基于AHP法的陆上风电项目建设可行性评估

于伯平

摘要：近年来，我国政府提出“碳达峰、碳中和”的系统性变革战略目标。在能源供给方面，建设风电场是节能减排、实现“双碳”目标的关键对策之一。文章采用案例分析为主、专家访谈为辅的方法，重点以位于内蒙古乌兰察布市境内的D项目为例，从自然条件、技术条件、社会条件、经济条件、环保条件5个方面系统建立了陆上风电项目建设可行性评价指标体系。从自然条件（B1）、技术条件（B2）、社会条件（B3）、经济条件（B4）、环保条件（B5）共5个方面进行评价，依据评价结果，提出坚持需求导向、加强环保工作、风电火电储能相配合的3个设计建议。结合D项目具体实例，运用AHP法建立风电场建设可行性影响的权重指标体系，提出基于指标体系的建议，为风电场建设选址工作提供参考和借鉴。

关键词：风力发电；层次分析模型

随着近年来我国经济的快速发展，城市和工业对能源的消费总量快速增加，能源的传统生产消费方式带来的环境问题逐渐成为我国经济高质量发展的桎梏。我国政府意在通过推动能源革命，提高清洁能源生产与消费比重，从而解决好人口、资源与环境之间的矛盾。我国政府在2020年9月正式提出“碳达峰、碳中和‘3060”目标，即力争在2030年前达到二氧化碳排放量峰值，争取2060年前实现温室气体的净零排放，这为风电等可再生能源的加速发展提供了支撑。

相较于火力发电，风力发电更具有环保性，因而风电场的建设在当前自然环境污染问题日渐显著、气候复杂多变的背景下成为解决气候变化的关键对策之一。随着技术的不断更新，风力发电不止于陆上风电的概念，海上风电的装机容量也在迅速增长。目前陆上风电在全球当前的风力发电总装机容量中占比超90%，仍是绝对的主力。依照项目管理的流程，陆上风电项目建设前，需要进行可行性分析。但影响项目建设的因素有很多，面对可行性报告中的事无巨细，各个指标孰轻孰重成为困扰决策者的难题。对此，我们可以通过AHP法对各项主要指标进行评分，定量得出各个指标对于项目建设可行性的重要程度。D项目是华北地区某火电厂“风光火储氢一体化”项目中风能发电建设的优质案例。本文根据D项目的可行性报告，利用AHP法形成了具有普遍性的对于陆上风力发电项目建设可行性评估的指标体系及权重。

一、AHP（层次分析法）简介

人无法忽视或回避决策中決策者的选择和判断所发挥的作用，同样数学模型也并不是万能的，决策中总是存在大量的因素无法定量的表示。在此背景下，层次分析法（The Analytic Hierarchy Process）应运而生。层次分析是一种广泛应用于决策中的、定性与定量相结合的分析方法，同样工程项目关键影响因子识别。美国运筹学家，匹兹堡大学教授T.L.Saaty在20世纪70年代中期提出AHP法，本质是将复杂的多目标问题分解为各个组成因素，再将这些因素按照支配关系分组成包括目标、准则、方案等递阶层次且相互独立的有序结构。之后通过两两比较的方式确定层次中因素的相对重要程度，综合人的判断决定因素的相对重要性的排序，常见的是邀请行业专家进行赋分。

采用层次分析法分析的流程如图1所示。

二、D项目简介

D项目位于内蒙古乌兰察布市境内，规划装机容量500MW，场址南北长约30 km，东西宽约20km，风机布置区海拔高度在1430～1930m，风场内共布置有单机容量为3.0MW的风电机组167台。场区内为丘陵地貌，山体宽而平缓，地表多为耕地和退耕还林地，整个风电场周边交通条件一般。风电场通过35kV线路架空至220kV变电站然后经220kV线路接入西北侧火力发电厂500kV变电站。

