风电机组“以大代小”电量效益的量化研究

摘 要：【目的】依据存量风电机组的实际风资源情况，量化增加塔架高度所能产生的发电量效益。【方法】先依据风机机位统计的实际风速、风频分布情况，计算各不同单机容量、叶片长度的拟选机型所能产生的发电量效益；再通过对比分析，确定最优发电效益的塔架、单机容量、叶片长度的机型组合。【结果】通过实例计算选定的机型组合所能产生的年度发电量相较于原机组的发电量提高2倍以上，并且可利用的小时数也较为可观。【结论】为老旧存量风电机组采取“以大代小”的提质增效措施提供了理论支撑，对预计的收益情况进行量化评估，并在此基础上，为分析投入成本和量化收益情况提供了更加直观的可行性方案。

关键词：以大代小；实际风速；风频分布；提质增效；收益评估

中图分类号：TG333" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.002

Quantitative Research on the Power Generation Benefits of Replacing Small Capacity Electricity with Large Capacity Wind Turbines

YANG Yaju

（Datang Henan Clean Energy Co.， LTD.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to quantify the power generation benefits generated by increasing the tower height according to the actual wind resources of the existing wind power units.[Methods] According to the actual wind speed and frequency distribution of the fan position statistics， the power generation benefits generated by the proposed models with different single-machine capacity and blade length were calculated， and" then the model combination of tower， single-machine capacity and blade length with the optimal power generation benefits was determined through comparative analysis.[Findings] The annual power generation generated by the selected model was more than 2 times higher than that of the original unit， and the number of available hours was also considerable.[Conclusions] This paper provides theoretical support for the quality and efficiency improvement measures of \"replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines\" for the old wind power units， and quantitatively evaluates the expected benefits， and on this basis ， this paper provides a more intuitive feasibility scheme for analyzing the input cost and quantifying the benefits.

Keywords：replacing small capacity electricity with large capacity wind turbines; actual wind speed; frequency distribution; improving quality and efficiency; income assessment

0 引言

随着风电技术的不断发展，风电机组的塔架高度不断增高、单机容量不断加大、叶片长度不断加长、更新迭代速度不断加快。而部分投产时间较久的机组随着设备的逐渐老化，出现了越来越多的问题。并且，由于早年间风电机组塔架高度相对较低，获得的风资源相较于同区域内新投产的高塔筒机组较差。另外，由于过去装机的单机容量较小，相同风资源情况下，产生的发电量严重低于大容量机组，造成老旧机组的经济效益较差。对于经济效益较差的老旧机组，采取“以大代小”设备迭代的提质增效方案成为重中之重。并且，相较于新建风电场还可以省去一部分前期投入。因此，该方案成为各公司针对老旧机组经济性改造的最优选择。如何量化分析不同塔架高度、单机容量、叶片长度所产生的经济效益就成为风电场提质增效工作的关键问题。

1 存量风电场机组分布概况

河南某公司存量的风电场有27座，坐落分散，总装机容量超百万，风机近千台。其中，单机容量小于2 MW的机组89台，占比11%；轮毂高度80 m及以下的机组337台，占比40%；投产10年及以上的老旧机组100台，占比12%。此类机组多具有容量小、塔架低、叶片短、风资源好等特点，且经过多年运行，风资源情况较为清晰。

投运10年以上的机组不同于新建机组，需要对风资源情况进行建模预测。这种机组经过多年的运行，已积累了丰富的实际运行风资源数据。因此，基于机组实际风资源数据来量化评价各类机型（不同塔架高度、容量、叶片长度）的理论发电量、可利用小时数，可以作为实施风电机组“以大代小”机型选择的依据。

针对以上风电机组的特点，本研究暂不考虑机组的安全性问题，仅针对其经济性从以下方面进行研究。一是依据每台机组的实际风资源（平均风速）情况，量化不同塔架高度的电量收益，确定此台机组的最优塔架高度；二是针对每台机组的实际风资源（风频分布）情况，量化不同单机容量、叶片长度的机型组合的电量收益，确定此台机组的最优机型组合方案。

2 不同塔架高度的电量收益分析

因为局部地区的地理位置、地形条件、所处高度的不同，所以某个位置不同垂直高度的风速也不相同。风速在垂直距离上的变化叫垂直风切变。风切变也叫风剪切，可以认为是风廓线的另一种表达形式，是对风廓线的工程应用，用来表示两个高度平均风速的关系［1］。

