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摘要： 目前在风电场建设过程中，没有要求设计部门计算风电场风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量。往往使风电场的风能资源得不到充分利用，造成风能资源的浪费。本论文通过工程实例说明如何通过风机设备选型及技术经济比较、风机的优化布置，使风电场风能资源利用最大化，确定风电场的经济可开发量（规划容量）。
关键词：风电场；风能资源；经济可开发量；评估
1 概述
风能资源常以风能密度表示，即单位时间内垂直通过单位面积的气流所具有的能量。当风速V≥2米/秒时，风能就可开发利用。现在我国风电场建设中，对风电场的风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量的计算方法，在任何技术规程和规定中都没有明确。
一个风电场在有限的范围内、能够开发多大的风能资源？是投资商十分关心的问题、设计咨询单位应解决并回答下面的问题：在合理利用风能资源和实现风能资源利用最大化时的前提下、计算风电场风能资源酝藏量，确定风电场的技术可开发量和经济可开发量（即规划容量）。这是风电场的前期工作必须解决的问题。
一个风电场风能资源的酝藏量，取决于风电场测风的成果和面积的大小，根据测风成果，分析和计算风电场风的功率密度，资源评价，并根据功率密度和面积计算风电场风能资源酝藏量。
一个风电场的技术可开发量是在掌握风电场风能资源酝藏量的前提下，在风电技术及风电场建设条件允许的情况下，最大的技术可开发量，不一定是最佳的建设容量。一个风电场技术可开发量的大小取决于风电场的建设条件和机型的选择。
一个风电场的经济可开发量是在风电场技术可开发量的前提下，通过技术经济优化计算比较后确定的，是投资者最关心的。一个风电场的规划容量应该是该风电场的经济可开发量。
其实，一个风电场规划容量的确定，应该涉及到这个风电场究竟有多少风能资源酝藏量，在目前风电技术条件下，这个风电场技术上究竟有多大的可开发量，这些风能资源如何得到充分的开发利用？如何实现风能资源利用最大化？不会造成资源的浪费，这不是一个简单的问题，也不能简单用一个单位面积开发容量系数(5MW/km2) 能够解决的，只有通过不同机型的选择，实现风电场机型的优化配置，确定适合该风电场的最佳机型；再通过机组的优化布置，实现风电场风能资源的优化配置；通过技术经济比较，最后确定风电场经济的可开发量，即规划容量。下面列举工程实例说明风电场的经济可开发量(规划容量)是怎样确定的。
2 工程实例一：容量选择与布置
2.1 单机容量选择
2.1.1 单机容量范围选择
根据目前风力发电机组的制造水平、技术成熟程度和价格等因素，结合某风电场的风况特征，机组的安装和设备运输条件，该工程拟采用单机容量750kW～2000kW 的风力发电机组。
2.1.2 单机容量与型号选择
从符合当地风资源等级的几十种风电机组中进行筛选。初选出满足该风电场的风况Ⅰc类风力发电机组共4种。并使用windpro风能计算软件进行初步的估算各机型发电量情况。
表1 各种机型发电量及满负荷小时数估算表(标准空气密度1.225kg/m3)
序号 机型 台数 轮毂
高度 理论发电量
（GWh） 尾流
系数% 理论满负荷
小时数h 等效满负荷
小时数h
1 WTG1-750 66 60 158.851 3.46 3209 2085
2 WTG2-750 66 60 157.625 3.19 3184 2069
3 WTG3-1300 38 60 150.901 2.15 3054 1985
4 WTG4-2000 25 60 181.626 3.50 3632 2361
注：综合折减系数初步分析暂取0.65
从上述4种机型中：WTG4-2000机型最高，WTG3-1300机型最低。
2.1.3风力发电机组经济效益的比较
除发电量外，风电机组的价格、塔架、基础、箱变、电缆、场内道路以及变电所等也都是影响机型方案选择的重要因素。初步对上述四种机型单一布置方案进行综合指标比较，确定该风电场风电机组机型。详见表2。
