冬季氣象災害對風電場的影響綜述

馬星辰

摘 要：在資源約束趨緊、環境污染嚴重的嚴峻形勢下，風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。隨著風電場的大量興建，風電機組的安全運行問題也備受人們的關注[1]。在影響風電場安全運行的諸多因素中，冬季氣象災害對機組的危害是一個不容忽視的問題。

文章結合我國風能資源分布及冬季氣候特點，分析了低溫，結冰等典型冬季氣象災害對風電場的影響，然后根據相關研究現狀，提出了包含優化評估在內的幾種應對解決方案。

0引言

我國風能資源主要分布在華東、華北、東南地區。目前全國約 75%左右的風機裝機容量在“三北”（東北、華北、西北）地區[2]。這些地區冬季氣候相對寒冷，降雪頻繁，又由于風電場及輸電線路普遍設置在空曠的自然環境中，低溫、結冰，暴雪等冬季災害性天氣都會對風電場及電網安全造成影響，使風電設備遭到損壞，甚至沖擊電網的線路安全。為此，開展氣候變化背景下冬季氣象災害對我國風電場的影響分析，提出防御對策與建議，對提高我國風電場防御氣象災害的能力、有效保障風電場安全運行起到積極的作用。

1冬季氣象災害對風電場的影響分析

1.1低溫

寒潮天氣出現時帶來的大風天氣過程也是豐富的風資源，但隨之而來的冬季低溫也都會給風電場造成一定的影響。我國的低溫災害主要分布在東部地區和北部地區，且北部地區尤為嚴重，這些地區風能資源較豐富，但是冬季寒潮入侵時氣溫較低，對風機影響較大，低溫成為影響風電場安全穩定運行的因素之一。

低溫時空氣密度增大，導致風電機組特別是失速型風電機組的額定輸出轉矩增加，出現過載現象；同時也會引起風輪葉片產生空氣彈性振動，導致葉片后緣結構失效[3]而產生裂紋，因為葉片失速后氣動阻尼會變為負值而結構阻尼會下降[4] [5]。研究表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限都隨溫度的降低而提高，因此在風機設計中，一般當環境溫度低于30℃時，風機將自動停機。

此外，風電機組所使用的潤滑油受溫度的影響也較大，因為：溫度越低，油的黏度越大，其流動性變差，需要潤滑的部位可能得不到充分的油量供應，從而危及設備的安全。就好比人體流淌著血液，油液之于風機也是如此，風力機的運作離不開油液的潤滑，低溫造成的油量供應不足等問題確實亟待解決。

1.2覆冰

覆冰是指地面樹木、設施等物體表面產生的結冰現象，是雨凇、霧凇及二者混合體凝附或濕雪凍結在物體上形成的。就全國范圍而言，覆冰的季節變化比較一致，一般秋季開始出現，冬季最頻繁也最為嚴重，春季逐漸減少，3、4 月相繼結束。在東北，春初短時季節氣候變化頻繁、溫差幅度較大，處于臨界狀態的雨雪、霧、露遇到低溫的設備體和金屬結構體表面時會結冰。

對于風電場來說，覆冰是不容忽視的氣象災害，當風機葉片表面大量覆冰時，由于冰載荷的不平衡而增加機組零部件的疲勞[4] [5]，當葉片上冰的厚度較大時，冰塊會脫落，可能帶來意外傷害和損壞，同時使粗糙度增大，從而降低機翼的氣動性，影響機組的正常運行；由于覆冰厚度不一，使葉片原有的翼型改變，造成風機的發電功率降低[6]；風機常規測風儀中的風杯被結成冰球，可導致測風數據不準，影響風機正常發電；風向出現偏差會影響風機主動偏航。

另外，輸電線路覆冰，會因電線增加負重甚至導致電線斷裂，影響電力的輸送。文獻[7]對上述問題進行了分析和探討結冰對能量損失的影響見表1。

類似的氣象問題，如暴雪天氣，其本質是降水，只不過是降雪晶體和其聚合物雪團。暴雪是指24h降雪量（融化成水）超過10mm的降雪。和葉片覆冰一樣，雪載荷的存在也會增加機組零部件的疲勞程度，可能帶來意外傷害和損壞，影響機組正常運行。

2研究現狀

目前，國內外的相關的研究僅限于從定性的角度分析風電場開發的自然災害風險。

國外對于低溫結冰對風電場的影響主要是針對監測手段、除冰和抗冰設備等進行研究（Clausen，2003；Clausen，2007；Hochart，2008）。如：如何來判斷葉片是否結冰、冰的厚度等，并取得了一些成績，但尚未研制出一種行之有效的傳感器；而國內則注重低溫結冰對于風電機組影響的探討，在低溫天氣下，空氣密度增大，風電機在同風速下的輸出功率增大，控制系統如處理不當，容易出現超發甚至超負荷的情況（張健等，2008；孫鵬，2008；張禮達和張彥南，2009）。

3解決辦法

3.1優化評估

國內外關于風電開發、災害風險評估研究己取得了一定的進展，但還存在一些亟待開展研究的科學問題，比如：從災害風險評估模型方法來看，大多針對單一災種以概率統計為基礎的指標體系靜態評估，而對多災種復合的自然災害動態風險評估研究較少，為數很少的幾篇文獻簡單提及自然災害綜合風險評估可以采取單災種風險疊加的方法，有待進一步深入探討等。

可以通過分析我國主要冬季氣象災害特征，揭示風電場開發的主要氣象災害影響，將層次分析法應用于風電場的冬季氣象災害風險評估[8]，建立主要冬季氣象災害對我國風電場風險性評價模型，評估得到我國各區域建風電場所承受的綜合氣象災害風險大小，提出預防措施，為我國風電場開發與管理提供參考.

3.2低溫和覆冰、雪問題

針對低溫和覆冰問題對風電機組產生的不利影響，可以采取以下方法來加以解決：① 利用特殊的阻尼材料來提高復合材料葉片的結構阻尼；②改變翼型局部形狀來改變翼型的氣動性能；③ 在葉片內部安裝阻尼器和減振器來降低葉片的振動；④ 安裝局部加熱系統 （如葉片、齒輪箱、發電機、控制柜等加熱系統），其中葉片加熱系統可以在葉片表面附近加入碳纖維成分來達到目的；⑤研制一種能除冰、抗冰的裝置[9]；⑥在盡可能靠近葉片尖端部位安裝先進的傳感器來對葉片結冰情況進行監測分析，并采取相應措施 （如在葉片內部通入熱的空氣） 來使冰融化等[10]。應從提高風力機用材料的性能著手，進行技術上的改進， 而不僅僅停留在對國外機組的簡單改進層面上。另外，要盡快研究適用于低溫環境條件的風電機組技術標準和設計規范，從設計的源頭做起，降低技術風險。

4 結論

本文對冬季幾種典型氣象災害對風電機組的影響進行了分析總結，并給出了相應的解決措施；但由于氣候條件的多變性、隨機性，還有很多挑戰性問題的工作需要業內人士探討。

總之，冬季氣象災害，如低溫，覆冰，暴雪均會影響風電場的安全，在風電場選址和可行性研究中要予以充分的關注，在風電場的運行過程中要有完備的防范措施，以免帶來不必要的經濟損失。

參考文獻：

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[12] Hong Jia， Bo Zhou，Guangbing Liu， Based on the risk model advantage of Analytic Hierarchy Process（AHP） analysis[J]. Journal of Southwest Jiaotong university，2009，44（1）：72-76