風電機組選型的幾個關鍵問題研究

摘要：風電機組選型在風電項目開發(fā)過程中至關重要，項目有盈利可能是進行選型的前提。本文回顧了我國風電電價發(fā)展歷程，給出了收益率、電價與風資源的定量關系；研究了風電機組等級與GL型式認證的相關問題；澄清了一些對可利用率、可靠性的混淆認識；論證了國內風電機組理論功率曲線偏高問題。 　　1．前言 　　如今，風電發(fā)展已跨越初期示范階段，進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時代，追求利潤最大化成為投資的主要目的。決定風電項目盈利水平的要素包括風資源狀況、電網(wǎng)接入狀況、上網(wǎng)電價、機組選型和運維水平等。項目核準后，前三項基本已成定局，機組選型的重要性顯而易見。據(jù)《2009年中國風電機組制造商競爭態(tài)勢與投資分析研究報告》分析，截止到2008年10月1日，中國境內的風電機組整機生產(chǎn)商已經(jīng)達到76家目前，其中真正有產(chǎn)品推出的內資與合資企業(yè)共10多家，加上幾家在中國市場表現(xiàn)積極的外資企業(yè)，總數(shù)在20左右。而每個廠家還有不同等級、不同輪轂高度、不同容量、不同應用環(huán)境的多種機型，如何從中抉擇出高安全性、高性價比的機組，成為風電投資必須面對的問題。 　　2. 機組選型的前提 　　進行機組選型的前提是項目有盈利的可能。眾所周知，電價越高風，風資源越好，項目的盈利水平就越高，先來看電價。 　　1）我國風電電價發(fā)展歷程 　　我國風電并網(wǎng)電價的形成大體經(jīng)歷了四個不同的歷史階段：1）發(fā)展初期，機組多由國外資金援助，競爭上網(wǎng)，電價很低，每千瓦時約0.3元；2）1994年起，電力部全額收購風電上網(wǎng)電量，差價全網(wǎng)均攤，各地由價格主管部門審批，致使風電價格參差不齊，低的與火電相當，高的每千瓦時超過1元；3）2002年開始，招標電價和審批電價并存，特許權招標項目的招標由國家發(fā)改委牽頭組織，電價區(qū)間趨于穩(wěn)定；4）2009年，國家發(fā)改委下發(fā)《關于完善風力發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》，《通知》按風能資源狀況和工程建設條件，將全國分為四類風能資源區(qū)，并制定相應的風電標桿上網(wǎng)電價，見表1，今后新建陸上風電項目統(tǒng)一執(zhí)行。這對風電的投資預期起到很好的引導作用，消除了不確定性，增強了可持續(xù)性，有利于競爭格局的穩(wěn)定，標志著我國風電上網(wǎng)電價機制基本成熟。 表1 各風能資源區(qū)風電標桿電價  　　按表1本文繪制了我國風電標桿電價圖，見圖1，基本與我國風資源分布圖（圖2）相吻合。 圖1 我國風電標桿上網(wǎng)電價圖 圖2 我國風電資源分布圖 　　2）電價、風資源與項目收益的關系 　　那么到底風資源、電價達到什么水平，項目才具備盈利能力呢？這一般靠經(jīng)驗定性判斷，定量關系很難給出，本文按風電較為常見的邊界條件（表2），通過文獻[1]提出的經(jīng)濟性分析工具和Wasp軟件計算，定量的給出圖3所示的關系圖：黃色區(qū)域上限為10%收益率，下限為8%收益率，橙色區(qū)域收益率較高，綠色區(qū)域收益率低于8%，很難盈利。需要強調的是，此圖僅供現(xiàn)行常規(guī)風電項目參考，不適于特殊風頻分布等情況，若遇政策變動也需重新繪制。 圖3 上網(wǎng)電價、風資源與項目收益的一般關系圖 表2 主要邊界條件 　　3. 關于風電機組等級 　　有人講風場是某某等級的風場，所以要用某某等級的風電機組，這種說法不夠準確。沒有兩個風況完全相同的風場，風場本身是沒有等級的，或者說是有無數(shù)等級的。制造商一般不會為某個風場專門設計機型，而是將風電機組設計成諸如I類、II類一些等級，通過批量生產(chǎn)這幾種等級的機型來降低成本。打個比方，這相當于為眾人大小不一的腳，設計了有限幾種尺碼的鞋，不一定最合腳，但因規(guī)模化而大幅降低成本。歸根結底還是經(jīng)濟問題，當帶來的額外發(fā)電收益高于設計成本時，為某一風場甚至某些機位專門設計機型，也并非不可能，如同為博爾特設計專用跑鞋。最近，隨著技術的進步和設計成本的下降，國內一些主機制造商開始推出專門設計的概念。 　　機組等級的劃分，IEC、DIBT等已有相關標準，如IEC 61400-1先后推出的三個版本的標準，現(xiàn)列于表3至表5，表中的Vref為50年一遇最大風速的參考值。 　　