三、利用AHP法对陆上风力发电项目建设的可行性进行综合评估

（一）陆上风力发电项目建设的可行性评价指标体系构建

最终目标为对陆上风力发电项目建设的可行性进行综合评估，风力发电站的建设可行性涉及多个方面，需要全面考虑自然、人文等各个方面的因素。文章根据D项目实例和专家访谈，构建了关于风力发电项目可行性评估的指标体系。其中，目标层A1为“风力发电项目建设可行性评估”；指标层共5项，分别为B1“自然条件”、B2“技术条件”、B3“社会条件”、B4“经济条件”、B5“环保条件”；在经过与相关领域的专家的探讨和相关文献的查阅后，对指标层细化，形成标准层共14项，分别为C1“风力资源”、C2“工程地质”、C3“气候及温度”、C4“电气设计”、C5“土建工程”、C6“工程消防”、C7“国家政策与产业发展战略”、C8“地区电力需求”、C9“总成本”、C10“资金来源”、C11“发电利润”、C12“节能降耗”、C13“水土保持”、C14“工业卫生”。

构成的指标体系如图2所示。

（二）结合D项目实例的指标体系构建合理性分析

本文根据D项目建设时多方专家对项目实施所提出的具体观点与解决方案，结合与相关专家的沟通，将诸多琐碎的因素总结成为图2所示的指标体系，使其最大程度上全面地展示影响陆上风力发电项目建设可行性的因素。经过归纳和总结，形成了指标层B上最具概括性的5个板块，并在下一级的标准层找寻了15个具有代表性的细化指标进行内容的丰富。事实上，具体的标准远不止于此。结合陆上风电D项目的具体建设实例，详细解释每个标准的内涵和进入指标体系的必要性。

1. 风力资源、工程地质和气候温度条件

风力资源是风力发电的动力来源，是风力发电厂建设的首要考虑因素。不论是哪一处风力发电厂进行选址建设，都应当收集当地的风力资源相关数据，必须参照相关标准对当地的风力资源进行评估。

D项目在进行可行性分析的过程中收集了气象站1980-2009年年平均风速状况：20世纪80年代至20世纪90年代初，气象站年平均风速呈逐年下降趋势，1995年后风速变化相对平稳，见图3。根据气象站自动站设备多年资料，该地区春季风速较大，夏末秋初季风速较小，见图4。选址所在地总体地形特点为四面环山、中怀滩川，当地气象局位于相对低矮的盆地周边区域，谷地向西南方向逐渐狭窄。受地形影响，气象站多年平均主导风向为WSW。

在对工程地质进行评估时，最主要需要考虑区域地质构造、区域的断裂及地震、场址稳定性、地层岩性等诸多因素，这涉及到工程的施工时间、建设的稳定性、建筑的抗震等级等各个方面，对项目的建设有一票否决权。但是，相对而言，建设上的问题通过技术手段基本都可以克服，特殊的地质活动所带来的不利影响能通过对当地地貌的改造或技术的使用有效的消解。

根据专家分析，D项目所处位置风力资源丰富，具备风力发电项目建设的动力条件。另外，根据盛行风向，可以合理设定叶片的朝向；根据年内的风速变化，可以为风电、火电的配合比例提供参考，保障电网负荷无大幅波动。上述提到的诸多指标都可以用来评价风力资源的优劣。综合考虑这些指标，最终为风力资源进行赋分。地质方面，D项目场地地质构造简单，初步建场选址地及附近未分布有活动性断裂带。根据现有资料，目前场地内及附近无大型崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用。中低山梁顶的基础底面为全风化或强风化花岗岩，满足承载力要求，可以采用天然地基，建设具有可行性。气候和温度条件方面，通过和专家的沟通，认为气温对风力发电项目的建设几乎没有影响，相较于风力资源的丰富程度而言算不上重要。极端天气对于风机的强度影响相对较小，D项目的建设受该地区的气候和温度影响非常小。

2. 电气设计、土建工程和工程消防

相较于火电，风电的建设不需要锅炉、汽机、热控等诸多板块的设计，只需要考虑电气设计。另外，考虑到风力发电的不稳定性对电网负荷的影响，往往大型风电项目的建设需要配合现有的火电，以保证负荷的稳定。总的来说是风电项目建设的具体专业设计，解决如何利用现有条件、如何让项目落地，建设什么样的项目的问题。对专家进行访谈后得出，这一条件相对容易解决，因为很多时候风电项目是附属于火电项目的，可以共享其已有设施。

土建工程同样是衍生的具体操作环节，D项目为500MW风火打捆风电项目配套建筑设计，新的项目建设应当根据实地情况因地制宜。项目内建筑物的布置在结合站区的总体规划、自然条件及满足工艺要求前提下，充分考虑安全、防火、运行检修等诸方面的因素，统一布置，使其利于生产，方便管理，尽可能创造舒适的工作环境。同时，消防设计是不可忽略的，但相对其他因素而言这是次要的，是其他因素所衍生的。这两者是风电项目建设的必要条件，但建设与其他土建项目无异，并不具备特殊性，因而重要性相对较弱，明显展示在体系的赋分上。