表2 四种机型经济效益（匡算）比较表(空气密度1.225kg/m3)
项目 单位 WTG1-750 WTG4-2000 WTG2-750 WTG3-1300
单机容量 kW 750 2000 750 1300
台数 台 66 25 66 38
装机容量 MW 49.5 50 49.5 49.4
轮毂高度 m 60 60 60 60
理论发电量 GWh 158851 181626 157625 150901
尾流系数 % 3.46 3.5 3.19 2.15
理论等效小时数 h 3209 3632 3184 3054
综合折减系数 % 0.65 0.65 0.65 0.65
等效满负荷小时数 h 2085 2361 2069 1985
度电成本 元/kW·h 4.182 4.578 4.216 5.102
度电成本排序 1 3 2 4
机电设备及安装 万元 35977 44837 35964 42793
建设工程 万元 2858 2257 2772 2531
其他费用 万元 2444 2505 2438 2510
基本预备费 万元 826 992 823 957
工程静态总投资 万元 42105 50590 41997 48791
静态单位千瓦投资 万元 8506 10540 8484 9877
上网电价 元/kW·h 0.6035 0.645 0.6074 0.7205
上网电价排序 —— 1 3 2 4
注：以上投资均按含税价格测算。
从上述4种机型投资及效益分析，两种750Kw机型的上网电价最低，0.6035元/kWh，0.6074元/kWh，由于设备价格较低，造成度电成本较低，0.2091元/kWh，0.2108元/kWh，而WTG4-2000由于设备价格较高，造成度电成本(0.2289元/kWh)与上网电价较高(0.645元/kWh)，鉴于今后风电设备向着大型化及规模发展，小型机组一定时期内将被大型机组替代，因此确定选用一个WTG1-750和WTG4-2000等两种机型进行进一步优化比选。
2.2 机型的选择
根据上述四种机型的性能和建设期生产能力，本期工程推荐采用WTG1-750机组和WTG4-2000机组两种机型。
2.2.1风力发电机组技术参数的比较
通过不同机型性能技术参数的比较及功率曲线的对比。可以看出：同一风电场的条件下，各机型的切入风速、切出风速、达到额定功率的最低风速及在该风电场主要风速区间内的功率输出量等参数将是影响风力发电机组发电量的主要因素，因此需要通过对比，优选出适合本风电场特性的风电机组。对比的方法是通过风能计算软件，计算风电场发电量、等效满负荷小时数后进行优选。
2.3 风力发电机组的布置
2.3.1风力发电机组的布置原则和方法
风电机的布置可以根据地形条件，充分利用场地，尽量集中布置，并结合当地的交通运输和安装條件适当优化选择机位。本风电场拟安装单机容量为 750kW、2000kw的风力发电机组进行组合排布。采用WAsP8.3与WindPRO2.5两种计算软件，进行风电机组优化布置。由于山梁的风速高达9.0m/s了以上，盛行风向稳定，因此风电机组在风能集中的山梁上可以通过减小风机的间距，从而获取更多地的风能， 使该风电场风能利用最大化。
2.3.2风电机组优化布置
布置的优化，主要依靠引进的风能计算软件WindPRO2.5完成。影响软件计算成果的有：粗糙度、障碍物的大小；地形文件数字化、复杂地形处理的精度；风电机组功率曲线、推力系数的准确性；机组的排布等因素。利用风电场订正后的代表年测风资料，绘制风能资源分布图1。
图1 风能资源分布图
上述风电场风能资源分布图可以看出：风场范围内除呈近似NNE--SSW走向的两道山梁外，其余地势平坦，所以本风电场风电机组布置的原则是在给定的风电场范围内顺山梁走势排布风机，山梁的总长度约8km，同时本地区的主能风向为WNW，山梁走势基本垂直于主能风向。为此提出在地势高资源好的山梁部分，沿约8km长的范围內，采用小间距加密风电机的台数优化方案，根据最后的经济性选定推荐布置方案。