e3版和e2版相比，取消了IV類機組，取消了平均風速的限制，但對湍流強度的要求更加苛刻，傳達出的信息是如果湍流強度不高，平均風速大一些也允許。一些國外機組制造商出于技術延續(xù)性的考慮，仍堅持采用e2版本。 　　我們還可以從這樣的角度理解IEC標準的變化，風電起源和發(fā)展于“上帝偏愛”的歐洲大陸，氣象條件優(yōu)越。而當它擴展到世界各地時，發(fā)現(xiàn)有的區(qū)域參考風速與平均風速偏離了5倍關系，臺風、低溫、低空氣密度、臺風、沙塵、雷暴、冰凍等特殊情況也接踵而來，IEC不得不放寬了機組等級的界限，即降低特殊性以保證普遍性。顯然，考慮了自身特點的區(qū)域性標準更具實用價值，也是未來的發(fā)展方向，但這類標準的制定需要大量深入的、有針對性的工作，而不應簡單地向上等同。 　　我國東南沿海多臺風，平均風速小而參考風速大；內蒙地區(qū)遠離海洋，受西伯利亞寒流影響，平均風速大而參考風速??；風資源豐富的東北山區(qū)，地形復雜，易形成局部小氣候，湍流強度往往偏高。期待我國在IEC標準的基礎上出臺“更中國”的風電標準，也期待風電制造商在掌握風電核心技術后，大膽創(chuàng)新，多開發(fā)適合我國風資源特色的風電機組。 　　4. 關于風電機組GL認證 　　“認證”是指由認證機構證明產(chǎn)品、服務、管理體系符合相關技術規(guī)范的強制性要求或標準的合格評審活動。我國近幾年風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，業(yè)主對風電機組性能的認知很難趕上機組推陳出新的速度，機組性能亟需權威機構的評判，因此風電機組認證在選型過程中顯得尤為重要。在全球風力發(fā)電領域，德國勞氏船級社風能事業(yè)部GL Wind是世界上公認的權威檢測、認證機構。目前，全球一半以上的大型風電項目認證由GL完成的，在近三十年的風力發(fā)電發(fā)展過程中，GL發(fā)展、發(fā)布了全球最完整的認證規(guī)則規(guī)程體系，并被廣泛采納為IEC國際標準。本文僅簡單介紹風電機組的GL型式認證流程，并提供一些判斷風電機組認證情況的實用方法。 圖4  GL風電機組型式認證流程圖 　　GL風電機組認證是指型式認證，其流程如圖4所示，圖中A類設計評估的“A”不代表湍流強度，樣機型式試驗包括功率曲線測試、噪聲測試、電氣性能測試、機組性能測試、機械載荷測定等。 　?。?）“設計認證”的概念在GL風電規(guī)程體系里是不存在的，僅存在“設計評估”（英文是Design Assessment）。國內有些主機制造商經(jīng)常以GL設計評估報告作為GL“設計認證”進行宣傳，是有背實際的。 　　（2）“設計評估”是分等級的，C類設計評估只需在設計文件基礎上，對樣機進行合理性校核，相對容易通過；要拿到A類或B類設計評估，需要首批安裝的機組通過試運行，需要進行設計分析的全 面考核。若存在一些即使與安全無關的瑕疵，也只能獲得B類評估。可見，型式認證的門檻是非常高的。 　?。?）設計評估報告或型式認證都是有有效期限的，過期需要重新審核，否則無效。如C類設計評估，有效期為2年或滿負荷情形下4000小時以內。 　?。?）任何主要部件不得變動，否則認證失效。詳細的部件清單列在載荷評估報告的附件里。 　　（5）進行風電機組的型式認證是非常漫長的過程。據(jù)GL介紹，如一切順利，拿到C類載荷評估約需3個月，C類到B類約1年，B類到A類約1.5年，A類載荷評估到最終的型式認證約2年。目前尚無國產(chǎn)機組拿到GL型式認證。 　　5. 關于風電機組可利用率 　　1）可利用率的計算 　　風電機組的可利用率計算目前非?；靵y，運營商與主機制造商的算法不一，各主機制造商的算法也不盡相同。這里既有天氣、電網(wǎng)限電等不確定因素的干擾，也有各方利益出發(fā)點不同帶來的影響。歸納起來，有三種算法： 　?。?），稱為運行可利用率（Operational Availability）； 　　（2），稱為技術可利用率（Technical Availability）； 　　（3），多見于我國風電場的可利用率計算，不妨稱之為Chinese Availability。 　　以上三式，G為發(fā)電時間，T為總時間，如以一年計算為8760小時。（2）、（3）式中W為等待時間，意為既不發(fā)電也不算故障的時間。