电气设计、土建工程和工程消防这三项重要程度都很高，他们是风电项目建设的必要条件，但他们都是在对具体的问题提出解决方案，根据现有的技术条件进行设计。因而对可行性无法产生关键的影响。

3. 国家政策与产业发展战略、地区电力需求和电网现状

国家发展战略和电力需求及电网的通达度、负荷状况对于风电项目的建设的影响是决定性的。我国电能供需矛盾日益突出，严重制约着国民经济的发展。而风能是一种清洁的可再生能源，开发利用风能资源既节省了日趋匮乏的矿物资源，风电电力又是对传统利用矿物能源发电的补充，风电场的建设从目前来说符合我国的产业政策和可持续发展战略。另外，由于新的电力设施建设需要一定时间周期，在目前的电力供需形势下，风电工程利用现有电网的输电能力，增加向负荷中心送电的容量，充分发挥电网的资源调配作用，对于缓解当前的电力紧张局面是很有意义的。

在分析风力發电项目的可行性时，应当从当地经济发展、环境保护、节约能源、符合国家制定的能源战略方针和改善能源结构、减排温室气体、减排有害气体、加强社会综合经济效益方面的分析。总的来说，国家的产业政策指导发展方向，地方的电力需求是风电场建设的直接原因，电网状况是制约因素。

4. 总成本、资金来源和发电利润

财务条件是项目建设可行性分析时不可忽略的因素，经济效益也是企业经营决策的首要考虑因素。项目总成本费用包括折旧费、维修费、工资及福利费、保险费、材料费、摊销费、利息支出和其他费用等。发电的效益需要考虑上网电价、发电收入、税金、发电利润。除此之外，还需考虑资金的来源，固定资产投资、建设期利息、流动资金、建设资金来源等，从银行贷款需要考虑利率、偿还能力等，资金投入项目建设后是否能保持充足的现金流等问题。

对于D项目而言，如按上网电价0.32688元/kW·h进行财务评价得出：项目投资的内部财务收益率约为11%（税前），税后约为10%，内部资本金财务收益率约为35%，投资回收期初步计算为9.94年，投资收益率总体达到近8%，项目的资本金净利润率达到23%。资本金财务内部收益率（34.83%）高于资本金基准收益率（8%），因此，认为该项目财务可行。

类似的，在进行风电场经济条件的可行性评估时也应当在充分考虑财务状况、资金成本的情况下做出盈利能力评估。风电场建设的总成本在评价体系中被赋予了相对小的权：不同地区具体项目的成本不同，但上网电价、基础设施状况也不尽相同，只要项目具备较强盈利能力，总成本不会造成太大的影响。资金来源对于当前的风电场建设属于利好条件，整体新能源资本市场非常活跃，资金进入的意愿相当强。因而在与专家的交流后得出：短期内资金来源渠道广、难度小，对于建设的可行性影响较小。短期资本市场的情况可被视作常量，但就长期而言，应当根据项目建设所处的具体时期的融资难易程度进行评估。

5. 节能降耗、水土保持和工业卫生

大力开发风能资源，发展风力发电，不但可节约宝贵的一次能源，还避免由于电力的发展，造成环境污染。水土保持是建设的重中之重，风电场运行期水资源消耗主要为生产管理运行人员生活、绿化、消防用水；风电场建设施工过程中会对地面产生扰动，一定程度上会改变原有地表植被及地貌，可能造成土层松散、地表裸露，从而土壤失去原有的固土防风能力，从而引起或加剧水土流失。在风电场建设过程中和施工期结束后如不采取有效的综合防治措施，可能加剧当地水土流失，造成当地生态环境的恶化，影响社会经济发展。

環保因素是风电厂建设的制约因素，但在评价体系中并没有赋予较大的权重，并非表示环保的重要性弱，而是尽管在工程建设过程中存在着损坏原有地貌等可能造成水土流失的不利因素，但通过制订水土保持方案，采取相应的对策措施，可以有效减少工程建设所造成的水土流失，从而改善项目区及其周边区域的生态环境。因此，从水土保持角度来看，如果按照标准化的环保方案执行，可以消除制约工程建设的关键因素，为工程建设创造条件。

