中国近海风电开发气候知识之二 台风与海上风电开发

（作者单位：张秀芝：国家气候中心；张容焱：福建省气候中心）

我国沿海及近海区域是风能资源丰富区，也是我国电力负荷中心，同时也是西北太平洋热带气旋影响或者严重影响的地区。目前国内风电机组设计和认证的主要依据是IEC 61400-1和GL Guideline for the Certification of Wind Turbines，它们基本以欧洲气候条件为基础，对台风风况的定义很简单。尽管近些年主流机组在不断地尝试抗台风设计、制造和控制系统，但仍相继有2003年13号台风“杜鹃”、2006年1号台风“珍珠”、2006年8号台风“桑美”、2010年13号台风“鲶鱼”、2013年19号台风“天兔”和2014年9号台风“威马逊”，分别造成了广东、浙江、福建和海南等地沿海风电场风电机组严重损毁。

任何事物都具有两面性，热带气旋对风力发电也有其有利的一面，强度较弱的热带气旋(如热带风暴量级)以及较强的热带气旋的外围环流，可以给风电场带来较长的“满发”时段，关键是风电场管理人员如何利用台风的基本规律和信息，趋利避害。本文重点介绍针对近海风电开发的台风基本特点以及台风影响海域的风电场台风专项分析应关注的问题。

影响中国近海的台风概况

一、热带气旋定义及等级

生成于热带或副热带洋面上，具有有组织的对流和气旋性环流的非锋面性涡旋的统称，包括热带低压（10.8～17.1m/s,风力6～7 级）、热带风暴（17.2～24.4m/s,风力8～9级）、强热带风暴（24.5～32.6m/s,风力10～11 级）、台风 （32.7～41.4m/s，风力12～13 级）、强台风（41.5～50.9m/s，风力14～15 级）和超强台风（风速≥51m/s，风力16级或以上）。

二、统计特征

1949—2016年登陆中国大陆的热带气旋达到热带风暴强度及以上492个，以登陆前6小时强度判断其对近海风电场的影响程度，超强台风6个，强台风46个，台风156个（32.5～37.4m/s,102个，37.5～41.4m/s，54个），强热带风暴147个，热带风暴137个。可以看到，热带风暴和强热带风暴占58%，台风占32%，破坏力很强的强台风和超强台风只占10.6%。

如果按照风电机组安全等级标准划分的话，25.0～37.4m/s为249个，37.5～42.4m/s为60个，42.5～50.0m/s为40个，大于50m/s为6个。也就是说，在中国近海热带气旋达到IEC II类的占12%，IEC I类的占8%，超IEC I类的占1.2%。

三、路径特征

图1为1949—2016年进入24小时警戒线达到台风强度的频数分布图，影响中国近海的台风由西北太平洋生成后，向西北方向移动，一部分穿过菲律宾和巴士海峡进入南海，分别移向海南、粤西、粤东（个别进入台湾海峡登陆闽南），6个超强台风中有4个属于该路径。图2-1为2014年“威马逊”台风损坏的风电机组，台风一部分穿过台湾岛进入台湾海峡在登陆福建，登陆台湾时强度很大，进入台湾海峡强度大减；一部分在台湾附近海域西北登陆浙江，6个超强台风中有2个为该路径。图2-2为2006年“桑美”台风破坏的风电场，台风的一小部分直接由东海、黄海北上在上海、江苏、山东登陆。

海上风电场台风专项分析

台风影响海域的风电场，台风专项分析是设计院、开发商、整机商和风电场运维的重要依据。应包括（但不限于）以下几个方面：

一、影响风电场台风概况分析

风电场区域向外100公里半径范围历史上出现的热带气旋，分析不同级别热带气旋出现频率、路径特征、季节变化、年际变化，以及大风、大浪灾害。

二、台风期间风速、风向变化分析

GL Renewables Certification规定台风风况下 180°/ 30 min，实际上一个标准的台风风况变化大致分三个阶段：1.当台风中心到达之前风速快速加强并达到最大，风向相对稳定；2.台风中心经过时风速急速减小，台风眼过后再急速增大，即所谓的风速双峰型，这期间风向则变化极快，也就是所谓的180°/ 30 min（如图3-1）；3.台风中心过后风速逐渐减小，风向趋于稳定。然而，由于台风强度、大小、移动速度以及环境流场、地形等差异，像图3-1的标准风况很少被观测到，如图3-2台风眼过后第2个风速峰值就小了很多，但风向的变化是相同的。统计分析结果表明，位于台风中心及台风中心附近的观测点，风向前后变化一般在120～200°之间。

图1 1949-2016年进入24小时警戒线达到台风及以上强度频数图

图2 遭受风破坏的风电机组现场图

图3 测风塔位于台风的不同方位时，风向变化情况

另外，台风行进方向的右前方风速最大，左后方风速相对小一些，观测点位于台风中心的不同方位，风向的变化也是不同的，如图3所示，若测风塔位于台风移动方向的右侧，风向呈顺时针变化；若测风塔位于台风移动方向的左侧，风向呈逆时针变化，与台风移动方向和登陆区域无关。风电场运行人员根据台风预报和测风塔的风向、风速和气压的变化，可判断风电场处于台风的什么方位，处于台风影响的哪个阶段，从而采取相应的应对措施。

三、台风风特性分析

目前海上风电场机组招标一般带方案投标，至少需要台风影响下的湍流、风切变、阵风系数，如果有三维脉动观测资料，则分析入流角，纵向、横向、垂向湍流标准差的关系，以及湍流谱。国内风电场观测期一般1～2年，观测期间观测到的台风可能强度不大或台风外围，甚至没观测到台风。可以广泛收集其他海域台风影响下的观测资料，根据本海域不同级别热带气旋频率情况，间接地获得风电场的风特性参数。

四、极端风速持续时间分析

台风影响严重的海上风电场一般需要配备用电源。应做到以下几点：1.掌握当地电网抗风等级，包括设计标准和台风破坏输电线路实例风速；2.超出电网抗风能力的大风持续小时数，可通过分析实测数据和经过风电场及输电线路的台风中心最大风速两种途径获得，以此确定备用电源合理的容量和支撑时间。

五、台风影响下的50年一遇最大风速计算

由于沿海气象站城市发展很快，气象站与风电场的大风相关性往往较差，可以根据影响风电场的台风大风，使用Poisson-Gumbel 联合极值概率分布计算海域50年一遇最大风速，以互相验证计算结果。