1、风力发电场经济运行研究新能源专题风力发电场经济运行研究倪璐佳官云胡汉梅（三峡大学电气信息学院，湖北宜昌 443002）摘要风力发电作为环保洁净的分散型电源，被喻为绿色电力。风电已经成为增长速度最快的新型清洁电力。开发和建设风力发电场是风能利用的主要形式，本文围绕风电场的建设和风力发电的发展前景进行论述。本文对风力发电场场址选择、测风评估、风力发电机组选型和布阵、发电量估算等方法进行了研究。关键词：风能；风力发电场建设；运行成本；经济分析EconomicalAnalysisofWindFarmNiLujiaGuanYunHuHanmei(CollegeofElectricalEngineerin
2、gandInformation,ThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002)AbstractWindpower,whichisanenvironmentalcleananddistributedpower,hasbeenhailedasthegreenpower.Windpowerhasbecomethefastest-growingnewtypeofcleanpower.Thedevelopmentandconstructionofwindfarmisthemainformofwindenergyutilization,thisarticlefocus
3、ontheconstructionanddevelopmentofwindfarm.Thepapermainlyresearchesonthewindfarmsitesselection,windassessment,windturbineselectionandembattle,powergenerationestimationandsoon.Keywords：windenergy；windfarmconstruction；runningcost；economicalanalysis1 引言 2.1 风力资源的测试与评估（1）空气密度p 的估算风力发电作为环保洁净的分散型电源，被喻为我国的地
4、形复杂，高差较大，空气密度随高度递绿色电力。目前，由于风力发电技术的日趋成熟以减，这些因素对风能资源的影响应当予以考虑。从气及环保方面越来越严格的要求，节能洁净型的风力体状态方程出发，考虑水汽的影响，估算空气密度发电方式已受到人们的积极关注。为了取得最好的经济效益，就须做好风力发电1.276?p?0.378e?=1+?0.00?（1）366t1000 场的经济规划。在风力发电场的经济规划中，有两其中，e 为水汽压（hPa） ，t 为气温（） ，P 为大个最重要的方面：一个是发电场的选址，通常风力气压（hPa） 。在没有湿度观测的地方，可用下式估发电场应该选择在年平均功率风速比较高的位置，算空气
5、密度这项工作也可以称为是风能资源的评估；二是风力发电机机型的选择，风力发电机的输出既与所选用 P=（2）RT 的风力发电装置有关，又与所在点的风速分布特性其中，P 为平均大气压（Pa） ，R 为气体常数（J（/kgK） ） ，有关。对于特定的场点来讲，选择与该点风速分布 T 为平均大气温度，考虑到海拔高度影响特性相适应的机组能最大限度的利用风能。?0.034353.z05=Te（3）本文主要围绕风电场经济规划、风力发电机经 T 济选择及提高风力发电系统的年发电量的方法三个其中，z 为海拔高度3m。方面进行了研究。 （2）风能密度不考虑风力机的利用系数，单位面积获得的风功2 风力发电场经济规划原
6、则率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小针对风力发电场建设的相关技术研究内容进行 13W=v（4）阐述：主要包括风力资源测试、评估和风力发电场 2 场址选择，风力机排列布阵。风能密度的单位 2W/m。382009 年第 8 期新能源专题平均风能密度的计算公式分布132W=vP(v)dv（5）?v?v?Pv?V?=?4()20?e（12）2V 其中，v为风速（m/s） ，P(v)为风速概率密度。标度参数 C 与平均风速 V 的关系（3）有效风速和有效风能密度 2 风力机械有一个工作风速范围，即从切入风速CV?=?（13）?到切出速度，即有效风速。按有效风速计算的风能（5）Weibull 参