（三）构造两两比较判断矩阵并赋值

陆上风电建设可行性综合评价指标体系图展示了上下层次间的隶属关系。上层次的元素对下层次元素有支配关系，需要在准则之下对因素的重要性赋分，这里使用1～9比例标度，见表2。判断矩阵的填写方法为：邀请风力发电建设领域的专家，借助其对风力发电建设的丰富经验，依次对各层次元素的相对重要程度进行比较。在专家对每个指标的重要性程度进行赋分后，每两个元素通过两两比较，得到判断矩阵。

通过赋分的两两对比，进行归一化处理后填写准则层Ｂ、准则层Ｃ的判断矩阵。

准则层B的判断矩阵：

1    7    3   1/3  71/7  1  1/7  1/9  11/3  7   1   1/7  73    9   7     1   91/7  1  1/7  1/9  1

准则层C的判断矩阵：

准则层“自然条件”的判断矩阵1     7  91/7   1  31/9  1/3 1

准则层“技术条件”的判断矩阵1    3    71/3  1   51/7 1/5  1

准则层“社会条件”的判断矩阵1  1/3  1/53   1    3 5   3    1

准则层“经济条件”的判断矩阵1    3  1/71/3  1  1/97    9   1

准则层“环保条件”的判断矩阵1    1/3  53     1   71/5  1/7  1

（四）单一准则下元素的相对权重及一致性检验

1. 判断矩阵需要利用一定数学方法进行层次排序

层次单排序的本质是计算权向量，即获得每一个判断矩阵各因素针对其准则的相对权重。特征根法、和法、根法、幂法等是计算权向量的常见方法，本文采用根法进行计算。计算步骤如下。

（1）A的元素按行相乘获得乘积Mi=■aij，i=1，2，…，n。

（2）所得的乘积分别开n次方Wi=■。

（3）将方根向量归一化得到排序权向量即特征向量Wi=■。

（4）计算最大特征值λmax≈■■，（AWi）为AW的第i个分量。

2. 客观事物的复杂性和认知的多样性使得判断矩阵的一致性可能存在问题

判断大体的一致性是必要的，因为出现甲比乙极端重要，乙比丙极端重要，但丙却比甲极端重要的判断是有悖常理的。如果出现此类偏离一致性过大的判断时，会影响到以此为依据的决策的准确性。因而在得到最大特征值后应当进行一致性检验。步骤如下。

（1）计算一致性指标CI。

CI＝■，n为判断矩阵的阶数。

CI=0，有完全的一致性；CI接近于０，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。

（2）计算平均随机一致性指标RI。

为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI：

RI＝■

平均随机一致性指标是多次重复进行随机判断矩阵特征值后取算术平均值得到的。本文采用龚木森、许树柏在1986年得出的平均随机一致性指标，其与判断矩阵阶数的对应关系如表3所示。

（3）计算一致性比例CR。

一致性的偏离不一定是由要素本身引起的，还可能是由随机原因造成。因而在检验判断矩阵的一致性时，需要引入一致性比例CR：

CR＝■

通常，CR＜0.1，则认为判断矩阵具有满意的一致性，否则不具有满意一致性，需要重新修正判断矩阵。

3. 准则层B的一致性检验结果（如表4）

标准化后得到的权重

WA≈（9，26，0.035，0.131，0.528，0.025）

AWA≈1    7   3   1/3   71/7  1  1/7 1/9   11/3  7   1   1/7   73    9   7    1    91/7  1  1/7  1/9  10.260.0350.1410.5280.035=1.3540.1870.7982.9330.187

λmax≈■■=5.396

一致性检验指标

CIA=■=■=0.099

CIA＝0.099，判断矩阵阶数n=5，由表3得RIA=1.12，随机一致性比率CRA=0.0883＜0.1，通过一致性检验，此判断矩阵具有满意的一致性，接受此判断及所得权重系数。

4. 标准层C的判断矩阵及结果

比较矩阵B1

1     7    91/7   1    31/9  1/3  1

标准化后得到的权重WA≈（0.785，0.149，0.066）

AWB1≈1     7    91/7   1    31/9  1/3  10.7850.1490.066=2.4190.4580.203

λmax≈■■＝3.08

一致性檢验指标

CIB1＝■＝■＝0.04

CIB1＝0.04，判断矩阵阶数n=3，由表3得RIB1=0.52，求得CRB1=0.077＜0.1，通过一致性检验，此判断矩阵具有满意的一致性，接受此判断及所得权重系数。

