高山地區(qū)風電場風機葉片覆冰特性分析及管理研究

姚惠

【摘 要】風機葉片覆冰問題對風電場的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益都有很大的影響，由于其受地域性影響較大，目前行業(yè)內(nèi)尚未形成有效的解決方法。本文借助風機葉片覆冰期間風機控制系統(tǒng)中存儲的歷史數(shù)據(jù)，分析了桂北高山地區(qū)風電場風機覆冰的地理和氣象信息特征，通過分析桂北高山地區(qū)兩個風電場風機葉片覆冰數(shù)據(jù)，研究了風機葉片覆冰的氣象和地理特征，這對于風電場如何減少風機葉片覆冰期間的電量損失、開展預防覆冰等工作具有積極的作用。

【關(guān)鍵詞】覆冰；高山地區(qū)；風電場

一、引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類社會面臨著日趨嚴峻的能源與環(huán)境問題，發(fā)展可再生清潔能源成為世界各國解決該問題的首要選擇。風力發(fā)電由于其可再生性、清潔性等特點得到快速發(fā)展，憑借技術(shù)成熟優(yōu)勢，目前已成為最具有前景的新能源之一。我國風能資源豐富，發(fā)展風電是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)減排目標的重要能源發(fā)展戰(zhàn)略。截至2017年底，我國累計風電并網(wǎng)裝機容量達到1.64億千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的9.2%。風力發(fā)電對天氣的依賴性較強，因此具有一定的間歇性、波動性和不穩(wěn)定性。部分地區(qū)在冬春季節(jié)，風機葉片覆冰成為風機不能正常發(fā)電運行的主要影響因素。低溫高濕地區(qū)風電場風機葉片覆冰問題尤為嚴重，國內(nèi)覆冰影響嚴重的風電場主要集中在華東、中南和西南等地區(qū)，如湖南、豫南、桂北等；國外覆冰影響嚴重的風電場集中在美國、加拿大、芬蘭、瑞典、丹麥、挪威等。葉片覆冰后，葉片空氣動力學結(jié)構(gòu)改變、風輪和塔架荷載增加，容易造成風機損壞，對風電場安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益造成影響。行業(yè)內(nèi)針對風機葉片覆冰的研究普遍認為其具有區(qū)域性特點，即不同地區(qū)的風機葉片覆冰過程和特點存在很大差異，相應的解決方案也不同。分析方法主要以仿真研究和人工模擬實驗為主，其中，仿真分析主要為二次仿真，忽略了風機繞流場里的徑向氣流，仿真結(jié)果與實際情況相差較大；人工模擬實驗主要是借助人工氣候室對小型風力發(fā)電機進行不同環(huán)境參數(shù)下的覆冰實驗研究，實驗表明風機葉片前緣和迎風面覆冰較多，前緣角狀覆冰會導致其輸出功率顯著下降，無法考慮海拔、地形等因素，導致實驗結(jié)果的可應用性不強。為此，本文選取桂北地區(qū)兩個具有代表性的風電場進行對比分析，根據(jù)風電場風機運行監(jiān)控系統(tǒng)中的實際數(shù)據(jù)，研究風電場風機葉片覆冰特性，并提出相應的預防對策和建議，旨在為風電場的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行決策提供參考。

二、風電場地理環(huán)境及氣候特征

本文選取桂北高山地區(qū)兩個具有代表性的風電場進行對比分析，A風電場和B風電場均地處湘桂走廊，均為坵嶺區(qū)，是典型的高山風電場。其中，A風電場所處環(huán)境海拔高度750-1250m，大部分地區(qū)為荒坡、天然草場，風電場四周地勢較為平坦，無高山阻礙風流；B風電場所處環(huán)境海拔高度1300-1800m，大部分地區(qū)為荒坡、天然草場，北面山脈海拔較高，南面山脈較為平緩。

湘桂走廊是冬季冷空氣南下入桂的主要通道，冷暖氣流往來幾乎不受阻擋，時常形成大風天氣，冬季覆冰相對較為嚴重，為大風、重覆冰區(qū)。當?shù)孛磕?1月份至次年3月份經(jīng)常會出現(xiàn)冰凍及凍雪、凍雨現(xiàn)象，此時間段也為風電場風機葉片覆冰的高發(fā)期。