3 工程实例二：风电场规划容量的确定
在某风电场150km2有限范围内、充分利用该区域内的风能资源，获得最佳经济效益，拟选用单机容量为1500kW 的风力发电机组，叶轮直径77m，风机轮毂高度选择65m高，进行3种不同总装机容量(250MW、300MW、350MW)的优化比选，以确定合适的总装机容量，同时确定分期开发顺序。
3.1 风电机组优化布置
风电场风电机组布置的优化及每台风电机组发电量的计算，主要依靠引进的风能计算软件WindPRO2.5完成。利用风电场各测站订正后的代表年测风资料，通过WindPRO2.5软件计算的风电场风能资源分布图2。
风电场场区由几道山梁构成。由风电场风能资源分布图可以看出：风场范围内东部高程较高，风资源最好。分析测风塔的风资源情况得知该区域的主能风向是NW、WNW，即该场区基本垂直于主能风向。综合以上特点，本风电场风电机组的的布置原则是在山梁平缓地带内布置指定装机容量的风电机组，顺山梁走势成排布置，使该区域内风能资源最大化开发。
图2WindPRO2.5软件计算的风电场风能资源分布图
根据三种容量(250MW、300MW、350MW)的排布，在预定场区范围内进行布置，三种不同装机容量布置方案经WindPRO2.5软件计算风电场发电量及满负荷小时数成果，详见表3不同装机容量的发电量及满负荷小时数估算表。
表3 不同装机容量的发电量及满负荷小时数估算表(空气密度1.06kg/m3)
序号 机型 台数 总容量
（MW） 轮毂
高度 理论发电量
（GWh） 排布效率% 理论满负荷
小时数h 等效满负荷
小时数h
1 WTG-1500 166 249 65 1059.212 95.5 4253 2764
2 WTG-1500 200 300 65 1268.051 94.8 4226 2747
3 WTG-1500 233 349.5 65 1468.798 94.3 4202 2731
注：综合折减系数初步分析取0.65。
从上述3种不同总装机容量(250MW、300MW、350MW)的优化比选结果分析：可见：
（1）对于不同装机规模的布置方案，理论发电量随布置台数的增加而增加，等效满负荷小时数随布置台数的增加而减少。最大布置台数233台和最小布置台数166台之间台数相差67台，100MW，理论发电量相差409.586GW·h，等效满负荷小时数相差32小时。每增加1MW的容量，等效满负荷小时数减小0.32h。
（2）在某风电场的同一区域内，用同一风能计算软件(WindPRO2.5) 进行风能计算，其结果3个容量的布置方案等效满负荷运行小时数均在2700h以上，都具备开发价值。随着装机容量的不断增加，等效满负荷运行小时数不断减小，上网电价不断提高。
（3）由于我国目前风电电价水平有所限制，在相同电价水平条件下，在投资商追求效应最大化的前提下，追求等效满负荷运行小时数最大为其经济开发的容量，追求高回报、是合理的。因此，在同等电价水平条件下，在3个容量的布置方案中，300MW总容量的布置方案理论发电量和等效满负荷小时数最高，达2747h，所以选择该风电场经济可开发量(即规划容量)为300MW。
三种布置方案具体布置图详见图3。
图3 某风电350MW-250MW（从左到右）的点位布置图
4 风力发电选型、布置建议
目前在我国风电场建设中，在风电场前期工作中，没有要求计算风电场风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量。往往使风电场风能资源得不到充分利用，造成风能资源的浪费。实际上投资者最关心的是一个风电场的经济可开发量。通过不同机型的选择，实现风电场机型的优化配置，确定适合该风电场的最佳机型，再通过机组的布置，实现风电场风能资源的优化配置，最后通过技术经济比较，最后确定风电场经济的可开发（即规划容量）。