同理对其余各判断矩阵进行一致性检验可得，比较矩阵B2的CRB2=0.062＜0.1，B3的CRB3=0.037＜0.1，B4的CRB4=0.077＜0.1，B5的CRB5=0.062＜0.1，全部通过一致性检验，上述判断矩阵都具有满意的一致性，接受判断及所得权重系数。

5. 各因素重要性系数的计算结果

整理标准层B对标准层A及标准层C对标准层B的重要性系数，如表6、7所示。

四、结语

从总体上看，经济条件对于陆上风电场建设的可行性的影响最大，自然条件和社会条件也具有相当的重要性，这两者是建设风电场的必要因素。技术条件和环保条件对于建设可行性的影响相对其他三个条件而言显著较小。

经济条件与自然条件、社会条件存在逻辑上的相关性，文章着重对直接的影响因素进行研究。经济条件中，发电利润的重要性远超资金来源和总成本，决定了风电场“要不要”建。这无法脱离风电场企业的本质，无法获得经济利益的项目是不可持续的，无法盈利的风电项目仅仅依靠政策的倾斜难以维系日常运行维护，即使是附属在火电厂之下，也会使母电厂不堪重负。目前，在国家大力支持之下，有关新能源建设的项目在资本市场上炙手可热，总体上呈现项目少、资金多的状态，融资相对容易，对于建设可行性是利好因素；总成本受到自然条件及属地的社会条件制约可能存在差异，但总体建设的成本是可控的，因而通常并不是建设可行性的制约因素。

自然条件中，工程地质、气候及温度都是需要考虑的因素，但在实际建设中，除去少数特殊的地质地貌和气候条件外，现有的技术水平几乎都可以克服，对于风电场建设的可行性影响非常小。风力资源的丰富程度无疑是风力发电场建设可行性的最重要自然因素，决定着风电场“能不能”建。之所以在评价体系的构建中自然因素无法成为权重最大的因子，主要是因为是电厂建设必须考虑到电网的负荷状况，电网在不缺负荷的状态下风电场发出的电无法并网，造成浪费。

社会条件、技术条件、环保条件在文章所建立的评价体系中对于风电场建设可行性的影响权重最小，但在逻辑上是影响经济条件的重要因素，对于风电场建设的影响需要其他因子传导。具体来说，国家政策、电网现状、地区的电力需求是影响经济效益的，但经济效益还取决于上网电价等因素，不能独立产生作用。技术条件和环保条件在特定的时代通常可以被视为常量，有相对完整、成熟的处理办法，短期内不会出现大的波动。

五、建议

在进行陆上风电场建设的可行性评估时，要坚持需求导向，重视供求规律。根据地区电力需求的实际情况，充分评估电网负荷情况后进行建设，在积极响应国家政策号召的同时，坚持社会效益与经济效益的统一，建设决策应当充分考虑市场。

坚持可持续发展理念，坚持环境可持续、经济可持续的有机统一。在建设前应当充分模拟、预估可能造成的水土流失、污染排放等诸多因素，在建设后期恢复生态的难度和成本也应当纳入风电场建设可行性评估体系之中。

坚持长远眼光进行评估，合理利用现有资源。可以考虑依附于火电厂，利用现有的基础设施，减少前期资源的投入；另外风能的季节性使得风力发电具有不稳定性，可以配合火力发电或储能项目，保障电网负荷的稳定。

六、结语

文章利用AHP法建立的综合评价体系，结合了已实现、效益较好的D项目，得出的指标体系可靠性较强，能够较准确地定量评价陆上风电项目建设的可行性。

受限于时间和数据权限，目前无法大量获取其他项目的数据。未来的研究中既可以进一步丰富评价体系，又可以选择综合效益处在可行边缘的项目，对其进行以上指标的评估，并将所得的评估结果赋分，作为基准分。参照该项目的基准分，在日后进行陆上风电可行性评估时，结合具体项目的各项实际情况打分，并根据本文所得出的指标体系所对应的权重进行加权后求和得出综评分，通过与基准分数的比较，更为直观地得出可行性结论，使决策者能更及时调整各项指标寻求优化或是放弃。

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（作者单位：苏州大学政治与公共管理学院）