风电产能关键气象指标研究——以甘肃省环县为例

宋亚男，王有恒，张天峰，周忠文，李巧霞，王 娟

1甘肃省环县气象局甘肃环县

2甘肃省气象局

3庆阳市气象局

风电场发电机组处于野外自然环境下，风资源大小会受到地形地貌影响，尤其是受到微地形影响[1-2]。当遭遇恶劣天气及其引发的次生灾害性天气影响时，风电场安全运行有可能受到威胁，甚至引发财产损失。经国内外专家研究，影响风电场正常运行的高影响天气主要有极端低温、积冰、雷电、沙尘暴[3-5]等。2021年2月25—26日甘肃环县西部出现较为严重的雨雪冰冻天气，致使330kV毛井风电场送出线路、35kV毛井-虎洞、35kV毛井-小南沟输电线线路发生导线结冰跳闸事故，10kV线路倒塔（杆）、断线100余基，这是继1964、1996年、2006年、2014年电线结冰后，又一次较为严重的线路事故。环县西部如此高频度的电线结冰事故，不仅与当时的天气条件有关，还与其特殊的地理位置、地形地貌、大气环流有关。因此，分析环县境内的地理环境特点，研究影响环境风电产能的气象因素，获得关键气象指标，对风电场的气象灾害防御及安全管理尤为重要。

1 地形特征

环县位于甘肃东部，属陇东黄土高原丘陵沟壑区，90%以上面积为黄土覆盖，总体呈西北高东南低的地形地势,丘陵起伏、沟壑纵横，海拔最高点为2 089 m毛井马家大山，最低点为1 136 m曲子五里桥。其中，环县西部多梁、峁、沟谷和垄板，地形的跌宕起伏变化有利于气流的分流、扩散与汇聚，导致山区覆冰、雷击等气象灾害发生。

2 气象影响分析

2.1 气象条件分析

环县隶属温带大陆性半干旱气候，常年平均气温9.2℃，无霜期为200 d，年平均日照时数为2 600 h，常年平均降水量约300 mm，降水时空分布不均，由东南的天池、演武向西北的甜水、山城逐渐减少，年蒸发量高达2 000㎜。

2.2.1 年变化

分析环县2012—2021年逐年的平均气温、平均最高气温、平均最低气温和降水量年际变化趋势（图1）可知，气温分布年际变化比较稳定，总体呈现升高趋势，平均气温在8.84～10.31 ℃，每年升温0.05 ℃；平均最高气温在15.78～17.98 ℃，每年升温0.1 ℃；平均最低气温在3.53～5.75 ℃，每年升温0.01 ℃。年降水量总体呈现M形，最多年份降水量出现在2013年，为674.5 mm，其次出现在2018年，为651 mm；最少降水年份出现在2016年，为319.2 mm，其次出现在2015年，为357.6 mm。由图2可以看出，10 m高速的2 min平均风速在1.85～2.19 m/s,年际变化波动稍大，总体呈现W形，大风年主要出现在2016年、2015年、2012年和2017—2018年，都超过2.1 m/s。

图2 环县2012—2021年2分钟10米高度平均风速年际变化图

2.1.2 月变化

分析环县2012-2021年逐月平均气温、平均最高气温和平均最低气温月际变化趋势（图3）可知，三者变化趋势总体是一致的，先升高再降低，7月达到最高，平均气温、平均最高气温和平均最低气温分别是23.23℃、29.76℃和17.9℃。1月份气温达到最低，分别为-5.01℃、2.85℃和10.97℃。分析图4逐月降水量和2 min平均风速的月际变化图，降水量主要出现在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平均风速随着月份变化呈现先升后降再升高的趋势，5月份风资源最丰富，达到2.3m/s；10月份风资源最弱，降低到1.7m/s。

图3 环县2012-2021年平均气温、平均最高气温和平均最低气温月际变化图

图4 环县2012—2021年降水量和2分钟10米高度平均风速月际变化图

2.2 大气环流分析

秋季到冬季过渡期为大气环流系统调整时段，西风带南下，西南季风与东南季风逐渐减弱，陕、甘、宁交汇区呈现偏北气流与偏南气流的对峙摆动。此时，东面水汽仍较充足，暖湿空气顺着山体抬升；而高空西风逐渐加强，并夹带偏北较冷空气，风速大，降温快，当暖湿气流上升到一定高度时，遇冷迅速凝结，以雨雪等形式降落。高空冷空气逐渐下降，与抬升的暖湿空气相遇产生雨雪天气，当空气温度、湿度适当，即会出现电线结冰现象。

