高山地区风电场风机叶片覆冰特性分析及管理研究

姚惠

【摘 要】风机叶片覆冰问题对风电场的安全生产和经济效益都有很大的影响，由于其受地域性影响较大，目前行业内尚未形成有效的解决方法。本文借助风机叶片覆冰期间风机控制系统中存储的历史数据，分析了桂北高山地区风电场风机覆冰的地理和气象信息特征，通过分析桂北高山地区两个风电场风机叶片覆冰数据，研究了风机叶片覆冰的气象和地理特征，这对于风电场如何减少风机叶片覆冰期间的电量损失、开展预防覆冰等工作具有积极的作用。

【关键词】覆冰；高山地区；风电场

一、引言

随着经济的快速发展，人类社会面临着日趋严峻的能源与环境问题，发展可再生清洁能源成为世界各国解决该问题的首要选择。风力发电由于其可再生性、清洁性等特点得到快速发展，凭借技术成熟优势，目前已成为最具有前景的新能源之一。我国风能资源丰富，发展风电是我国调整能源结构、实现减排目标的重要能源发展战略。截至2017年底，我国累计风电并网装机容量达到1.64亿千瓦，占全部发电装机容量的9.2%。风力发电对天气的依赖性较强，因此具有一定的间歇性、波动性和不稳定性。部分地区在冬春季节，风机叶片覆冰成为风机不能正常发电运行的主要影响因素。低温高湿地区风电场风机叶片覆冰问题尤为严重，国内覆冰影响严重的风电场主要集中在华东、中南和西南等地区，如湖南、豫南、桂北等；国外覆冰影响严重的风电场集中在美国、加拿大、芬兰、瑞典、丹麦、挪威等。叶片覆冰后，叶片空气动力学结构改变、风轮和塔架荷载增加，容易造成风机损坏，对风电场安全生产和经济效益造成影响。行业内针对风机叶片覆冰的研究普遍认为其具有区域性特点，即不同地区的风机叶片覆冰过程和特点存在很大差异，相应的解决方案也不同。分析方法主要以仿真研究和人工模拟实验为主，其中，仿真分析主要为二次仿真，忽略了风机绕流場里的径向气流，仿真结果与实际情况相差较大；人工模拟实验主要是借助人工气候室对小型风力发电机进行不同环境参数下的覆冰实验研究，实验表明风机叶片前缘和迎风面覆冰较多，前缘角状覆冰会导致其输出功率显著下降，无法考虑海拔、地形等因素，导致实验结果的可应用性不强。为此，本文选取桂北地区两个具有代表性的风电场进行对比分析，根据风电场风机运行监控系统中的实际数据，研究风电场风机叶片覆冰特性，并提出相应的预防对策和建议，旨在为风电场的安全生产和经济运行决策提供参考。

二、风电场地理环境及气候特征

本文选取桂北高山地区两个具有代表性的风电场进行对比分析，A风电场和B风电场均地处湘桂走廊，均为坵岭区，是典型的高山风电场。其中，A风电场所处环境海拔高度750-1250m，大部分地区为荒坡、天然草场，风电场四周地势较为平坦，无高山阻碍风流；B风电场所处环境海拔高度1300-1800m，大部分地区为荒坡、天然草场，北面山脉海拔较高，南面山脉较为平缓。

湘桂走廊是冬季冷空气南下入桂的主要通道，冷暖气流往来几乎不受阻挡，时常形成大风天气，冬季覆冰相对较为严重，为大风、重覆冰区。当地每年11月份至次年3月份经常会出现冰冻及冻雪、冻雨现象，此时间段也为风电场风机叶片覆冰的高发期。

据统计，2016年至2018年间，A风电场累计出现覆冰8次，覆冰天数共37天，其中日平均风速在8m/s以上的天数为21天，覆冰损失电量占全年损失电量的85%以上；覆冰最严重的时间为2018年1月25日至2月5日期间，从第一台风机覆冰至最后一台风机融冰，时间长达12天，期间全场停机时间长达4天。B风电场覆冰天数95天，覆冰损失电量占全年损失电量的80%以上，覆冰造成的机组停机给风电场带来极大的经济损失。

三、风机叶片覆冰特征的分析情况

根据风机监控系统数据记录，在风机叶片开始出现覆冰后，平均有功功率与理论功率的偏差将会逐渐加大，直至风机叶片覆冰过重而导致平均有功功率数值为0。为便于分析整个覆冰过程，假设风机平均有功功率和理论功率首次数值偏差大于55%时风机叶片开始覆冰，则有如下分析结果：

1.风机叶片覆冰过程中环境气温与海拔高度的关系

根据海拔高度、气压、凝点等关系，海拔越高时，气压越低，同时凝点相应偏高。在对本文所选两个风电场分析过程中发现，两个风电场在气温未达到0℃均出现了叶片覆冰现象。由此可认为在水汽充足的条件下，高山地区在环境气温未降至0℃时即有可能形成覆冰。并且，在叶片覆冰过程中，等温线与海拔高度呈现一定的相关性，高海拔地区风机覆冰时的环境温度偏高，低海拔地区覆冰气温相对偏低。由此可推断，在寒潮降温过程中，高海拔地区先于低海拔地区形成覆冰。这一特性在A风电场表现更为明显。由此可推知，风电场海拔较高时，气压低于标准大气压，导致凝点偏高。

2.海拔高度与风机覆冰先后顺序的关系

通过绘图分析，发现覆冰先后顺序等值线与海拔高度存在一定联系。其中，对A风电场而言，处于风电场北侧的高海拔地区，受地形和气流影响，覆冰时间较早，而风电场南侧及低海拔地区覆冰时间较晚。对B风电场而言，其东南部和西南部的风机最先覆冰，覆冰范围逐渐向北延伸。从覆冰顺序和海拔关系分析B风电场这一覆冰特性，主要原因是东南部及南部地区虽海拔较低，但周围没有高山，地势开阔，冷空气活动不受阻拦；北部虽然海拔高，但是其北面有起伏的高山，阻挡冷空气侵入风电场，从而导致覆冰过程并不是从高海拔地区开始，而是从海拔较低的东南部开始。可知，风电场风机叶片覆冰先后顺序与海拔高度存在一定相关性，但受地理环境影响较大。

3. 风速与风机覆冰速度的关系分析

通过分析单台风机开始覆冰至停机的时间长度，以此表征覆冰的速度。其中，A风电场风速与覆冰时长呈反相关关系，即风速越大，覆冰形成时间越短、速度越快；B风电场风速与覆冰时长无明显关系。

四、风机叶片覆冰的管理建议

1.提高设备抗冰冻性能

对于可能出现风机叶片覆冰的风电场，建议风机和测风塔数据采集仪器使用抗冰冻型，以便形成有效的数据记录，为风电场开展相关分析、掌握风电场风机叶片覆冰提供有效的数据支撑。

2.制定应急预案

风机叶片覆冰具有明显的季节性特点，建议风电场提前谋划、做好应急预案等，在生产经济性与安全性方面综合考虑。

3.措施制定有针对性

不同地区风电场具有不同的叶片覆冰特性不同，建议风电场在进行全场风机覆冰的数据统计分析后，对履冰时间长短、影响因素等综合考虑以采取不同的预防措施，提高防覆冰措施的投入产出比。

4.开展风机叶片覆冰预测

建议整合气象预测资源信息，开展风机叶片覆冰的相关预测工作。

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