G、T含義明確，關于W的爭議較多，如微風時間、切出時間、電網(wǎng)限電時間、電網(wǎng)故障時間、備件或維修人員到場時間、故障修理后等待測試的時間、以上時間的重疊時間等是否計算在內。若統(tǒng)一了W的計量方法，再選定（2）式或（3）式的可利用率算法，可利用率問題就迎刃而解。下面分析三種可利用率間的相互關系： 　　定義等候時間與總時間的比，則，顯然若k=0，三者完全相同，當k增大時，則三者關系如圖5～6所示，圖中橫軸為Ao。 圖5  k=0.05時三種可利用率的關系 圖6  k=0.2時三種可利用率的關系 　　這說明：1）ctoAAA>>，若以代表純發(fā)電時間的Ao衡量風電可利用率會更較低，以Ac衡量會較高；2）當?shù)群驎r間比重較小時，Ac與At基本重合，兩種計算方法基本相同；當?shù)群驎r間比重較大時，兩者差別拉大，尤其是可利用率較低時，絕不能混為一談。 　　2）可利用率與可靠性的關系 　　可利用率與可靠性是關系密切而概念完全不同的兩個量，前者是設備某段時間內工作時間與總時間的比值，后者是設備在指定時間內連續(xù)正常工作的概率。對陸上風電場，我們可以籠統(tǒng)的說某某設備可用率非常高，所以很可靠。而到了海上風電場，由于可接近性差，維護難度大而成本高，我們應該強調可靠性的重要，舉例來講： 　　機組故障服從指數(shù)分布，平均一年內發(fā)生1次故障，每次故障持續(xù)10天，則可利用率為355/365=97.3%，機組1個月無故障的可靠性為exp(-30/365)=92.1%。若機組平均每年發(fā)生5次故障，每次故障持續(xù)2天，可利用率仍為97.3%，而機組1個月無故障的可靠性銳減為exp(-30/73)=66.3%。 　　由此可見，對海上風電機組選型增加可靠性指標非常重要，為方便執(zhí)行，建議業(yè)主對機組單位時間的故障次數(shù)提出要求。 　　6. 關于風電機組功率曲線 　　功率曲線與可利用率稱得上評價風電機組最重要的參數(shù)指標。在風電機組選型過程中，標準功率曲線或待建風場空氣密度下的功率曲線，決定著發(fā)電量估計、度電成本計算、經(jīng)濟性分析等關鍵環(huán)節(jié)。以上兩者都屬于理論功率曲線的范疇，但真正發(fā)揮作用的是機組的實際功率曲線，這就存在一個功率曲線驗證問題。然而，功率曲線的驗證比可利用率計算難度更大、耗費時間更長；絕大多數(shù)國產(chǎn)機組尚未獲得功率曲線認證；設備采購合同里制定了相應的罰則，但缺乏可操作性；盡管IEC早已制定相應標準，目前未見有業(yè)主開展功率曲線驗證的報道，這些給項目收益帶來難以預知的風險。 　　業(yè)界普遍認為，一些國內制造廠商給出的功率曲線有浮夸的成分，圖7也初步印證了這一點：這里機組均為77m葉輪直徑、1500kW功率，藍色曲線為發(fā)電表現(xiàn)出眾的GE 77，紫色曲線為五種典型國產(chǎn)機型的平均值。 圖7 標準功率曲線對比圖 　　7. 結論 　　風電機組選型還有若干問題，這里不能面面俱到。例如發(fā)電量估算，折減系數(shù)的設定過于隨意，而分析各種不確定因素影響的創(chuàng)新性工作不夠，盡管市場上不斷推出如meteodyn WT等新型軟件，發(fā)電量估算精度仍無明顯改善，相當于用一架高精度的天平毛著測量帶包裝物品的凈重。再如進行機組經(jīng)濟性比選，常用靜態(tài)的分析方法，而且忽略了相互差異較大的維護成本。 　　當然，以上一系列問題都屬于發(fā)展中的問題，相信隨著風電市場的成熟穩(wěn)定，會一一得到妥善解決，關鍵是如何使解決成本最低。機組選型相關工作銜接著設計施工與生產(chǎn)運行，銜接著制造商與投資商，需要全行業(yè)共同努力。有些具備公用性質的工作，需要權威機構來做，如定期發(fā)布各機組制造商的實際功率和可利用率，以防個體視角的偏頗和狹隘；有些具備超前性的創(chuàng)新工作，需要龍頭企業(yè)率先做，以拉動其它企業(yè)的發(fā)展，如適合我國風資源特色的新機型研制；有些工作需要盡早做，后期的技改成本肯定高于前期設計的微調成本。從國家層面上看，只有這樣才能優(yōu)化我國風電產(chǎn)業(yè)的資源配置，確保風電又好又快發(fā)展。（范子超） 　　參考文獻 　　1．范子超. 風電經(jīng)濟性分析工具及其應用研究。 　　2. 李育玲. 風力發(fā)電機組選型的主要指標與方法。 　　3. IEC64100-1。 　　4. 國家發(fā)改委，《關于完善風力發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》。