风切变除了和风廓线直接相关外，还与两点之间的高度和高度差有关，见式（1）。

式中：V1为Z1高度的平均风速；V2为Z2高度的平均风速；α为Z1到Z2垂直高度上的风切变系数。

因此，随着风电机组的不断发展和更新迭代，风机厂家也不断地追求高塔架以获得更高位置上更大平均风速的风资源。但是更高位置上带来的经济效益相比于获得更高位置需要的资本投入如何能达到最大收益，成了风机塔架高度选择及老旧机组塔架以高代低选择的关键问题。

2.1 基于实际风资源情况案例的模拟计算

投运10年以上的XX风电场，其装机5台上海电气W1250N-65机型、单机容量1.25 MW、叶轮直径65 m、轮毂高度70 m的风电机组，经历史运行数据分析，年平均风速为5.88 m/s。河南地区2～22 m/s风速段内风切变的范围大概在0.1～0.4［2］。因此，常用塔架高度70 m、80 m、85 m、87 m、90 m、95 m、100 m、120 m、140 m、145 m、150 m。当风切变系数在0.003～0.403、步长为0.01时，对应的平均风速见表1。

2.2 基于此机位不同塔架高度的电量收益

由于各风电场之间的风频分布、风电机组选型等因素存在差异，各风电场之间的平均风速、理论电量、利用小时数等无明显的函数关系［3］。但对于单个风电场来说，风速变化与理论发电量、利小时数的变化呈近似效果，利用小时数大致增加50～60 h［4］。本研究取55 h，此台风机不同风切变系数及塔架高度下获得的发电利用小时数见表2。

2.3 基于此机位风资源的塔架高度选择方案

此风电场风切变系数见式（2）。

由表2可知，①若此风电场所在地测风塔实际测得的风切变系数在0.003～0.033范围，塔架高度从70 m增加到150 m对发电可利用小时数的影响不到100 h，因此，改变塔架高度对其所在的地理位置风资源影响不明显。

②若此风电场所在地测风塔实际测得的风切变系数在0.043～0.073范围，塔架高度从70 m增加到120 m对发电可利用小时数的影响超过100 h，即使再增加高度对可利用小时数的影响也未超过200 h，因此，120 m塔架是机位的最优塔架高度。

③若此风电场所在地测风塔实际测得的风切变系数在0.233左右，塔架高度从70 m增加到80 m对发电可利用小时数的影响已超过100 h；塔架高度从70 m增加到90 m对发电可利用小时数的影响已超过200 h；塔架高度从70 m增加到120 m对发电可利用小时数的影响已超过400 h；塔架高度从70 m增加到140 m对发电可利用小时数的影响已超过600 h；再增加高度对可利用小时数的影响也未超过700 h，因此，可对比塔架造价投入和收益选择最优塔架高度。

④依次类推，根据实际测风塔测量数据而计算的风切变系数及成本投入，来确定最优的塔筒高度选择结果。

3 综合方案的量化收益分析

在老旧机组“以大代小”提质增效的技术改造中，若选择机组单机容量过小，则不能充分地发挥此机位风资源的经济效益；若选择机组单机容量过大，则容易造成机组可利用小时不高，效率低下。因此，准确地评估在此机位的实际风资源情况下，可获得的最优发电量和可利用小时数以及所对应的机组容量和叶片长度组合，就成了机组选型的关键问题。

3.1 基于机位实际风资源情况的模拟计算

投运10年以上的XX风电场，装机5台上海电气W1250N-65机型、单机容量1.25 MW、叶轮直径65 m、轮毂高度70 m的风电机组，地处山地。某年风资源（风速风频分布）情况如图1所示。

假设拟选单机容量和叶片长度的组合机型情况见表3。

3.2 不同单机容量和叶片长度组合的电量效益

风电机组的功率计算见式（3）。

式中：W为风电机组的功率；ρ为当地空气密度，取河南区域平均空气密度1.169 kg/m3作为当地空气密度；r为叶轮半径，轮毂半径多为3 m左右，折合叶片方向轮毂半径1.23m，叶轮半径r=叶片长度+1.23（m）；V为轮毂中心高度处的平均风速；Cp为此台机组的风能利用系数。

风电机组叶轮对风能的捕获能力在25%～47%之间，传动链的传动效率在90%～95%（非直驱机组），发电机的转化效率在52%～95%之间，逆变器的转化效率在25%～90%之间，经计算，本研究取Cp最高=0.41、Cp最低=0.03，风速在达到额定风速前，风能转化效率Cp会逐渐增大，本研究根据风机实际参数各风速下选择统一的Cp值，不再详细进行计算。

