张家川风电场覆冰环境制约机理研究

文 | 董海萍，陈宇升，董建兵，丁滢

随着风能产业在世界范围内的迅速发展，风电场因机组覆冰停机所造成的发电量损失也日益凸显。低温冰冻对风电场的影响主要表现在风电机组、集电线路、设备和道路上。比如，覆冰使得叶片质量分布不均，叶片结构和形状发生改变、负载增大，风电机组机翼的空气动力损失增大；覆冰使得导线产生张力差，导线电气间隙减小，导致闪络发生；低温条件会使风电机组中润滑油的流动性降低，液压系统无法正常工作，齿轮箱系统和偏航系统内部运行阻力增大等。国外非常重视叶片覆冰问题的试验研究，在风洞中进行了大量针对叶片或者翼型的覆冰试验，研究了不同气象条件下的覆冰类型、覆冰强度、覆冰对翼型气动特性的影响和防覆冰方法。由于我国风电发展时间较短，试验设备尚不完善，尤其缺乏对叶片覆冰进行物理模拟的风洞实验室，因而国内有关风电机组叶片覆冰的试验研究成果较少。

众所周知，风电场大多坐落于高原、山脊、山顶等高海拔寒冷地区和风能资源丰富的高纬度地区。如中国的“三北”（东北、西北、华北）地区是风能储量最多，但同时也是冷空气入侵最多的区域。其中，西北地区由于远离海洋，属于大陆温带气候，干旱少雨。一般认为该地区冬季虽寒冷，但由于水汽不足不会发生覆冰现象。但从近年来风电场实际运行状况可知，某些地区受局地小气候影响，湿度较大，往往是覆冰高发区。

甘肃张家川风电场自投运以来，冬半年覆冰较为严重，已是造成发电量损失最大的因素。本文主要从地理和气象环境分析成因，揭示该风电场冬半年冰冻的环境机制，并通过覆冰发生时温度和湿度的相关关系建立覆冰模型，为评估覆冰环境和避免类似现象的发生提供可循经验。

风电场地理环境特征

张家川风电场位于甘肃省张家川回族自治县东北方向的山脊上，海拔高度约2500m。风电场自2016年6月投运以来，每年约10月初开始发生覆冰，一直持续至第二年3月才基本结束，覆冰周期长且严重（图1），由此给风电场造成较严重的发电量损失。

风电场覆冰的发生与其所处的地理位置和地形、地貌是密不可分的。张家川回族自治县虽然位于我国西北，远离海洋，但却是东南、西南季风交互影响的边缘地带，独特的地理环境形成了冬季湿润的气候特点。

由项目所在地及其周边地形高度（图2）可知，张家川风电场位于六盘山向南延伸的山脊上。风电场北部为地势较高的黄土高原，西侧为青藏高原的西北延伸区域，只有南侧为地势较低的区域，且有东-西向的渭河流域，沿着渭河河谷向东延伸，故张家川为西、北、东三面地势较高，南部地势略低且有峡谷的地形地貌。

冬半年，从西北向东南移动的北部干冷空气，由于受到六盘山和北部地势较高黄土高原的阻挡，其一般沿着六盘山的东侧地势较低处向南或向东移动；北上的东南部暖湿气流，会受到北部陇山阻挡而蓄积在地势相对较低处，且部分暖湿气流沿着渭河河谷向西侵入，使张家川局部地区的湿度增加；西南暖湿气流也可沿着嘉陵江北上，进入渭河以北地区。此外，渭河本身也使张家川局部地区的湿度增加，由此形成该地冬半年湿润的环境特征。

张家川冬半年雾的形成和持续是冰冻严重的最显著表现。当白天温度上升时，空气中可容纳较多的水汽。随着夜间温度下降，空气容纳水汽的能力随之降低，部分水汽凝结成雾。特别是在秋、冬、春季节，由于夜间时间长，地面散热较夏季更迅速，使得近地面空气中的水汽达到饱和而凝结成小水珠，形成雾。张家川风电场的冬半年湿度较大，随着气温逐渐降低，空气中的水汽凝结，使得该风电场冬半年（特别是在晚间）大多处于云雾笼罩中，致使覆冰持续发生，造成严重的发电量损失。

风电场气象环境特征

众所周知，冰冻现象发生在一定的环境条件下，特别是与湿度、温度、风速和天气状况密切相关。由于没有针对张家川风电场环境湿度的观测资料，故本文通过对其周边—位于项目西南的张家川县城气象站的长年观测资料进行分析，进而探寻冬半年发生严重冰冻现象的成因机制。该气象站与风电场相距约15km，海拔高度差约450～650m，基本能反映风电场的环境特征变化。

一、温度和湿度变化特征

从张家川近5年温度和湿度的关联度，以及高湿和低温天数的逐月统计数据（图3-图5）可看到，冬半年非常有利于冰冻发生。

由图3可知，张家川全年平均湿度都保持在较高的数值（除春季约为56%外，其余月平均湿度都在60%以上）：进入春季后，湿度降低幅度较大，其中，4月最小，平均为55.3%；进入秋季后，湿度逐渐增加，9-11月的平均湿度可达70%以上，其中，10月的湿度最大，平均为75%。与此同时，逐月平均温度呈正常的季节波动，7月的平均温度最高，为21.7°C；1月的平均温度最低，为-3.1°C；10月至次年2月，湿度较大而温度较低，有利于冰冻发生。

