中國近海風電開發氣候知識之二 臺風與海上風電開發

（作者單位：張秀芝：國家氣候中心；張容焱：福建省氣候中心）

我國沿海及近海區域是風能資源豐富區，也是我國電力負荷中心，同時也是西北太平洋熱帶氣旋影響或者嚴重影響的地區。目前國內風電機組設計和認證的主要依據是IEC 61400-1和GL Guideline for the Certification of Wind Turbines，它們基本以歐洲氣候條件為基礎，對臺風風況的定義很簡單。盡管近些年主流機組在不斷地嘗試抗臺風設計、制造和控制系統，但仍相繼有2003年13號臺風“杜鵑”、2006年1號臺風“珍珠”、2006年8號臺風“桑美”、2010年13號臺風“鯰魚”、2013年19號臺風“天兔”和2014年9號臺風“威馬遜”，分別造成了廣東、浙江、福建和海南等地沿海風電場風電機組嚴重損毀。

任何事物都具有兩面性，熱帶氣旋對風力發電也有其有利的一面，強度較弱的熱帶氣旋(如熱帶風暴量級)以及較強的熱帶氣旋的外圍環流，可以給風電場帶來較長的“滿發”時段，關鍵是風電場管理人員如何利用臺風的基本規律和信息，趨利避害。本文重點介紹針對近海風電開發的臺風基本特點以及臺風影響海域的風電場臺風專項分析應關注的問題。

影響中國近海的臺風概況

一、熱帶氣旋定義及等級

生成于熱帶或副熱帶洋面上，具有有組織的對流和氣旋性環流的非鋒面性渦旋的統稱，包括熱帶低壓（10.8～17.1m/s,風力6～7 級）、熱帶風暴（17.2～24.4m/s,風力8～9級）、強熱帶風暴（24.5～32.6m/s,風力10～11 級）、臺風 （32.7～41.4m/s，風力12～13 級）、強臺風（41.5～50.9m/s，風力14～15 級）和超強臺風（風速≥51m/s，風力16級或以上）。

二、統計特征

1949—2016年登陸中國大陸的熱帶氣旋達到熱帶風暴強度及以上492個，以登陸前6小時強度判斷其對近海風電場的影響程度，超強臺風6個，強臺風46個，臺風156個（32.5～37.4m/s,102個，37.5～41.4m/s，54個），強熱帶風暴147個，熱帶風暴137個?？梢钥吹剑瑹釒эL暴和強熱帶風暴占58%，臺風占32%，破壞力很強的強臺風和超強臺風只占10.6%。

如果按照風電機組安全等級標準劃分的話，25.0～37.4m/s為249個，37.5～42.4m/s為60個，42.5～50.0m/s為40個，大于50m/s為6個。也就是說，在中國近海熱帶氣旋達到IEC II類的占12%，IEC I類的占8%，超IEC I類的占1.2%。

三、路徑特征

圖1為1949—2016年進入24小時警戒線達到臺風強度的頻數分布圖，影響中國近海的臺風由西北太平洋生成后，向西北方向移動，一部分穿過菲律賓和巴士海峽進入南海，分別移向海南、粵西、粵東（個別進入臺灣海峽登陸閩南），6個超強臺風中有4個屬于該路徑。圖2-1為2014年“威馬遜”臺風損壞的風電機組，臺風一部分穿過臺灣島進入臺灣海峽在登陸福建，登陸臺灣時強度很大，進入臺灣海峽強度大減；一部分在臺灣附近海域西北登陸浙江，6個超強臺風中有2個為該路徑。圖2-2為2006年“桑美”臺風破壞的風電場，臺風的一小部分直接由東海、黃海北上在上海、江蘇、山東登陸。

海上風電場臺風專項分析

臺風影響海域的風電場，臺風專項分析是設計院、開發商、整機商和風電場運維的重要依據。應包括（但不限于）以下幾個方面：

一、影響風電場臺風概況分析

風電場區域向外100公里半徑范圍歷史上出現的熱帶氣旋，分析不同級別熱帶氣旋出現頻率、路徑特征、季節變化、年際變化，以及大風、大浪災害。

二、臺風期間風速、風向變化分析

GL Renewables Certification規定臺風風況下 180°/ 30 min，實際上一個標準的臺風風況變化大致分三個階段：1.當臺風中心到達之前風速快速加強并達到最大，風向相對穩定；2.臺風中心經過時風速急速減小，臺風眼過后再急速增大，即所謂的風速雙峰型，這期間風向則變化極快，也就是所謂的180°/ 30 min（如圖3-1）；3.臺風中心過后風速逐漸減小，風向趨于穩定。然而，由于臺風強度、大小、移動速度以及環境流場、地形等差異，像圖3-1的標準風況很少被觀測到，如圖3-2臺風眼過后第2個風速峰值就小了很多，但風向的變化是相同的。統計分析結果表明，位于臺風中心及臺風中心附近的觀測點，風向前后變化一般在120～200°之間。

圖1 1949-2016年進入24小時警戒線達到臺風及以上強度頻數圖

圖2 遭受風破壞的風電機組現場圖

圖3 測風塔位于臺風的不同方位時，風向變化情況

另外，臺風行進方向的右前方風速最大，左后方風速相對小一些，觀測點位于臺風中心的不同方位，風向的變化也是不同的，如圖3所示，若測風塔位于臺風移動方向的右側，風向呈順時針變化；若測風塔位于臺風移動方向的左側，風向呈逆時針變化，與臺風移動方向和登陸區域無關。風電場運行人員根據臺風預報和測風塔的風向、風速和氣壓的變化，可判斷風電場處于臺風的什么方位，處于臺風影響的哪個階段，從而采取相應的應對措施。

三、臺風風特性分析

目前海上風電場機組招標一般帶方案投標，至少需要臺風影響下的湍流、風切變、陣風系數，如果有三維脈動觀測資料，則分析入流角，縱向、橫向、垂向湍流標準差的關系，以及湍流譜。國內風電場觀測期一般1～2年，觀測期間觀測到的臺風可能強度不大或臺風外圍，甚至沒觀測到臺風?？梢詮V泛收集其他海域臺風影響下的觀測資料，根據本海域不同級別熱帶氣旋頻率情況，間接地獲得風電場的風特性參數。

四、極端風速持續時間分析

臺風影響嚴重的海上風電場一般需要配備用電源。應做到以下幾點：1.掌握當地電網抗風等級，包括設計標準和臺風破壞輸電線路實例風速；2.超出電網抗風能力的大風持續小時數，可通過分析實測數據和經過風電場及輸電線路的臺風中心最大風速兩種途徑獲得，以此確定備用電源合理的容量和支撐時間。

五、臺風影響下的50年一遇最大風速計算

由于沿海氣象站城市發展很快，氣象站與風電場的大風相關性往往較差，可以根據影響風電場的臺風大風，使用Poisson-Gumbel 聯合極值概率分布計算海域50年一遇最大風速，以互相驗證計算結果。