当深冬到来，极地干冷空气不断南下，以偏北干冷空气为主，导致陕、甘、宁交汇区湿度大幅度降低，同时因为东南季风退却，缺少水汽补充。只有当高空脊处于高原东侧至贝加尔湖一带，高原小槽活动较强、孟加拉湾槽较深时，致使槽前偏南气流强盛，脊中的负涡度平流使西南暖湿气流因流场填充而沿青藏高原东南侧与秦巴山系西侧通道对环县西北高山区有所补充。因此，这段时期环县西北高山区覆冰相对较少。

冬季到春季过渡时，大气环流系统较不稳定，北方冷空气与高原小槽活动频繁，对陕、甘、宁交汇区的影响较大，冷暖交汇频繁，有利于覆冰的形成。但此时系统调整快，也有利于覆冰的消融，因此该时段导线覆冰维持时间相对较短、尺寸量级一般较小。

3 风电产能影响分析

3.1 灾害统计

统计2015—2021年因天气原因造成的环县风电线路故障表可知（表1），雷击和冰害是环县主要影响的气象灾害，其中雷击发生14次，主要出现在4—8月；冰害出现6次，包括导线覆冰和舞动，主要出现在10月、12月—翌年2月。雷电发生的频次虽然高，但造成的停运时间和损失电量相对较小；冰害发生较少，但影响非常严重，尤其是2021年2月26日舞动引发线路跳闸故障，造成停运时间94.5 h、电量损失874.12万kW·h。

表1 2015—2021年环境气象灾害引发的风电故障统计表

3.2 影响指标

2021年2月24 —27日，我国西北部有一次明显的冷空气活动，环县县城24日出现8.7 mm降水，但县城海拔1 255.6 m，相对较低，最低温度0.9℃，降水相态为雨、雪，平均相对湿度84.5%；25—26日，没有明显降水，伴有轻雾，平均相对湿度维持在82.8%以上。分析毛井木I线附近海拔高度1 722.2 m的毛井自动气象观测站（表2）观测资料来看，24—25日，最低气温在0 ℃以上，且相对湿度偏低，尚未出现降水；25日夜晚至26日上午，最低气温将至-3.2 ℃，最高气温为1.4 ℃，最小相对湿度为86%，平均风速5.8 m/s,极大风速12.6 m/s,并伴有大雾、小雪天气，从而引发了此次雨雪冰冻过程。

表2 2021年2月24—26日环县气象观测站与毛井自动气象站气象要素统计表

通过现场实地调查发现，覆冰分布从海拔1 650 m的成冰地带开始向上，海拔越高越严重，倒塔、断线多发生在海拔1 850 m以上的地段；现场测得覆冰直径10～12 cm，再根据输电线路勘测技术规程中的调查冰厚向标准冰厚的换算公式，标准冰厚在14.8～ 16.5 mm。

4 结论

（1）环县平均风速在1.85～2.19 m/s,年际变化波动稍大，总体呈现W形；5月份风资源最丰富，10月份风资源最弱。

（2）影响环县风电的气象灾害主要是雷击和冰害（覆冰和舞动），雷击主要出现在4—8月；冰害主要出现在10月、12月—翌年2月。雷电发生的频次较高，但冰害造成的停运时间和损失电量却更加严重。

（3）环县发生覆冰适宜气象条件为有雨夹雪、雪或者大雾，相对湿度≥85%，平均气温＜0℃，平均风速≤5 m/s；舞动发生的适宜气象条件有降水，温度跨零，相对湿度≥85%，平均风速大于5.8 m/s，最大风速大于9.1 m/s，风向与输电线路有一定夹角。

（4）环县风电线路雨雪冰冻灾害是特定天气条件下、特殊的地形地貌共同作用的产物，具有一定重复性，建议该地区输电线路工程，尤其是海拔1 800 m以上地势较高的地段应适当提高设计冰厚（覆冰取值应按照15～20 mm设计），并适当控制档距，以增加抗冰能力。