由图4可知，该地区的温度和湿度在一天中随时间的演变呈反向关系，即随着温度降低，湿度呈增加趋势。湿度和温度约在8-9时分别达到一天中的最大值及最小值，而约在16时分别达到一天中的最小值及最大值。随着傍晚临近，湿度增加而温度降低，约在20时湿度增大至60%以上，温度下降至-1°C以下；约在24时后，湿度增大至70%以上，温度下降至-4°C以下，非常利于冰冻产生。这与张家川风电场在冬半年期间，随着夜晚临近，云雾逐渐加重的天气状况相一致。

由图5可知，在每年的10月，高湿度天数达到最大值，环境平均湿度大于70%、80%和90%的天数分别为30天、28天和21天。与此同时，温度低于2°C和0°C的天数分别为6天和3天。由此可知，张家川自10月开始，就有冰冻现象发生，即年冰冻发生时间较早。进入冬季（11月、12月和1月）后，高湿和低温天数都保持较高数值。11月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为28天、25天和17天，温度低于2°C、0°C的天数分别为20天和16天；12月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为29天、22天和10天，温度低于2°C、0°C的天数分别为30天和29天；1月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为26天、19天和5天，温度低于2°C、0°C的天数分别为31天和30天。2月和3月也有一定天数的高湿和低温天气。由此可见，自10月至次年3月，特别是12月至次年1月是冰冻的高发期，随着温度上升，至4月冰冻基本结束。

表1 2016-2019年冬半年出雾天数和风电场因冰冻损失的发电量

表2 覆冰较大概率发生时温度和湿度的对应关系

二、风速与出雾天数变化特征

从张家川气象站近5年大于3m/s以上的风速（10m高度）占比逐月演变趋势（图6）可看到，大于3m/s以上的风速在春季占比较高。其中，5月出现该风速的概率最大，约占整月风速段的22%，其次是4月和3月；12月出现大于3m/s以上风速的概率最小，约为8%，其次是11月，即总体上冬季风速较小，春季风速较大。风速较小有利于雾气产生并持续下去，这也是张家川冬季湿度较大、云雾天气多发的原因之一。

从张家川气象站近5年逐月平均出雾天数（图7）可看到，冬半年出雾天数明显大于夏半年，特别是11月、12月和1月，雾天概率较大；每年自9月开始，雾天逐渐增多，12月达到最大值—半月以上都为雾天。从风电场2016-2019年冬半年（1月、2月、11月、12月）出雾天数和风电场因冰冻损失发电量的对比关系（表1）可看到，每年风电场因冰冻损失的发电量与冬半年出雾天数有较好的一致性，说明雾天多、湿度大是导致张家川风电场冬季冰冻的直接原因。

覆冰评估及措施

一、覆冰模型建立

产生覆冰的环境条件是比较复杂的，除与温度和湿度密切相关外，还与风速和当时的天气现象有关。我国覆冰类型主要分为云雾型和降水型，云雾型覆冰一般发生在低温且湿度较高的情况下，风速较小；降水型覆冰一般发生在冻雨或湿雪等较强烈的天气过程中，风速变化范围较大。从上述风速与雾天变化特征可知，张家川属于云雾型覆冰。

通过分析机组因覆冰停机的数据可知，当覆冰发生时，温度和湿度一般满足一定的相关关系。表2为张家川风电场较大概率发生覆冰时温度和湿度的对应值，建立合适的回归方程对二者的关系进行描述：Y=95.069×exp(0.0198X)，其中Y为湿度，X为温度。可根据该关系式预判风电场覆冰发生的时间节点和概率。

二、应对措施探讨

对于覆冰较为严重的风电场，采用为叶片加装电阻丝的加热除冰模式是解决冬季覆冰的方案之一，但这也会增加雷击事故的发生概率。在张家川地区，夏季由于西南和东南暖湿气流的影响，北部800～2000m的陇山阻挡了东来的水汽，使张家川获得相对较多的降水，不稳定天气也时有发生。近5年张家川每年都有雷电发生（一般集中在6、7、8三个月，且最早在4月底、最晚在10月初也有雷电现象的发生），故采用在叶片上加装电阻丝的加热除冰方式在此地不适用。

由图6可知，风速最大的是春季，其次为夏季，冬季风速最小，故可多利用风速较大的春季和夏季发电，以减少冬季冰冻所造成的全年发电量损失。

结论

通过对覆冰较为严重的张家川风电场的地理环境和气象环境进行分析，并建立覆冰模型以及探讨覆冰的解决措施可知：

（1） 张家川地区为西、北、东三面地势较高，南部地势略低且有峡谷的地形地貌，东南和西南暖湿气流北上，以及渭河流域的存在，都为该地区冬半年湿润的环境特征提供有利条件。

（2） 张家川地区全年湿度呈现冬半年大于夏半年，且在一天中温度和湿度随时间演变呈反向关系特征，冬季夜晚是覆冰的高发期。

（3） 张家川风电场因覆冰损失的发电量与冬半年出雾天数有较好的一致性，说明雾天多、湿度大是导致风电场冬季覆冰的直接原因。

（4） 风电场覆冰发生时温度和湿度有较好的对应关系，可通过温度和湿度的关系式预判覆冰发生的时间节点和概率。

（5） 由于每年4-10月都有雷电发生，故不宜采用叶片加热的除冰方式，但可尽量多地利用风速较大的春季和夏季发电，以减少冬季冰冻所造成的全年发电量损失。