7、数估算密度称为有效风能密度。Weibull 分布的数学期望和方差分别为根据国标 GB8974-BB 风力机名词术语的定义：1 起动风速：风力机风轮由静止开始转动并能连 MV?C?=?1+?K?（14）续运转的最小风速。切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出V?2?1?2=2C?1+?1+?（15）KK 时的最小风速。?切出风速：由于调节器的作用使风力机对额定?V?22?2?1?=?1+?/?1+?1（16）MVKK 负载停止功率输出的风速。可见，参数 K 是标准差和数学期望的函数，直工作风速：风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为接用 V 估计 K 较麻烦，有一个近似式4320m/s。
8、MV 有效风能功率密度的计算公式?V?1.086K=v?21?MV?（17）3W=vP(v)dv（6）ev2MV1C=（18）其中，P为条件功率密度函数。v、v 分别为有效 ?12?1?风速的切入、切出（?1+?K?m/s） 。 （4）由平均风速 v 估计 MV，以样本标准差估计V，Weibull 分布韦布尔双参数曲线族被认为适于对风速作统计可算出 C、K值。描述的分布函数5，其概率分布函数和概率密度函（6）用 Weibull 分布估算风能资源参数数可表示为若已知 C、K，则平均风能密度为1k1kk?v?v?23?W=C?1+?2K?（19）P(v)=?exp?（7）cc?c?在工作风速内，切
9、入风速V 到切出风速 V，其 12vk 有效平均风能密度为()?v?Pv=P(v)dv?=1?exp?（8）?c?K0?K1?v?Kv?C?其中，ek 为形状参数，c 为尺度参数。1 平均风速v2vv1v?2v3C?C?W=P()d=dvevvvKvK2121?1?2?C?C?（20）eeV=vP(v)dv（9）3310=Cv23K?yyedv?K?K利用函数变成标准积分 2?v1?v2v1CCe?ea?1?y(a)=yedy（10）?K0 式中，vy=即?C?。k1 风能可利用时间 t，即时段N 内出现有效风速?K?v?KvV=v?V?edv(VVV)的有效小时数 0CC?（1211）v21
10、?t=N1y?P(v)dv=N(P(v)?P(v)v21=K1Cyedy=C?1+?0K?（21）vKK?1?v?2当形状参数=时，W 分布就变成 R=?N(?CC?k)2eibullayleighee2009年第 8 期 39新能源专题风能资源的 W，W 和 t 三个指标值，都可以通响风能利用水平的高低7。e 过参数 C、K 求得。 （1）风力发电场的机型选择（7）年发电量的估算式为机型选择主要是从风机结构、造型、叶片数量、8760 功率调节方式及运行可靠性等方面选择。依据的技术 P=vP(v)（22）aiii=1 经济指标有：运行可靠性高、故障率小；年运行其中，vi 为风速，P(vi)为
11、vi 风速时风力机的输出功率6。维修费低；单位发电量要大于 2200h/kW；风力我们通常也用容量系数表示单机的发电量：机最大出力对应的风速要适合风场风况的要求；风容量系数=Pa/8760风力机的额定功率力机结构简单；制造质量好，机组性能好；工作风力发电场年发电量为各单机年发电量的总和。风速范围宽，额定出力时风速 1213m/s 为宜。2.2 风力发电场场址的选择（2）风力机排列布阵（1）风力发电场测风风场风力机群的布置和间隔优化必须考虑到风在风力资源丰富的候选风场中，首先要进行的湍流、地形、周围风速和风力机的尾流影响，风 13 年以上的实地测风，目前我国采用 10m 高测风力机的排列过密，则
12、能量亏损严重。风力机间要保塔进行多点测风，完成 13 年的连续风速、风向观持一定的距离，在运行中，不要影响出力，又要考测和数据收集。虑到尽量缩短安装距离，减少电缆长度，避免电压（2）测风内容和分析统计损失，提高土地利用率。根据观测的风速风向数据进行当地风力资源的最好采用矩阵布置，垂直主导风向，一般以交测风分析统计，一般要进行以下几个项目的分析：错式，成行成组布置。1）风的日、月变化规律风力机与风力机之间的距离简称“机距” ，一一般应挑出一个典型日和一个典型月，典型日般选 25 倍风轮直径（2D5D） ，有经验证明，主导逐时的风速变化能反映风的一般日变化规律，典型风向占 80%以上选 2D，主导
