發(fā)電量估算不確定性對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資決策的影響

文 | 李偉，姚暉，王煥奇，王志群

發(fā)電量估算不確定性對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資決策的影響

文 | 李偉，姚暉，王煥奇，王志群

風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)屬于典型的資本密集型產(chǎn)業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)控制是開(kāi)發(fā)商做出投資決策時(shí)必須考慮的重要因素?？刂骑L(fēng)險(xiǎn)需要盡量減少項(xiàng)目評(píng)價(jià)時(shí)的不確定因素，從電價(jià)、投資和發(fā)電量這三個(gè)影響風(fēng)電項(xiàng)目收益最重要的因素來(lái)看，我國(guó)已確立的風(fēng)電標(biāo)桿價(jià)格政策幫助開(kāi)發(fā)商鎖定了電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)電裝備、施工、監(jiān)理水平隨著近年來(lái)風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，經(jīng)驗(yàn)的積累使得相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)可以得到較好的控制；而由于風(fēng)能波動(dòng)、受局部環(huán)境影響明顯、不易準(zhǔn)確評(píng)估的特點(diǎn)，風(fēng)能資源分析與發(fā)電量估算一直是行業(yè)關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，雖然在測(cè)風(fēng)技術(shù)、資源評(píng)估手段、發(fā)電量測(cè)算技術(shù)等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)普遍運(yùn)行時(shí)間較短，雖然大部分開(kāi)發(fā)商已經(jīng)著手推行項(xiàng)目后評(píng)估，但數(shù)據(jù)的積累需要一個(gè)過(guò)程。目前，業(yè)內(nèi)在發(fā)電量估算不確定性對(duì)短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的影響方面有一些研究，但在對(duì)項(xiàng)目投資決策的影響方面討論不多。

發(fā)電量估算中不確定度的處理方法

一、國(guó)內(nèi)的方法

對(duì)于影響發(fā)電量的不確定因素，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位普遍不做單獨(dú)考慮，而是在發(fā)電量計(jì)算時(shí)將不確定因素與折減因素一并考慮。具體的步驟是，根據(jù)訂正后的測(cè)風(fēng)塔代表年風(fēng)能資源情況推算預(yù)設(shè)機(jī)位處的資源情況，進(jìn)而計(jì)算出“總發(fā)電量”，之后對(duì)影響發(fā)電量的各因素估算一定比例，在總發(fā)電量的基礎(chǔ)上“折減”，最后得到預(yù)估發(fā)電量。根據(jù)2009年國(guó)家發(fā)展改革委氣候司委托水電水利規(guī)劃總院完成的《關(guān)于對(duì)中國(guó)風(fēng)電發(fā)電量折減問(wèn)題的說(shuō)明》，折減因素分為尾流折減、空氣密度折減、控制和湍流折減、葉片污染折減、風(fēng)電機(jī)組可利用率折減、風(fēng)電機(jī)組功率曲線保證率折減、場(chǎng)用電及線損等折減、氣候影響折減、軟件計(jì)算誤差折減、電網(wǎng)頻率波動(dòng)與限電折減、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)尾流折減等11條，并提出中國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目總折減系數(shù)范圍大致在55%－80%之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，各設(shè)計(jì)單位在影響發(fā)電量的因素分類上略有不同，但總折減系數(shù)普遍在65%－75%之間，大多在70%左右。

根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)，除去限電因素，有相當(dāng)數(shù)量風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)電量高于設(shè)計(jì)值。其中一個(gè)原因是出于較保守考慮，發(fā)電量計(jì)算中的某些不確定因素被按照下限水平估計(jì)。比如風(fēng)電機(jī)組可利用率，可研設(shè)計(jì)中通常使用95%的折減系數(shù)，這事實(shí)上是主機(jī)廠商的承諾保底值，如此考慮偏于保守且不能反映不同型號(hào)設(shè)備的技術(shù)水平差異。此外，對(duì)于某些地形復(fù)雜、測(cè)風(fēng)位置代表性不好或測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量欠佳的項(xiàng)目，現(xiàn)有方法難以反映這些特點(diǎn)，某些時(shí)候只能采用在折減系數(shù)上比經(jīng)驗(yàn)多扣除一些的權(quán)宜方式。

