風電產能關鍵氣象指標研究
——以甘肅省環縣為例

宋亞男，王有恒，張天峰，周忠文，李巧霞，王 娟

1甘肅省環縣氣象局甘肅環縣

2甘肅省氣象局

3慶陽市氣象局

風電場發電機組處于野外自然環境下，風資源大小會受到地形地貌影響，尤其是受到微地形影響[1-2]。當遭遇惡劣天氣及其引發的次生災害性天氣影響時，風電場安全運行有可能受到威脅，甚至引發財產損失。經國內外專家研究，影響風電場正常運行的高影響天氣主要有極端低溫、積冰、雷電、沙塵暴[3-5]等。2021年2月25—26日甘肅環縣西部出現較為嚴重的雨雪冰凍天氣，致使330kV毛井風電場送出線路、35kV毛井-虎洞、35kV毛井-小南溝輸電線線路發生導線結冰跳閘事故，10kV線路倒塔（桿）、斷線100余基，這是繼1964、1996年、2006年、2014年電線結冰后，又一次較為嚴重的線路事故。環縣西部如此高頻度的電線結冰事故，不僅與當時的天氣條件有關，還與其特殊的地理位置、地形地貌、大氣環流有關。因此，分析環縣境內的地理環境特點，研究影響環境風電產能的氣象因素，獲得關鍵氣象指標，對風電場的氣象災害防御及安全管理尤為重要。

1 地形特征

環縣位于甘肅東部，屬隴東黃土高原丘陵溝壑區，90%以上面積為黃土覆蓋，總體呈西北高東南低的地形地勢,丘陵起伏、溝壑縱橫，海拔最高點為2 089 m毛井馬家大山，最低點為1 136 m曲子五里橋。其中，環縣西部多梁、峁、溝谷和壟板，地形的跌宕起伏變化有利于氣流的分流、擴散與匯聚，導致山區覆冰、雷擊等氣象災害發生。

2 氣象影響分析

2.1 氣象條件分析

環縣隸屬溫帶大陸性半干旱氣候，常年平均氣溫9.2℃，無霜期為200 d，年平均日照時數為2 600 h，常年平均降水量約300 mm，降水時空分布不均，由東南的天池、演武向西北的甜水、山城逐漸減少，年蒸發量高達2 000㎜。

2.2.1 年變化

分析環縣2012—2021年逐年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和降水量年際變化趨勢（圖1）可知，氣溫分布年際變化比較穩定，總體呈現升高趨勢，平均氣溫在8.84～10.31 ℃，每年升溫0.05 ℃；平均最高氣溫在15.78～17.98 ℃，每年升溫0.1 ℃；平均最低氣溫在3.53～5.75 ℃，每年升溫0.01 ℃。年降水量總體呈現M形，最多年份降水量出現在2013年，為674.5 mm，其次出現在2018年，為651 mm；最少降水年份出現在2016年，為319.2 mm，其次出現在2015年，為357.6 mm。由圖2可以看出，10 m高速的2 min平均風速在1.85～2.19 m/s,年際變化波動稍大，總體呈現W形，大風年主要出現在2016年、2015年、2012年和2017—2018年，都超過2.1 m/s。

圖2 環縣2012—2021年2分鐘10米高度平均風速年際變化圖

2.1.2 月變化

分析環縣2012-2021年逐月平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫月際變化趨勢（圖3）可知，三者變化趨勢總體是一致的，先升高再降低，7月達到最高，平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫分別是23.23℃、29.76℃和17.9℃。1月份氣溫達到最低，分別為-5.01℃、2.85℃和10.97℃。分析圖4逐月降水量和2 min平均風速的月際變化圖，降水量主要出現在7—9月，占全年降水量的60%；11月—翌年3月，降水量偏少，月降水量都在12 mm以下，占全年降水量的6.8%。月2 min平均風速隨著月份變化呈現先升后降再升高的趨勢，5月份風資源最豐富，達到2.3m/s；10月份風資源最弱，降低到1.7m/s。

圖3 環縣2012-2021年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫月際變化圖

圖4 環縣2012—2021年降水量和2分鐘10米高度平均風速月際變化圖

2.2 大氣環流分析

秋季到冬季過渡期為大氣環流系統調整時段，西風帶南下，西南季風與東南季風逐漸減弱，陜、甘、寧交匯區呈現偏北氣流與偏南氣流的對峙擺動。此時，東面水汽仍較充足，暖濕空氣順著山體抬升；而高空西風逐漸加強，并夾帶偏北較冷空氣，風速大，降溫快，當暖濕氣流上升到一定高度時，遇冷迅速凝結，以雨雪等形式降落。高空冷空氣逐漸下降，與抬升的暖濕空氣相遇產生雨雪天氣，當空氣溫度、濕度適當，即會出現電線結冰現象。