为了使风电场的风能资源得到充分利用，实现风能资源利用最大化，建议在有关规程中明确要求在一个风电场的前期工作中应计算风能资源酝藏量、技术可开发量和经济可开发量，确定风电场的规划容量。并补充如何计算风电场风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量、确定风电场的规划容量的方法和相关内容。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：风电场；风能资源；经济可开发量；评估
1 概述
风能资源常以风能密度表示，即单位时间内垂直通过单位面积的气流所具有的能量。当风速V≥2米/秒时，风能就可开发利用。现在我国风电场建设中，对风电场的风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量的计算方法，在任何技术规程和规定中都没有明确。
一个风电场在有限的范围内、能够开发多大的风能资源？是投资商十分关心的问题、设计咨询单位应解决并回答下面的问题：在合理利用风能资源和实现风能资源利用最大化时的前提下、计算风电场风能资源酝藏量，确定风电场的技术可开发量和经济可开发量（即规划容量）。这是风电场的前期工作必须解决的问题。
一个风电场风能资源的酝藏量，取决于风电场测风的成果和面积的大小，根据测风成果，分析和计算风电场风的功率密度，资源评价，并根据功率密度和面积计算风电场风能资源酝藏量。
一个风电场的技术可开发量是在掌握风电场风能资源酝藏量的前提下，在风电技术及风电场建设条件允许的情况下，最大的技术可开发量，不一定是最佳的建设容量。一个风电场技术可开发量的大小取决于风电场的建设条件和机型的选择。
一个风电场的经济可开发量是在风电场技术可开发量的前提下，通过技术经济优化计算比较后确定的，是投资者最关心的。一个风电场的规划容量应该是该风电场的经济可开发量。
其实，一个风电场规划容量的确定，应该涉及到这个风电场究竟有多少风能资源酝藏量，在目前风电技术条件下，这个风电场技术上究竟有多大的可开发量，这些风能资源如何得到充分的开发利用？如何实现风能资源利用最大化？不会造成资源的浪费，这不是一个简单的问题，也不能简单用一个单位面积开发容量系数(5MW/km2) 能够解决的，只有通过不同机型的选择，实现风电场机型的优化配置，确定适合该风电场的最佳机型；再通过机组的优化布置，实现风电场风能资源的优化配置；通过技术经济比较，最后确定风电场经济的可开发量，即规划容量。下面列举工程实例说明风电场的经济可开发量(规划容量)是怎样确定的。
2 工程实例一：容量选择与布置
2.1 单机容量选择
2.1.1 单机容量范围选择
根据目前风力发电机组的制造水平、技术成熟程度和价格等因素，结合某风电场的风况特征，机组的安装和设备运输条件，该工程拟采用单机容量750kW～2000kW 的风力发电机组。
2.1.2 单机容量与型号选择
从符合当地风资源等级的几十种风电机组中进行筛选。初选出满足该风电场的风况Ⅰc类风力发电机组共4种。并使用windpro风能计算软件进行初步的估算各机型发电量情况。
表1 各种机型发电量及满负荷小时数估算表(标准空气密度1.225kg/m3)
序号 机型 台数 轮毂
高度 理论发电量
（GWh） 尾流
系数% 理论满负荷
小时数h 等效满负荷
小时数h
1 WTG1-750 66 60 158.851 3.46 3209 2085
2 WTG2-750 66 60 157.625 3.19 3184 2069
3 WTG3-1300 38 60 150.901 2.15 3054 1985
4 WTG4-2000 25 60 181.626 3.50 3632 2361
注：综合折减系数初步分析暂取0.65
从上述4种机型中：WTG4-2000机型最高，WTG3-1300机型最低。
2.1.3风力发电机组经济效益的比较
除发电量外，风电机组的价格、塔架、基础、箱变、电缆、场内道路以及变电所等也都是影响机型方案选择的重要因素。初步对上述四种机型单一布置方案进行综合指标比较，确定该风电场风电机组机型。详见表2。
表2 四种机型经济效益（匡算）比较表(空气密度1.225kg/m3)
项目 单位 WTG1-750 WTG4-2000 WTG2-750 WTG3-1300