二、 歐美設(shè)計(jì)單位的方法

歐美設(shè)計(jì)單位普遍將影響發(fā)電量的因素作為“折減”和“不確定性”兩類分別考慮，折減因素與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院有著相似的意義，折減后的發(fā)電量稱為凈發(fā)電量，而一些不確定因素的累計(jì)則影響凈發(fā)電量的概率分布。以歐洲某設(shè)計(jì)單位為例，其折減包括尾流、可利用率、電氣效率、風(fēng)電機(jī)組性能、環(huán)境因素等，與國(guó)內(nèi)分類方法相差不多，依經(jīng)驗(yàn)其凈發(fā)電量通常為理論發(fā)電量的80%左右。而不確定性因素則包括測(cè)風(fēng)精度、長(zhǎng)年代表性、長(zhǎng)期風(fēng)能一致性、切變精度、尾流計(jì)算精度、折減系數(shù)估算精度等。Uncertainty Analysis in Wind Resource Assessment and Wind Energy Production Estimation（Matthew A. Lackner, Anthony L. Rogers, et al.）對(duì)不確定因素進(jìn)行了細(xì)致討論，指出不確定性可分為風(fēng)能資源不確定性和發(fā)電量估算不確定性兩大類：風(fēng)能資源不確定性包括風(fēng)速測(cè)量（校準(zhǔn)誤差、動(dòng)態(tài)誤差、垂直風(fēng)效應(yīng)、垂直湍流、塔影效應(yīng)、數(shù)據(jù)采集精度等）、長(zhǎng)年風(fēng)能資源估計(jì)的不確定性（長(zhǎng)年訂正相關(guān)性的不確定性、Weibull參數(shù)估計(jì)不確定性、長(zhǎng)年均值的變化）、風(fēng)能資源波動(dòng)（年際變化、風(fēng)電機(jī)組壽命周期與長(zhǎng)年均值的差異）、測(cè)風(fēng)塔位置及高度（地形效應(yīng)、切變效應(yīng)）等因素；發(fā)電量估算不確定性因素包括風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量差異、風(fēng)電機(jī)組功率曲線、尾流、空氣密度以及覆冰、雷擊等天氣因素。各不確定因素機(jī)理均存在差異，若一一建立模型則過(guò)于復(fù)雜，各設(shè)計(jì)單位傾向于假設(shè)各因素對(duì)發(fā)電量的影響均趨于正態(tài)分布，則各因素可疊加，成為總不確定比例。對(duì)于地形平坦、測(cè)風(fēng)設(shè)備裝設(shè)合適、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量高、氣候波動(dòng)不明顯的項(xiàng)目，總不確定比例可能低于10%，而對(duì)于相反的情況，總不確定比例可能明顯超出上述值。主要折減系數(shù)分類和主要不確定因素分類見(jiàn)表1和表2。

表1 主要折減系數(shù)分類表

表2 主要不確定因素分類表

發(fā)電量置信率的概念與計(jì)算方法

通過(guò)假設(shè)各不確定因素獨(dú)立地、以正態(tài)分布的形式影響發(fā)電量，則有如下公式：

其中， σi為單一不確定因素影響發(fā)電量的標(biāo)準(zhǔn)差，σ為發(fā)電量總的標(biāo)準(zhǔn)差； Enorm為折減后的凈發(fā)電量，Enet為考慮不確定因素后的發(fā)電量；f (Enet)表示發(fā)電量為Enet的概率；F(Enet)表示發(fā)電量大于等于Enet的概率。

引入置信率概念后，項(xiàng)目發(fā)電不再是單一數(shù)值，而是可以得到多個(gè)不同置信率水平下的發(fā)電量估算值。以貴州某項(xiàng)目為例，項(xiàng)目理論發(fā)電量小時(shí)數(shù)為2750h（這里為便于表述，用年等效發(fā)電小時(shí)數(shù)代表發(fā)電能力），考慮折減系數(shù)80%，凈發(fā)電量小時(shí)數(shù)為2200h；考慮不確定因素10%，從而形成如圖1所示的置信率曲線。

從圖1看到，在10%的不確定因素下，置信率P50發(fā)電小時(shí)數(shù)2200h，P75發(fā)電小時(shí)數(shù)2052h，P90發(fā)電小時(shí)數(shù)1918h；而按照國(guó)內(nèi)70%折減比例，則發(fā)電小時(shí)數(shù)估計(jì)值為1925h，與P90接近。

圖1 置信率曲線(橫坐標(biāo)為發(fā)電小時(shí)數(shù)、縱坐標(biāo)為置信率)

圖2 發(fā)電小時(shí)數(shù)對(duì)IRR的影響

假使項(xiàng)目不確定因素更多，在20%不確定因素下，置信率P50發(fā)電小時(shí)數(shù)2200h，P75發(fā)電小時(shí)數(shù)1903h，P90發(fā)電小時(shí)數(shù)1636h；國(guó)內(nèi)70%折減比例發(fā)電小時(shí)數(shù)仍為1925h，與P75小時(shí)數(shù)接近。可見(jiàn)若不單獨(dú)考慮不確定因素，對(duì)基本收益能力相當(dāng)?shù)L(fēng)險(xiǎn)因素相差較大的項(xiàng)目難以區(qū)分，可能對(duì)投資決策形成誤導(dǎo)。

發(fā)電量置信率對(duì)投資決策的影響

一、 發(fā)電小時(shí)數(shù)與項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的關(guān)系

目前項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(IRR)是開(kāi)發(fā)商用以評(píng)價(jià)項(xiàng)目?jī)?yōu)劣的重要參數(shù)，IRR是能夠反映項(xiàng)目實(shí)際收益率的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，對(duì)投資決策具有較好的指導(dǎo)性，在電價(jià)固定情況下，產(chǎn)能、投資額是影響指標(biāo)的最重要因素。從圖2中可以看到，項(xiàng)目發(fā)電小時(shí)數(shù)變化10%，IRR變化接近2%，對(duì)發(fā)電小時(shí)數(shù)的預(yù)估將直接影響決策結(jié)論。

