基于TOPSIS的海上风力发电机桩基础支架类型选择

乌云娜+李敏+许儒航

摘 要：风力发电，特别是海上风电，是清洁能源中最有前景的一种。在不断增加的水深处部署风力涡轮机的过程中，选择适当的基础支架结构是一个问题。文章通过多目标群决策方法TOPSIS（逼近理想解的排序方法）对海上风电桩基支架方案排序，制定出选择基准。参考一个功率5.5兆瓦，参考深度40米的风力涡轮机，从工程，经济和环境属性，比较单桩，三脚桩，导管架桩三种支护结构的应用，选出最优类型。

关键词：海上风电桩基；选择；TOPSIS

中图分类号：TM315 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0010-02

引言

纵观风电在世界的进一步发展，由于海上空间的不受限制，较低的社会影响和更良好的风资源条件，风能发展的兴趣逐渐移到海上。据文献[1]估计，相比于陆上发电，相同条件下海上风机可以多发出50%。虽然海上风能发电有许多优势，但是海上风电面临着高建设成本，特别是基础部分以及与岸上送电，并且由于海上与陆地的连接限制而引起操作和维护的困难。化石燃料储量的枯竭，化石燃料的价格上涨及其对气候变化的“贡献”等各种危机迫使世界很多国家使用可持续能源替代化石能源。中国的地理条件使其拥有最好的风力资源。为了要达到目标，可以通过有效举措如海上风力发电机组支撑结构的优化，使这个行业更加经济有效。

本文旨在从一个典型的水深40米处5.5mw风机支架入手，从三个最常用的支护结构通过多准则决策方法的分析方法进行优选。在多目标决策过程中，本文将从定量和定性指标的方面考虑，应用TOPSIS方法（逼近理想解的排序方法）对三种桩基支架方案进行优选评价。

1 TOPSIS方法

最优的决策是考虑到多个因素的。例如单桩结构支架经济性最好但是在增加生物多样性方面则是最坏的选择。多准则决策法能够在决策过程中考虑到多种因素条件下作出最好的选择，于是此法将被采用。在可持续能源决策过程中，由于社会经济以及生态影响的复杂性以及可持续目标的多维性，多准则决策分析方法被广泛运用。

TOPSIS方法是一种强大的综合评价方法，广泛应用于评价问题。在权衡不同种类的评价方法后，由于其基本原理与本研究最贴合，所以被选择。它的基本原理是最优选择应该距离负理想解最远，而距离正理想解最近。此方法将定性与定量的评价指标考虑在内并遵循所示的步骤顺序，确保实现客观的选择标准。

评价指标的规范化处理，公式如下：

xij：决策矩阵中排数I与列数J表述各属性的值

rij：归一化矩阵r中第i行第j列的元素

紧接着考虑到每个指标的相对重要性确定权重（wj），后

通过下式再进行赋权处理：

vij≡wj×rij

在获得加权归一化矩阵之后，正理想解PIS（A+）和负理想解NIS（A-）由下式决定：

最后计算各方案到正理想解与负理想解的距离，对各方案进行综合排序。

各方案与正理想解的接近度（C）的计算公式如下， C最接近于1的方案最佳。

2 目标分析

本文对海上风机基础结构支架进行研究，图1给出了不同基础结构支架的示意图研究范围为三种最常见的风机基础结构：单桩支架的设计很简单，它的基础是由管状结构延伸到海底，用在25米以内的水深处；三脚桩支架是由三根圆柱形钢管的三脚架结构，在水深25米至50米处适用；导管架桩是由四根圆柱形钢管组成的四脚架结构，与三角桩相似，也适用于在水深25米和50米。

本研究的目的是对最常用的三种桩基支架方案进行排序，这个问题有三个方案（m=3），九个目标（n=9）。所有的目标定义如下：

（1）人工礁石：越高越好，旨在代表为海洋生物提供加额外基质定植从而增加生物多样性，这种环境好处的大小是与各结构的总的表面积成比例。

（2）认证参数：积极的目标。它表明如果基础结构是否能用于海上风力发电机。如果已应用于海上风电场，则认证参数为1，如果没有应用于海上风电场，但是已经被注册用于近海石油和天然气行业，则认证参数为0.5，如果两者都没有，则认证参数为0。