據(jù)統(tǒng)計，2016年至2018年間，A風電場累計出現(xiàn)覆冰8次，覆冰天數(shù)共37天，其中日平均風速在8m/s以上的天數(shù)為21天，覆冰損失電量占全年損失電量的85%以上；覆冰最嚴重的時間為2018年1月25日至2月5日期間，從第一臺風機覆冰至最后一臺風機融冰，時間長達12天，期間全場停機時間長達4天。B風電場覆冰天數(shù)95天，覆冰損失電量占全年損失電量的80%以上，覆冰造成的機組停機給風電場帶來極大的經(jīng)濟損失。

三、風機葉片覆冰特征的分析情況

根據(jù)風機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄，在風機葉片開始出現(xiàn)覆冰后，平均有功功率與理論功率的偏差將會逐漸加大，直至風機葉片覆冰過重而導致平均有功功率數(shù)值為0。為便于分析整個覆冰過程，假設(shè)風機平均有功功率和理論功率首次數(shù)值偏差大于55%時風機葉片開始覆冰，則有如下分析結(jié)果：

1.風機葉片覆冰過程中環(huán)境氣溫與海拔高度的關(guān)系

根據(jù)海拔高度、氣壓、凝點等關(guān)系，海拔越高時，氣壓越低，同時凝點相應偏高。在對本文所選兩個風電場分析過程中發(fā)現(xiàn)，兩個風電場在氣溫未達到0℃均出現(xiàn)了葉片覆冰現(xiàn)象。由此可認為在水汽充足的條件下，高山地區(qū)在環(huán)境氣溫未降至0℃時即有可能形成覆冰。并且，在葉片覆冰過程中，等溫線與海拔高度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，高海拔地區(qū)風機覆冰時的環(huán)境溫度偏高，低海拔地區(qū)覆冰氣溫相對偏低。由此可推斷，在寒潮降溫過程中，高海拔地區(qū)先于低海拔地區(qū)形成覆冰。這一特性在A風電場表現(xiàn)更為明顯。由此可推知，風電場海拔較高時，氣壓低于標準大氣壓，導致凝點偏高。

2.海拔高度與風機覆冰先后順序的關(guān)系

通過繪圖分析，發(fā)現(xiàn)覆冰先后順序等值線與海拔高度存在一定聯(lián)系。其中，對A風電場而言，處于風電場北側(cè)的高海拔地區(qū)，受地形和氣流影響，覆冰時間較早，而風電場南側(cè)及低海拔地區(qū)覆冰時間較晚。對B風電場而言，其東南部和西南部的風機最先覆冰，覆冰范圍逐漸向北延伸。從覆冰順序和海拔關(guān)系分析B風電場這一覆冰特性，主要原因是東南部及南部地區(qū)雖海拔較低，但周圍沒有高山，地勢開闊，冷空氣活動不受阻攔；北部雖然海拔高，但是其北面有起伏的高山，阻擋冷空氣侵入風電場，從而導致覆冰過程并不是從高海拔地區(qū)開始，而是從海拔較低的東南部開始。可知，風電場風機葉片覆冰先后順序與海拔高度存在一定相關(guān)性，但受地理環(huán)境影響較大。

3. 風速與風機覆冰速度的關(guān)系分析

通過分析單臺風機開始覆冰至停機的時間長度，以此表征覆冰的速度。其中，A風電場風速與覆冰時長呈反相關(guān)關(guān)系，即風速越大，覆冰形成時間越短、速度越快；B風電場風速與覆冰時長無明顯關(guān)系。

四、風機葉片覆冰的管理建議

1.提高設(shè)備抗冰凍性能

對于可能出現(xiàn)風機葉片覆冰的風電場，建議風機和測風塔數(shù)據(jù)采集儀器使用抗冰凍型，以便形成有效的數(shù)據(jù)記錄，為風電場開展相關(guān)分析、掌握風電場風機葉片覆冰提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.制定應急預案

風機葉片覆冰具有明顯的季節(jié)性特點，建議風電場提前謀劃、做好應急預案等，在生產(chǎn)經(jīng)濟性與安全性方面綜合考慮。

3.措施制定有針對性

不同地區(qū)風電場具有不同的葉片覆冰特性不同，建議風電場在進行全場風機覆冰的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，對履冰時間長短、影響因素等綜合考慮以采取不同的預防措施，提高防覆冰措施的投入產(chǎn)出比。

4.開展風機葉片覆冰預測

建議整合氣象預測資源信息，開展風機葉片覆冰的相關(guān)預測工作。

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