单机容量 kW 750 2000 750 1300
台数 台 66 25 66 38
装机容量 MW 49.5 50 49.5 49.4
轮毂高度 m 60 60 60 60
理论发电量 GWh 158851 181626 157625 150901
尾流系数 % 3.46 3.5 3.19 2.15
理论等效小时数 h 3209 3632 3184 3054
综合折减系数 % 0.65 0.65 0.65 0.65
等效满负荷小时数 h 2085 2361 2069 1985
度电成本 元/kW·h 4.182 4.578 4.216 5.102
度电成本排序 1 3 2 4
机电设备及安装 万元 35977 44837 35964 42793
建设工程 万元 2858 2257 2772 2531
其他费用 万元 2444 2505 2438 2510
基本预备费 万元 826 992 823 957
工程静态总投资 万元 42105 50590 41997 48791
静态单位千瓦投资 万元 8506 10540 8484 9877
上网电价 元/kW·h 0.6035 0.645 0.6074 0.7205
上网电价排序 —— 1 3 2 4
注：以上投资均按含税价格测算。
从上述4种机型投资及效益分析，两种750Kw机型的上网电价最低，0.6035元/kWh，0.6074元/kWh，由于设备价格较低，造成度电成本较低，0.2091元/kWh，0.2108元/kWh，而WTG4-2000由于设备价格较高，造成度电成本(0.2289元/kWh)与上网电价较高(0.645元/kWh)，鉴于今后风电设备向着大型化及规模发展，小型机组一定时期内将被大型机组替代，因此确定选用一个WTG1-750和WTG4-2000等两种机型进行进一步优化比选。
2.2 机型的选择
根据上述四种机型的性能和建设期生产能力，本期工程推荐采用WTG1-750机组和WTG4-2000机组两种机型。
2.2.1风力发电机组技术参数的比较
通过不同机型性能技术参数的比较及功率曲线的对比。可以看出：同一风电场的条件下，各机型的切入风速、切出风速、达到额定功率的最低风速及在该风电场主要风速区间内的功率输出量等参数将是影响风力发电机组发电量的主要因素，因此需要通过对比，优选出适合本风电场特性的风电机组。对比的方法是通过风能计算软件，计算风电场发电量、等效满负荷小时数后进行优选。
2.3 风力发电机组的布置
2.3.1风力发电机组的布置原则和方法
风电机的布置可以根据地形条件，充分利用场地，尽量集中布置，并结合当地的交通运输和安装條件适当优化选择机位。本风电场拟安装单机容量为 750kW、2000kw的风力发电机组进行组合排布。采用WAsP8.3与WindPRO2.5两种计算软件，进行风电机组优化布置。由于山梁的风速高达9.0m/s了以上，盛行风向稳定，因此风电机组在风能集中的山梁上可以通过减小风机的间距，从而获取更多地的风能， 使该风电场风能利用最大化。
2.3.2风电机组优化布置
布置的优化，主要依靠引进的风能计算软件WindPRO2.5完成。影响软件计算成果的有：粗糙度、障碍物的大小；地形文件数字化、复杂地形处理的精度；风电机组功率曲线、推力系数的准确性；机组的排布等因素。利用风电场订正后的代表年测风资料，绘制风能资源分布图1。
图1 风能资源分布图
上述风电场风能资源分布图可以看出：风场范围内除呈近似NNE--SSW走向的两道山梁外，其余地势平坦，所以本风电场风电机组布置的原则是在给定的风电场范围内顺山梁走势排布风机，山梁的总长度约8km，同时本地区的主能风向为WNW，山梁走势基本垂直于主能风向。为此提出在地势高资源好的山梁部分，沿约8km长的范围內，采用小间距加密风电机的台数优化方案，根据最后的经济性选定推荐布置方案。
3 工程实例二：风电场规划容量的确定