各机型风电机组的额定风速见式（4）。

计算可得，叶片长度相同的情况下，单机容量越大，额定风速越高；单机容量相同的情况下，叶片长度越长，额定风速越低。具体数据见表4。

并且，依据其额定风速的情况，可计算出各风速段下的理论功率。各机型的理论功率曲线如图2所示。

3.3 单机容量和叶片长度组合选择方案

根据此机位所对应的实际风资源情况，对该机位各机型风电机组的理论年度风电量及可利用小时数进行估算［5］。各机型单机年度具体情况见表5。由表5可知，①发电量最多的机型为机型5 000/75，单机发电量达到了1 083万kWh，可利用小时数为2 167 h，但在各备选机型中仅位居第4，存在一定的“小马拉大车”的情况，而且虽然每千瓦报价可能最低，但其容量较大，需要投入的单机总体成本较高，考虑其发电效率并不是最优选择。②机型3 000/75发电量达到约800万kWh，可利用小时数达到2 600 h，在各机型可利用小时数最高，总体发电效率最好。③根据各机型估算的理论发电量和可利用小时数需要结合需投入的改造成本进一步分析，获得最具经济性的配置。

4 拟选方案整体效益的量化分析

若拟选方案为机型3 000/75，风机单机容量3 MW、叶片长度75 m，在此机位上可以获得约800万kWh的理论发电量，考虑综合折减率，估算此机位此机型的年上网发电量。后期也可以根据剩余机位的实际风资源情况逐台计算年上网发电量，从而获得此风电场的年度发电量。

通过考虑风机特性及风电场运行过程中其他因素影响，对理论产量进行修正，折减系数取值如下。

①空气密度修正计算时利用了当地平均空气密度，因此，需要根据风机具体实际测量的空气密度对进行修正，本研究暂不考虑其影响。

②风电机组利用率主要考虑风电机组、输电线路、电气设备检修和故障等因素造成的停机。根据风机实际平均运行情况，风电机组的可利用率取98%。

③叶片污染折减考虑到叶片随着使用会逐渐磨损老化，损耗系数确定为98%。

④厂用电、线损等损耗根据经验，厂用电和线损取3%，此项折减系数为96%。

⑤功率曲线修正考虑到风电机组实际功率曲线应保证为理论的97%，在计算发电量时应适当进行考虑，本研究取各机型理论功率曲线保证率为98%。

⑥该场区存在冰冻等天气，主要影响天气为覆冰、暴雨等等，气候影响停机折减取2%，此项折减系数98%。

⑦不确定因素折减，其他未考虑的因素，如实际风切变计算误差、实际风资源数据误差、机组检修等存在较大的不确定因素。综合考虑这些因素，最终按照 90.8%的系数进行计算。

综上所述，除空气密度、尾流影响外，本机位此机型风机实际发电量综合折减率为：

0.96×0.98×0.98×0.98×0.98×0.908≈0.821

因此，根据此机位所对应的实际风资源情况，该机位此机型风电机组单机的年度发电量约为653万kWh，是原机型的3倍以上，其可利用小时数为2 178 h。河南地区的山地及丘陵的风切变指数较小，风切变指数分布在0～0.1和0.1～0.2之间［1］；而平原的风切变指数较大，风切变指数分布在0.2以上。此风电场地处山地，选择风机塔架高度可依据叶片组合对塔架高度的最低要求进行选择。若实际测量的此机位风切变参数较好，配合增加更高的塔架高度，则其实际可利用小时数可进一步提高。

5 结论

在实施老旧机组“以大代小”机组改造的过程中，可以根据其风电场所在区域测风塔实际测量获得的风切变指数直观地选择最优电量收益的塔架高度。另外，根据此机位实际的风资源情况计算得出的单机容量和叶片长度的机型在此机位上所能产生的直观电量收益，为机型选择提供了可行的方案。后期，可依据本研究的计算算法制作相关的计算软件，通过输入机位的风资源等信息，直接给出最优的机型选择方案，为存量风电场的提质增效工作做出更大的贡献。

参考文献：

［1］高勇.河南地区风切变指数的空间变化分析［J］.科技与创新，2018（22）：70-72.

［2］王炎，崔永峰，袁红亮，等.平原地区风切变指数的计算方法［J］.西北水电，2019（2）：95-99.

［3］杨超颖.山西电网风电理论电量计算及弃风监测统计研究与应用. 山西省，国网山西省电力公司，2015-07-03.

［4］覃荣君.复杂山地项目风能资源设计后评价探讨［J］.风能，2018（8）：74-77.

［5］郭辰.风电场平均风速变化对利用小时数的影响研究［J］.风能，2012（7）：50-58.

收稿日期：2023-11-29

作者简介：杨亚炬（1990—），男，硕士，工程师，研究方向：新能源集控大数据分析。