二、案例1：測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整性較差的案例

某項(xiàng)目A因測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，在測(cè)風(fēng)年11月至次年1月出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)，經(jīng)分析，數(shù)據(jù)完整率只有81.44%。采用臨近測(cè)風(fēng)塔同期數(shù)據(jù)插補(bǔ)，相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù)0.8，則插補(bǔ)后直觀理解，20%風(fēng)速數(shù)據(jù)可能有20%的偏差，即風(fēng)速誤差百分比為4%，根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)能關(guān)系，風(fēng)能誤差百分比達(dá)到12%。假設(shè)項(xiàng)目其它不確定因素得到非常好的控制，總不確定系數(shù)為18%。作為參照，另一類似項(xiàng)目B數(shù)據(jù)完整率100%，不確定因素只有6%。測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整率見(jiàn)表3。

假設(shè)A、B兩項(xiàng)目其它情況基本相同：容量5萬(wàn)kW，動(dòng)態(tài)投資9000元/kW，含稅上網(wǎng)電價(jià)0.61元/kWh，理論發(fā)電小時(shí)數(shù)2750h，置信率P50（折減80%）小時(shí)數(shù)2200h，則項(xiàng)目不同置信率水平下的發(fā)電小時(shí)數(shù)和IRR見(jiàn)表4。

表3 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整率

表4 不同置信率水平下的發(fā)電小時(shí)數(shù)和IRR

若不考慮不確定因素，以70%總折減系數(shù)折，小時(shí)數(shù)1925h，IRR為8.21。用此標(biāo)準(zhǔn)衡量，兩個(gè)項(xiàng)目的投資收益水平是相同的，若以8%收益率標(biāo)準(zhǔn)作為同意投資的底線，則兩個(gè)項(xiàng)目均屬于邊緣型項(xiàng)目，但均可通過(guò)決策。而用置信率的方法來(lái)評(píng)價(jià)，項(xiàng)目A的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于項(xiàng)目B，特別是如果做謹(jǐn)慎的P90考慮，項(xiàng)目A的收益率下降到6.22%，而項(xiàng)目B收益率仍能達(dá)到9.08%，在資金有限的條件下，投資項(xiàng)目B是必然選擇。

三、 案例2：測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)代表年訂正誤差的案例

代表年訂正是風(fēng)能資源評(píng)估中重要且較為復(fù)雜的一環(huán)。某些時(shí)候長(zhǎng)年觀測(cè)氣象站與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，而由于沒(méi)有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，存在相關(guān)性較差仍進(jìn)行訂正的情況。假設(shè)項(xiàng)目C基本情況與B相同，且用相關(guān)性較差的氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行了代表年訂正（相關(guān)系數(shù)R=0.6），平均風(fēng)速向上訂正0.6m/s，推算得到風(fēng)速誤差可能到4%，風(fēng)能誤差可能到12.5%，則總不確定系數(shù)達(dá)到18.5%。不同置信率下等效小時(shí)和IRR分別為：P50下，2200h、IRR為10.43%；P75下，1925h、IRR為8.21%；P90下，1678h、IRR為6.08%。

若不考慮不確定因素，以70%總折減系數(shù)折，小時(shí)數(shù)1925h，IRR 8.21%，收益率高于8%，程序上可通過(guò)決策。但如果做謹(jǐn)慎的P90考慮，收益率下降到6.08%，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論

采用國(guó)內(nèi)固定折減，不單獨(dú)考慮不確定性的方法計(jì)算發(fā)電量可能使投資決策面臨兩難選擇，若為避免投資決策失誤，對(duì)于存在不確定因素的項(xiàng)目，加大折減系數(shù)會(huì)傾向于過(guò)低評(píng)價(jià)，正常對(duì)待則又難以反映風(fēng)險(xiǎn)。為解決上述矛盾，不妨在發(fā)電量測(cè)算中引入置信率，并建立針對(duì)多個(gè)置信水平下IRR的綜合評(píng)價(jià)體系，以P50判斷項(xiàng)目的基礎(chǔ)收益能力，以P75或P90判斷項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)水平。最簡(jiǎn)單的方式，假使設(shè)置P50下IRR達(dá)到10%和P90 IRR達(dá)到7%的雙層標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)上節(jié)案例中的項(xiàng)目可以給出綜合考慮基本收益預(yù)期與風(fēng)險(xiǎn)的更為公允的評(píng)價(jià)。

對(duì)不確定性的深入分析也可以為項(xiàng)目后續(xù)工作指明方向，對(duì)于暫不符合投資要求的項(xiàng)目，可以采用延長(zhǎng)測(cè)風(fēng)時(shí)間或加密測(cè)風(fēng)等手段降低不確定性后再行決策程序，降低風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于存在一定不確定性，但通過(guò)投資決策的項(xiàng)目，也能為后續(xù)設(shè)計(jì)工作作出風(fēng)險(xiǎn)防范的提示。

（作者單位：李偉：華能新能源股份有限公司；姚暉、王煥奇、王志群：中國(guó)華能集團(tuán)公司）