在某风电场150km2有限范围内、充分利用该区域内的风能资源，获得最佳经济效益，拟选用单机容量为1500kW 的风力发电机组，叶轮直径77m，风机轮毂高度选择65m高，进行3种不同总装机容量(250MW、300MW、350MW)的优化比选，以确定合适的总装机容量，同时确定分期开发顺序。
3.1 风电机组优化布置
风电场风电机组布置的优化及每台风电机组发电量的计算，主要依靠引进的风能计算软件WindPRO2.5完成。利用风电场各测站订正后的代表年测风资料，通过WindPRO2.5软件计算的风电场风能资源分布图2。
风电场场区由几道山梁构成。由风电场风能资源分布图可以看出：风场范围内东部高程较高，风资源最好。分析测风塔的风资源情况得知该区域的主能风向是NW、WNW，即该场区基本垂直于主能风向。综合以上特点，本风电场风电机组的的布置原则是在山梁平缓地带内布置指定装机容量的风电机组，顺山梁走势成排布置，使该区域内风能资源最大化开发。
图2WindPRO2.5软件计算的风电场风能资源分布图
根据三种容量(250MW、300MW、350MW)的排布，在预定场区范围内进行布置，三种不同装机容量布置方案经WindPRO2.5软件计算风电场发电量及满负荷小时数成果，详见表3不同装机容量的发电量及满负荷小时数估算表。
表3 不同装机容量的发电量及满负荷小时数估算表(空气密度1.06kg/m3)
序号 机型 台数 总容量
（MW） 轮毂
高度 理论发电量
（GWh） 排布效率% 理论满负荷
小时数h 等效满负荷
小时数h
1 WTG-1500 166 249 65 1059.212 95.5 4253 2764
2 WTG-1500 200 300 65 1268.051 94.8 4226 2747
3 WTG-1500 233 349.5 65 1468.798 94.3 4202 2731
注：综合折减系数初步分析取0.65。
从上述3种不同总装机容量(250MW、300MW、350MW)的优化比选结果分析：可见：
（1）对于不同装机规模的布置方案，理论发电量随布置台数的增加而增加，等效满负荷小时数随布置台数的增加而减少。最大布置台数233台和最小布置台数166台之间台数相差67台，100MW，理论发电量相差409.586GW·h，等效满负荷小时数相差32小时。每增加1MW的容量，等效满负荷小时数减小0.32h。
（2）在某风电场的同一区域内，用同一风能计算软件(WindPRO2.5) 进行风能计算，其结果3个容量的布置方案等效满负荷运行小时数均在2700h以上，都具备开发价值。随着装机容量的不断增加，等效满负荷运行小时数不断减小，上网电价不断提高。
（3）由于我国目前风电电价水平有所限制，在相同电价水平条件下，在投资商追求效应最大化的前提下，追求等效满负荷运行小时数最大为其经济开发的容量，追求高回报、是合理的。因此，在同等电价水平条件下，在3个容量的布置方案中，300MW总容量的布置方案理论发电量和等效满负荷小时数最高，达2747h，所以选择该风电场经济可开发量(即规划容量)为300MW。
三种布置方案具体布置图详见图3。
图3 某风电350MW-250MW（从左到右）的点位布置图
4 风力发电选型、布置建议
目前在我国风电场建设中，在风电场前期工作中，没有要求计算风电场风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量。往往使风电场风能资源得不到充分利用，造成风能资源的浪费。实际上投资者最关心的是一个风电场的经济可开发量。通过不同机型的选择，实现风电场机型的优化配置，确定适合该风电场的最佳机型，再通过机组的布置，实现风电场风能资源的优化配置，最后通过技术经济比较，最后确定风电场经济的可开发（即规划容量）。
为了使风电场的风能资源得到充分利用，实现风能资源利用最大化，建议在有关规程中明确要求在一个风电场的前期工作中应计算风能资源酝藏量、技术可开发量和经济可开发量，确定风电场的规划容量。并补充如何计算风电场风能资源酝藏量、技术可开发量、经济可开发量、确定风电场的规划容量的方法和相关内容。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。