（3）CO2排放：这是个消极的目标，即排放量高低反映在生产制造不同基础结构的过程中排放的CO2量，本文只考虑钢材的提取、制造、建设、运输过程中二氧化碳排放量、生产每公斤钢产生的二氧化碳排放量。

（4）深度兼容性：这是个消极的目标，代表各基础结构在40米水深处的兼容性。如果参考水深为40米以内，则得分为1；如果参考水深扩展范围在40米以内，最低参考值*0.75-最大参考值×1.25，则得分为2，如果参考水深的扩展范围超过40米，则得分为3。

（5）最大位移：这是个消极的目标，表示外力作用下阻抗结构产生的侧向位移。

（7）耐久性：这是个积极的目标，与抵抗老化的能力有关。从相关文献得出，取决于结构暴露的腐蚀面积与结构的疲劳消耗，耐久性评分标准从1到5。

（8）净现值：这是个积极的经济评价目标，表示不同基础结构的海上风电场产生的经济效益，经济评价的目的是研究特定假设下建设一个新的海上风电场的经济效率。净现值是将全寿命期的总成本转化为现值。未来T年内收入与费用的现值以折現率i用如下计算公式计算：

PV（Xt）=Xt[（1+t）-t]

（9）最大凡米塞斯应力：这是一种消极的目标，用来对不同基础结构支架的适用性进行选择，因为它涉及到材料的韧-脆转变。

权重直接影响到决策的结果，而权重是由专家的实际工作经验得出，因此，专家的工作经验越丰富，结果就越客观。权重将根据克兰菲尔德岸可再生能源集团的该领域专家的经验制定。通过问卷调查决定各个目标的相对重要性。在利克特量表中，专家根据对问卷中的概念陈述给出同意或不同意的程度，使用5分里克特量表进行打分。本文对里克特量表的分数等级进行优化，1分表示非常不重要，2分表示不重要，3分表示比较重要，4分表示重要，到5分表示非常重要。

3 应用

从每种基础支架类型与正理想解的接近度的计算得出，三脚桩支架（0.61）最优，优于单桩支架（0.44）和导管桩支架（0.55）。为了进一步分析，本文对权重大小作了敏感性分析，分析显示出经验对于权重分配的重要作用。一组新的权重将会改变接近程度值从而改变综合排序结果，三脚桩基础与导管架基础接近程度值都为（0.58）排名相同，但是单桩结构得分（0.40）依旧排在第三名。

4 结束语

除了直接成本还考虑到其他目标，并综合本研究的结果，说明在既定假设下，总体上三脚桩支架结构是最优的选择。这很合理，因为虽然单桩支架最经济对环境的伤害也最小，但是相对于单桩三脚桩遭遇到的波共振更少。本文不仅考虑到地基结构的内部影响和环境操作荷载，还将工程经济环境目标考虑在内，TOPSIS法的应用为不同海上风机基础支架类型的优选提供了最客观的准则。敏感性分析着重分析了TOPSIS法中权重，证明了不同目标权重大小对总分的影响，增加了选择排序水平的客观性。

本研究未来的工作，应该研究水深以及不同环境条件和其他目标对最佳海上风力发电机基础支架类型选择的影响。最后，定性目标的归一定量化也有利于决策结果更加明智。

参考文献：

[1]Díaz G.， Moreno B.， Coto J.， Gómez-Aleixandre J. Valuation of wind power distributed generation by using Longstaff-Schwartz option pricing method[J].Applied Energy，2015，145： 223-233.

[2]Kim K. T.， Lee D. J.， Park S. J. Evaluation of R&D investments in wind power in Korea using real option[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2014，40（40）：335-347.endprint