13、风向占 50%选 5D。月逐日的风速变化能反映风的一般月变化规律，根前一排风机与后一排风机之间的距离称“行据统计结果绘制全年风向玫瑰图及风速玫瑰图。距” ，一般选 810 倍风轮直径（8D10D） ，年平均 2）年有效小时数风速在 7m/s 以下建议选 10D。按照有效风速的范围，一般采用 325m/s，但 3 选择经济运行的风力发电机实际上因风机的产地及功率会有所不同，统计出每年累计风速值在有效风速范围内的小时数，然后将在风力发电场的设计中，风力发电机机型的选历年值平均，即得年有效小时数。择不同于传统能源发电场设计。风力发电机的输出既与所选用的风力发电装置有关，又与所在点的风 3）各等级风速
14、频率将风速值按速分布特性有关。对于特定的场点来讲，选择与该 1m/s 间隔划分为若干等级，统计各等级风速出现的次数，各等级次数除以各等级风速点风速分布特性相适应的机组最大限度的利用风出现的总次数即为此等级风速频率。根据统计结果能，同时又有最好的经济效益是十分重要的。绘制各等级风速频率图。3.1 优化设计方法（风力发电机的设备利用率既与选择点的风速分 3）选场址原则风力发电场选址的好坏直接影响风力发电场的经布特性有关，又与所选用的机型有关9。如果已有选济技术评价，风力发电场选址一般应考虑如下原则。择点的风速观测值。则可由下述办法来计算设备利用场址应在风能资源比较丰富的地区，主要参照率。通常所需风
15、速观测值应具有一年以上的数据。全国或各省的风能区划，考虑到风能的充分利用， （1）计算年平均功率风速在“风能丰富区”和“风能较丰富区”内选择场年平均功率风速是描述观测点风能特性的一个址。另外场址处要求有尽量稳定的盛行风；风速的重要参数。它的计算公式如下 1 日变化季节变化要小；场地及周围地形比较开阔。?N3?V3?i2.3 风力发电场布局与规划V?=i=1m?（23）风力机的选型和风力机在风场中的排列布阵影?N?402009 年第 8 期新能源专题式中，V 为年平均功率风速，单位：m/s；V 为观 PV3rVcmiP=r测点风速，单位：m/s；N 为观测点风速样本个数。?(v?V)f(v)dv
16、+Pf(v)dv（30）aVV3ViriV()rri 年平均风速计算公式如下 V?31VrcC=(vV)f(v)dv+f(v)dvNfV?V3Vi（31）iVrV()riiV=i=1（24）3.3 结果讨论 aN 通常观测到的风速是离地面 10m 高度的风速。风力发电场的选址和风力发电机机型的选择是根据所选风力发电机中轴的高度，应把风力发电场设计中的难点，其中涉及许多技术与经 10m 高度的风速折算到中轴高度的对应风速。计算时，可采用济因素。本章试图从风能利用及生产成本的角度来下列公式考虑解决这一问题的方法，并给出其目标函数。根 x 据本章的理论推导，我们可以得到下列结论：VV?H?=Hm?h
17、?（25） （1）风力发电场选址与风力发电机最优机型选式中，择在本质上同属一个问题。这样，在实际风力发电 V 为中轴高度年平均功率风速；H 为中轴高 H 度；V 为观测点年平均功率风速；h 为观测点高度。场的设计中，可以同时考虑这两个问题，改变了过 m 上式中的指数 x，取决于观测点所在地的地理去发电场选址和发电机选型非同步的设计方法。特性，一般情况下，可取（2）风力发电机年平均设备利用率是风力发电 X=1/7。 （2）计算风速概率密度函数场设计中的重要参数。为了优化设计，需作好下列风速是始终变化的。因而，只能用统计学的方两项工作，即得到尽可能准确的观测点风速分布特法来研究它。风速概率密度函数
18、是研究风能的重要性和尽可能多的各种发电机铭牌参数。条件，它表示的是风速位于 v 和 dv 之间的概率值。4 提高风力发电系统发电量的方法经常用到的有 Weibull 函数和 Rayleigh 函数：4.1 合理选择风力发电机额定风速 Weibull 函数的表达式为获得足够的发电量，合理利用风力资源，应?使风力发电机尽量处在工况最佳状态。因此必须合?K?1?KKvv?f(v)=?exp?（26）理选择起动风速、额定风速和最大允许工作风速。CC?C?式中，C 为标定参数；应采取有效措施降低风力发电机的起动风速，提高 K 为形状参数；v 为风速。最大允许工作风速，使风力发电机能工作在一个较 Rayl
19、eigh 函数表达式宽的工作风速范围内。v2f(v?)=ex?vp?C?2Cmm?（27）4.2风力发电机输出特性和发电机输入特性相适应?随着输入风能的不同，风力发电机转速将随之式中，C=V/1.253，V 为风速。m 变化，而输入风能一定时，风力发电机转速也可在由式（26） 、 （27）可以看出，Rayleigh 函数因一定范围内变化。如果风力发电机负载不超过一定其只有一个参数使用比较方便。但是Weibull 函数限度，系统将稳定工作。更加准确，更接近实际风速的分布特性10。为使系统获得尽可能多的年发电量，要求发电机 3.2 计算风力发电机年平均设备利用率的输入特性与风力发电机的输出特性有较