當深冬到來，極地干冷空氣不斷南下，以偏北干冷空氣為主，導致陜、甘、寧交匯區濕度大幅度降低，同時因為東南季風退卻，缺少水汽補充。只有當高空脊處于高原東側至貝加爾湖一帶，高原小槽活動較強、孟加拉灣槽較深時，致使槽前偏南氣流強盛，脊中的負渦度平流使西南暖濕氣流因流場填充而沿青藏高原東南側與秦巴山系西側通道對環縣西北高山區有所補充。因此，這段時期環縣西北高山區覆冰相對較少。

冬季到春季過渡時，大氣環流系統較不穩定，北方冷空氣與高原小槽活動頻繁，對陜、甘、寧交匯區的影響較大，冷暖交匯頻繁，有利于覆冰的形成。但此時系統調整快，也有利于覆冰的消融，因此該時段導線覆冰維持時間相對較短、尺寸量級一般較小。

3 風電產能影響分析

3.1 災害統計

統計2015—2021年因天氣原因造成的環縣風電線路故障表可知（表1），雷擊和冰害是環縣主要影響的氣象災害，其中雷擊發生14次，主要出現在4—8月；冰害出現6次，包括導線覆冰和舞動，主要出現在10月、12月—翌年2月。雷電發生的頻次雖然高，但造成的停運時間和損失電量相對較小；冰害發生較少，但影響非常嚴重，尤其是2021年2月26日舞動引發線路跳閘故障，造成停運時間94.5 h、電量損失874.12萬kW·h。

表1 2015—2021年環境氣象災害引發的風電故障統計表

3.2 影響指標

2021年2月24 —27日，我國西北部有一次明顯的冷空氣活動，環縣縣城24日出現8.7 mm降水，但縣城海拔1 255.6 m，相對較低，最低溫度0.9℃，降水相態為雨、雪，平均相對濕度84.5%；25—26日，沒有明顯降水，伴有輕霧，平均相對濕度維持在82.8%以上。分析毛井木I線附近海拔高度1 722.2 m的毛井自動氣象觀測站（表2）觀測資料來看，24—25日，最低氣溫在0 ℃以上，且相對濕度偏低，尚未出現降水；25日夜晚至26日上午，最低氣溫將至-3.2 ℃，最高氣溫為1.4 ℃，最小相對濕度為86%，平均風速5.8 m/s,極大風速12.6 m/s,并伴有大霧、小雪天氣，從而引發了此次雨雪冰凍過程。

表2 2021年2月24—26日環縣氣象觀測站與毛井自動氣象站氣象要素統計表

通過現場實地調查發現，覆冰分布從海拔1 650 m的成冰地帶開始向上，海拔越高越嚴重，倒塔、斷線多發生在海拔1 850 m以上的地段；現場測得覆冰直徑10～12 cm，再根據輸電線路勘測技術規程中的調查冰厚向標準冰厚的換算公式，標準冰厚在14.8～ 16.5 mm。

4 結論

（1）環縣平均風速在1.85～2.19 m/s,年際變化波動稍大，總體呈現W形；5月份風資源最豐富，10月份風資源最弱。

（2）影響環縣風電的氣象災害主要是雷擊和冰害（覆冰和舞動），雷擊主要出現在4—8月；冰害主要出現在10月、12月—翌年2月。雷電發生的頻次較高，但冰害造成的停運時間和損失電量卻更加嚴重。

（3）環縣發生覆冰適宜氣象條件為有雨夾雪、雪或者大霧，相對濕度≥85%，平均氣溫＜0℃，平均風速≤5 m/s；舞動發生的適宜氣象條件有降水，溫度跨零，相對濕度≥85%，平均風速大于5.8 m/s，最大風速大于9.1 m/s，風向與輸電線路有一定夾角。

（4）環縣風電線路雨雪冰凍災害是特定天氣條件下、特殊的地形地貌共同作用的產物，具有一定重復性，建議該地區輸電線路工程，尤其是海拔1 800 m以上地勢較高的地段應適當提高設計冰厚（覆冰取值應按照15～20 mm設計），并適當控制檔距，以增加抗冰能力。