張家川風電場覆冰環境制約機理研究

文 | 董海萍，陳宇升，董建兵，丁瀅

隨著風能產業在世界范圍內的迅速發展，風電場因機組覆冰停機所造成的發電量損失也日益凸顯。低溫冰凍對風電場的影響主要表現在風電機組、集電線路、設備和道路上。比如，覆冰使得葉片質量分布不均，葉片結構和形狀發生改變、負載增大，風電機組機翼的空氣動力損失增大；覆冰使得導線產生張力差，導線電氣間隙減小，導致閃絡發生；低溫條件會使風電機組中潤滑油的流動性降低，液壓系統無法正常工作，齒輪箱系統和偏航系統內部運行阻力增大等。國外非常重視葉片覆冰問題的試驗研究，在風洞中進行了大量針對葉片或者翼型的覆冰試驗，研究了不同氣象條件下的覆冰類型、覆冰強度、覆冰對翼型氣動特性的影響和防覆冰方法。由于我國風電發展時間較短，試驗設備尚不完善，尤其缺乏對葉片覆冰進行物理模擬的風洞實驗室，因而國內有關風電機組葉片覆冰的試驗研究成果較少。

眾所周知，風電場大多坐落于高原、山脊、山頂等高海拔寒冷地區和風能資源豐富的高緯度地區。如中國的“三北”（東北、西北、華北）地區是風能儲量最多，但同時也是冷空氣入侵最多的區域。其中，西北地區由于遠離海洋，屬于大陸溫帶氣候，干旱少雨。一般認為該地區冬季雖寒冷，但由于水汽不足不會發生覆冰現象。但從近年來風電場實際運行狀況可知，某些地區受局地小氣候影響，濕度較大，往往是覆冰高發區。

甘肅張家川風電場自投運以來，冬半年覆冰較為嚴重，已是造成發電量損失最大的因素。本文主要從地理和氣象環境分析成因，揭示該風電場冬半年冰凍的環境機制，并通過覆冰發生時溫度和濕度的相關關系建立覆冰模型，為評估覆冰環境和避免類似現象的發生提供可循經驗。

風電場地理環境特征

張家川風電場位于甘肅省張家川回族自治縣東北方向的山脊上，海拔高度約2500m。風電場自2016年6月投運以來，每年約10月初開始發生覆冰，一直持續至第二年3月才基本結束，覆冰周期長且嚴重（圖1），由此給風電場造成較嚴重的發電量損失。

風電場覆冰的發生與其所處的地理位置和地形、地貌是密不可分的。張家川回族自治縣雖然位于我國西北，遠離海洋，但卻是東南、西南季風交互影響的邊緣地帶，獨特的地理環境形成了冬季濕潤的氣候特點。

由項目所在地及其周邊地形高度（圖2）可知，張家川風電場位于六盤山向南延伸的山脊上。風電場北部為地勢較高的黃土高原，西側為青藏高原的西北延伸區域，只有南側為地勢較低的區域，且有東-西向的渭河流域，沿著渭河河谷向東延伸，故張家川為西、北、東三面地勢較高，南部地勢略低且有峽谷的地形地貌。

冬半年，從西北向東南移動的北部干冷空氣，由于受到六盤山和北部地勢較高黃土高原的阻擋，其一般沿著六盤山的東側地勢較低處向南或向東移動；北上的東南部暖濕氣流，會受到北部隴山阻擋而蓄積在地勢相對較低處，且部分暖濕氣流沿著渭河河谷向西侵入，使張家川局部地區的濕度增加；西南暖濕氣流也可沿著嘉陵江北上，進入渭河以北地區。此外，渭河本身也使張家川局部地區的濕度增加，由此形成該地冬半年濕潤的環境特征。

張家川冬半年霧的形成和持續是冰凍嚴重的最顯著表現。當白天溫度上升時，空氣中可容納較多的水汽。隨著夜間溫度下降，空氣容納水汽的能力隨之降低，部分水汽凝結成霧。特別是在秋、冬、春季節，由于夜間時間長，地面散熱較夏季更迅速，使得近地面空氣中的水汽達到飽和而凝結成小水珠，形成霧。張家川風電場的冬半年濕度較大，隨著氣溫逐漸降低，空氣中的水汽凝結，使得該風電場冬半年（特別是在晚間）大多處于云霧籠罩中，致使覆冰持續發生，造成嚴重的發電量損失。

風電場氣象環境特征

眾所周知，冰凍現象發生在一定的環境條件下，特別是與濕度、溫度、風速和天氣狀況密切相關。由于沒有針對張家川風電場環境濕度的觀測資料，故本文通過對其周邊—位于項目西南的張家川縣城氣象站的長年觀測資料進行分析，進而探尋冬半年發生嚴重冰凍現象的成因機制。該氣象站與風電場相距約15km，海拔高度差約450～650m，基本能反映風電場的環境特征變化。

一、溫度和濕度變化特征

從張家川近5年溫度和濕度的關聯度，以及高濕和低溫天數的逐月統計數據（圖3-圖5）可看到，冬半年非常有利于冰凍發生。

由圖3可知，張家川全年平均濕度都保持在較高的數值（除春季約為56%外，其余月平均濕度都在60%以上）：進入春季后，濕度降低幅度較大，其中，4月最小，平均為55.3%；進入秋季后，濕度逐漸增加，9-11月的平均濕度可達70%以上，其中，10月的濕度最大，平均為75%。與此同時，逐月平均溫度呈正常的季節波動，7月的平均溫度最高，為21.7°C；1月的平均溫度最低，為-3.1°C；10月至次年2月，濕度較大而溫度較低，有利于冰凍發生。