20、好的匹配。风力发电机年平均设备利用率是风力发电机年理想的情况是在工作风速范围内，发电机箱入特性曲平均输出功率与额定功率的比值。线全部在风力发电机稳定工作区内并靠近其上限。C=P/P（28）far4.3 提高风力发电系统的效率式中，C 为年平均设备利用率；P 为年平均输出功 fa 风力发电机设计时，选择适应风速的合理机型率；P 为风力发电机额定功率。r 和风力发电机参数，并把其效率的最大值设计在额若已知观测点的风速概率密度函数，则定风速附近；尽量采用直接驱动，采用升速箱时应 Vc 选择传动效率高的装置，并有其合理的升速比；设P=P(r)f(v)dv（29）aVi 计发电机时，应选择永磁发电机；在
21、可能的条件下根据式（28） 、 （29）应采用较高的电压等级，这样可以减少线路损耗及 2009 年第 8 期 41新能源专题整流器损耗。5AmrM,HelgePetersen,HabliSM.Assessmentofwindfarm4.4 降低发电机的起始建压转速 economicsinrelationtositewindresourcesappliedtosites 为了更好地利用低风速时的风能，仅风力机起 inJordanJ.SolarEnergy,1990,45(3):167-175.动风速低还不够，还要求发电机有相应低的起始建6李自应等.云南风能可开发地区风速的韦布尔分布参数压转速，这
22、样系统可以在低风速下就有电功率输出，及风能特征值研究J.太阳能学报 1998,19(3):248-253.这对提高年发电量，连续性供电及节省蓄电池容量7ZiyadMSalameh,IriantoSafari.Optimumwindmill-site 都有一定意义。matchingJ.IEEETransactionsonEnergyConversion,1992,7(4):669-675.5 结论8谢建民,张治源风力发电机优化选型与云南省风力风力发电属于新能源，是一种社会效益、经济发电场规划研究J电力建设,2001,22(5):27-31.效益和生态效益巨大，具有发展前景的产业，在中9谢建民.风
23、力发电站选址与风力发电机最优机型选择国己具备大规模开发建设的条件，应该对风力发电J.宁夏工学院学报(自然科学版),1994,6(3-4):95-104.的综合效益有一个整体的认识。10尹炼.风力发电M.北京:中国电力出版社,2002.参考文献11杨秀媛.风电厂中异步发电机的节能运行J.节能,1998(5):31-33.1刘宝兰,文华里.世界风力发电现状及前景J.能源工12辜承林,陈乔夫,熊永前.电机学.武汉:华中科技大程,2000(4):12-14.学出版社,2001.2施鹏飞.风力发电的现状和前景J.国际电力,199713郭洪澈.提高小型风力发电系统年发电量的方法J.(4):11-16.节能
24、,2001(6):35-37.3谢建民,邱毓昌.大型风力发电场选址与风力发电机优化匹配14唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出J.太阳能学报,2001,22(10):466-472.版社,1997.4DavidRRichardson,GeraldMMcnerney.WindenergysystemJ.ProceedingsoftheIEEE,1993,81(3):378-389.（上接第 37 页）4 结论为了让风力发电机能够安全、平稳地运行，采用先进的变桨距控制策略对风力发电机组进行控制是十分必要的。与传统的控制相比，模糊控制能有效的抑制输出功率在起始阶段的超调和波动，且能较快的达到稳态，较好的实现了控制要求。图参考文献 4 风速=6m/s 时异步电动机的输出功率1李建林.风力发电中的电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社,20082徐建军,王惠斌,闫丽梅.变桨距风力发电机组控制策略的研究J.电力学报,2009,24(3):174-177.3刘新海,于书芳.模糊控制在大型风力发电机控制中的应用J.自动化仪表,2004(5):13-17.图 5 风速=20m/s 时异步电动机的输出功率 422009 年第 8 期
