重要技術指標就是確定其額定風速VN。通過不同風場、多臺風力發電機的出力對比研究發現，VN取值為A和K值的乘積，即VN=A×K是一個最簡單而有效的計算公式。如圖2中的陸上風電場風電設備應選取額定風速VN為12～13m/s，而海上風電場區風力發電機應選取額定風速VN為15～16m/s。基于對這一點的理解，風力發電機安裝在海上時可以越來越大型化，因為其要求的額定風速相對比較高，而安裝在陸上的風力發電機卻不能一味求大，單機功率過大的風力發電機即使采用了很多先進技術，如加大其低風速的捕風性能，但由于其額定風速較高，因而犧牲了整機性能，將得不償失。

2　風電設備選型的主要經濟指標分析

實際工作中，對風電設備選型時， 既要做到風電設備選型滿足風電場的技術要求，也要考慮設備價格波動對風電投資所產生的影響。現階段，有些風電項目，不管擬建場址區的風能資源情況如何，風電設備選型上都以MW級機組為目標，以1.5MW機組選型為最多，而1.5MW級單機的額定風速多以14m/s左右為主，一個二級風能資源[4，5]的風電場其年平均風速70米輪轂高度的實測風還不到6.6m/s，選用這樣的風電設備，其出力也能算到兩千小時的年等效小時利用數，實難茍同。

評價一個風電項目的主要風險變量有上網電量、固定資產投資、上網電價。前面在技術分析中主要談到了風力發電機的出力問題，此問題相關于上網電量，在電網電價暫不確定的情況下，由于風電設備價格的較大波動，風電項目投資回報問題已經成為影響風電項目投資的主要因素之一。

在風電項目固定資產投資中，風電設備選型對投資影響最大，風電設備選型及其組合方案與風電項目規模的關聯是最主要的因素。現階段，風電設備根據單機功率的劃分，遵循的是一個由小到大的發展路線，在一個系列產品中，單機功率較小的比較大的風力發電機研發要早，產品更成熟。所以，一些單機功率稍小但國產化多年且逐步成熟穩定的風力發電機，如750kW機，盡管風能利用效率理論上比不上同系列的MW級風力發電機，但由于其已經成熟、運行相對穩定，其可利用率反而更高，而且其價格更有競爭力，具有較高的性價比。通過對風電項目風電設備選型的多方案比較，發現風電設備選型與風電項目規模相關聯。采用不同的組合方案，對風電設備投資的控制、風電設備的可利用率等主要經濟指標都能實現優化。

3　工程案例分析

以一個實際風電項目風電設備選型為例，按49.5MW裝機規模考慮，從技術經濟的角度來分析多種組合方式下的選型情況。結合目前國產、合資、外資本土化等風力發電機設備制造情況，此處提出如下幾種可供選擇的方案。方案一：用國產基本上已經定型且成熟的750kW級機組，設備單kW造價的工程投資將有大幅降低。這一方案建議在電價不明確的情況下使用，選用的概率為10%。方案二：用國產基本上已經定型且成熟的750kW機和1500kW機組合，也能有一定幅度的投資額下降。這一方案可以在電價不理想時使用，選用概率為20%。方案三：用國產已定型1500kW機，選用的概率為50%。方案四：用合資生產且滿足國產化70%要求的1500kW機組時，投資在方案三的基礎上有一定幅度的上升。這一方案由于受多方影響，選用的概率為20%。方案五：用進口2000kW風力發電機時，設備造價和投資將大幅度提升。 根據現行可能的價格政策和上述的技術分析情況來看，投入此種機型將導致投資收益率和回報率都十分低，對本項目來說，將選用其的概率暫定為0%。各方案的具體參數詳見表1。

表1　某49.5MW規模風電項目的設備可供選型方案

序號

方案

設備造價(萬元)

基準率(%)

設備投資浮動率(%)

工程總投資浮動率(%)

設備單價(元/kW)

說明

備注

1

用750kW機

19800?

62.50

-37.50

-23.38

4000.00

按66臺國產750kW單機

國產

2

750kW和1500kW混合方案

25920.00

81.82

-18.18

-11.33

4000(750kW機)6400(1500 kW機)

按32臺750kW單機和17臺國產1500kW單機的組合方式

國產

3

用1500kW機

31680

100.00

--

6400.00

按33臺國產1500kW單機

國產

4

用1500kW機

38610

121.88

21.88

15.02

7800.0

按33臺合資或獨資達到國產化率70%要求的1500kW單機

合資

5

用2000kW機

50000

157.83

57.83

38.63

10000.00

按25臺合資或獨資達到國產化率70%要求的2000kW單機

進口

機型

根據表1所列參數，在不同組合方案下，工程總投資的變動量非常大，每一級組合情況下都有大于10%的差距，而采用各種組合方式計算的上網電量差要小于10%。這也就是說明，在相同的上網電價的情況下，功率較小一些的組合方案，如方案二，上網電量的降低相對投資的降低對計算投資回報來說影響要小，也就是說方案二的投資回報要好于方案三的投資回報;反之，在規模一定、上網電價還沒有明確的情況下，方案二將比方案三有一個更有競爭力的上網電價。

另一個需要考慮的是風電場的規模效應問題。 以現階段的風電設備單機規模來說，過小的裝機規模，如風電場的設計裝機規模小于2萬kW，則不適宜進行多種規格的風電設備混裝。這一點無論是從風電設備采購、運輸、安裝、運行維護等方面，還是從組合的效益方面來說，風電設備選型一定要進行充分的投資、上網電量、上網電價三者的優化組合上進行分析。如圖3為菲律賓北風風電場，其裝機規模為1.65萬kW，選用的是同一規格的風電設備。而對于一個設計規模較大、投資分期進行的風電項目，則可以考慮按前段組合方案來實施。一般而言，一個風電場內的上網電價在確定的時候基本上是一致的，不會有太大的變動，選擇適合于本風電場區風能資源特點的一系列規格的風電設備則是較優方案。在中國很多地區，一個風電場的建設，并不都是一次性建成的，一個較大的風電場，都是經過單機試運行、多機小規模運行、中等規模的裝機、直到大規模的裝機這個過程，在這個過程中，風電設備的選型基本上都包含了對上述技術經濟及相關問題的分析考慮。圖4為內蒙古輝騰錫勒風電場，該風電場在近幾年的發展過程中，采取了多次建設、不同規模、規格不同的裝機方案，該風電廠目前的運營效益較佳。

4　結　論

綜上所述，風電設備選型時主要技術經濟指標的準確和有效評價，對風電項目投資行為起著至關重要的作用。風電設備選型及其組合方案與風電項目規模效應是存在關聯的，風電設備設計選型時應用簡單而有效的評價方法，找出風電設備選型組合方案與風電投資規模效應的內在聯系。通過這些方法的實際應用，能更好地提高風電項目的經濟性和整體效益。

參考資料

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