由圖4可知，該地區的溫度和濕度在一天中隨時間的演變呈反向關系，即隨著溫度降低，濕度呈增加趨勢。濕度和溫度約在8-9時分別達到一天中的最大值及最小值，而約在16時分別達到一天中的最小值及最大值。隨著傍晚臨近，濕度增加而溫度降低，約在20時濕度增大至60%以上，溫度下降至-1°C以下；約在24時后，濕度增大至70%以上，溫度下降至-4°C以下，非常利于冰凍產生。這與張家川風電場在冬半年期間，隨著夜晚臨近，云霧逐漸加重的天氣狀況相一致。

由圖5可知，在每年的10月，高濕度天數達到最大值，環境平均濕度大于70%、80%和90%的天數分別為30天、28天和21天。與此同時，溫度低于2°C和0°C的天數分別為6天和3天。由此可知，張家川自10月開始，就有冰凍現象發生，即年冰凍發生時間較早。進入冬季（11月、12月和1月）后，高濕和低溫天數都保持較高數值。11月濕度大于70%、80%和90%的天數分別為28天、25天和17天，溫度低于2°C、0°C的天數分別為20天和16天；12月濕度大于70%、80%和90%的天數分別為29天、22天和10天，溫度低于2°C、0°C的天數分別為30天和29天；1月濕度大于70%、80%和90%的天數分別為26天、19天和5天，溫度低于2°C、0°C的天數分別為31天和30天。2月和3月也有一定天數的高濕和低溫天氣。由此可見，自10月至次年3月，特別是12月至次年1月是冰凍的高發期，隨著溫度上升，至4月冰凍基本結束。

表1 2016-2019年冬半年出霧天數和風電場因冰凍損失的發電量

表2 覆冰較大概率發生時溫度和濕度的對應關系

二、風速與出霧天數變化特征

從張家川氣象站近5年大于3m/s以上的風速（10m高度）占比逐月演變趨勢（圖6）可看到，大于3m/s以上的風速在春季占比較高。其中，5月出現該風速的概率最大，約占整月風速段的22%，其次是4月和3月；12月出現大于3m/s以上風速的概率最小，約為8%，其次是11月，即總體上冬季風速較小，春季風速較大。風速較小有利于霧氣產生并持續下去，這也是張家川冬季濕度較大、云霧天氣多發的原因之一。

從張家川氣象站近5年逐月平均出霧天數（圖7）可看到，冬半年出霧天數明顯大于夏半年，特別是11月、12月和1月，霧天概率較大；每年自9月開始，霧天逐漸增多，12月達到最大值—半月以上都為霧天。從風電場2016-2019年冬半年（1月、2月、11月、12月）出霧天數和風電場因冰凍損失發電量的對比關系（表1）可看到，每年風電場因冰凍損失的發電量與冬半年出霧天數有較好的一致性，說明霧天多、濕度大是導致張家川風電場冬季冰凍的直接原因。

覆冰評估及措施

一、覆冰模型建立

產生覆冰的環境條件是比較復雜的，除與溫度和濕度密切相關外，還與風速和當時的天氣現象有關。我國覆冰類型主要分為云霧型和降水型，云霧型覆冰一般發生在低溫且濕度較高的情況下，風速較小；降水型覆冰一般發生在凍雨或濕雪等較強烈的天氣過程中，風速變化范圍較大。從上述風速與霧天變化特征可知，張家川屬于云霧型覆冰。

通過分析機組因覆冰停機的數據可知，當覆冰發生時，溫度和濕度一般滿足一定的相關關系。表2為張家川風電場較大概率發生覆冰時溫度和濕度的對應值，建立合適的回歸方程對二者的關系進行描述：Y=95.069×exp(0.0198X)，其中Y為濕度，X為溫度。可根據該關系式預判風電場覆冰發生的時間節點和概率。

二、應對措施探討

對于覆冰較為嚴重的風電場，采用為葉片加裝電阻絲的加熱除冰模式是解決冬季覆冰的方案之一，但這也會增加雷擊事故的發生概率。在張家川地區，夏季由于西南和東南暖濕氣流的影響，北部800～2000m的隴山阻擋了東來的水汽，使張家川獲得相對較多的降水，不穩定天氣也時有發生。近5年張家川每年都有雷電發生（一般集中在6、7、8三個月，且最早在4月底、最晚在10月初也有雷電現象的發生），故采用在葉片上加裝電阻絲的加熱除冰方式在此地不適用。

由圖6可知，風速最大的是春季，其次為夏季，冬季風速最小，故可多利用風速較大的春季和夏季發電，以減少冬季冰凍所造成的全年發電量損失。

結論

通過對覆冰較為嚴重的張家川風電場的地理環境和氣象環境進行分析，并建立覆冰模型以及探討覆冰的解決措施可知：

（1） 張家川地區為西、北、東三面地勢較高，南部地勢略低且有峽谷的地形地貌，東南和西南暖濕氣流北上，以及渭河流域的存在，都為該地區冬半年濕潤的環境特征提供有利條件。

（2） 張家川地區全年濕度呈現冬半年大于夏半年，且在一天中溫度和濕度隨時間演變呈反向關系特征，冬季夜晚是覆冰的高發期。

（3） 張家川風電場因覆冰損失的發電量與冬半年出霧天數有較好的一致性，說明霧天多、濕度大是導致風電場冬季覆冰的直接原因。

（4） 風電場覆冰發生時溫度和濕度有較好的對應關系，可通過溫度和濕度的關系式預判覆冰發生的時間節點和概率。

（5） 由于每年4-10月都有雷電發生，故不宜采用葉片加熱的除冰方式，但可盡量多地利用風速較大的春季和夏季發電，以減少冬季冰凍所造成的全年發電量損失。