摘要：隨著全球化石能源的逐漸枯竭，對于可再生能源的研究逐年增加，其發(fā)展進(jìn)一步加快。風(fēng)能作為可再生能源中的重要能源類型，受到廣泛關(guān)注。由于風(fēng)能受天氣影響，呈現(xiàn)出隨機(jī)性、波動性、間歇性等特點，因此研究氣候因素對風(fēng)能出力的影響至關(guān)重要。聚焦于風(fēng)電場風(fēng)速、低溫、雷電、雨蝕等氣候因素對于風(fēng)力發(fā)電的影響，可見準(zhǔn)確的氣象預(yù)測可優(yōu)化風(fēng)機(jī)運行，最大程度地利用風(fēng)能資源，提高能源產(chǎn)出，也可避免因極端天氣而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)受損。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)能行為；氣候因素；風(fēng)電系統(tǒng)性能

引言

《2023年全球風(fēng)險報告》顯示，二氧化碳、甲烷和一氧化二氮在大氣中的含量繼續(xù)呈上升趨勢[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）預(yù)計，至2030年，全球氣溫升幅超1.5℃的可能性大于50%[1]。七國集團(tuán)（G7）峰會建議，至2050年，將全球氣溫升幅限制在2.7℃。但這一升幅遠(yuǎn)超2016年制訂的《巴黎協(xié)定》中的規(guī)定，即在本世紀(jì)將全球氣溫升幅限制在2℃以內(nèi)，并尋求將氣溫升幅限制在1.5℃以內(nèi)的措施。氣候變化引起的極端天氣不斷增多，而可再生能源發(fā)電受天氣影響，發(fā)電的不確定性、脆弱性、風(fēng)險性會影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重制約可再生能源消納和電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力[2]，因此明確氣候變化對于可再生能源發(fā)電情況的影響尤為重要。本研究主要聚焦于風(fēng)速、低溫、雷電、雨蝕等氣候因素對于風(fēng)力發(fā)電的影響。

1風(fēng)力發(fā)電概況

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開能源供應(yīng)，而全球的能源供需極不平衡，尤其是化石能源，分布極不均衡，且面臨著逐漸枯竭的現(xiàn)狀，因此為了保證電力供應(yīng)，亟需發(fā)展新能源。近年來，可再生能源因具有源于自然且可循環(huán)再生的特點而被大力推廣，在全球范圍內(nèi)均得到廣泛發(fā)展。其中，風(fēng)能和太陽能是占比最高的兩類能源，具有清潔、低碳的特點，有助于控制溫室氣體排放、全球氣溫升高等環(huán)境問題。

1.1 全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)現(xiàn)狀

全球范圍內(nèi)，2022年給電網(wǎng)供電的風(fēng)能容量增加了近78GW，達(dá)到歷史第三高的增長速度[3]。其中，陸上風(fēng)電增長68.8GW，我國占比52%；海上風(fēng)電新增8.8GW，我國占比58.6%，持續(xù)引領(lǐng)全球海上風(fēng)電的發(fā)展[3][4]。截至2022年末，全球海上風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到了64.3GW[3]。

1.2 我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)現(xiàn)狀

除港澳臺地區(qū)外，2022年我國新增風(fēng)電裝機(jī)11098臺，容量達(dá)4983萬kW，包括陸上風(fēng)電4467.2萬kW（占新增容量的89.7%）和海上風(fēng)電515.7萬kW[4]。相比于10年前，2022年新增風(fēng)電裝機(jī)容量增加384.5%，累計裝機(jī)容量增加525.2%。截至2022年底，我國累計風(fēng)電裝機(jī)量超18萬臺，新增裝機(jī)主要集中于華北（33.6%）、西北（19.2%）和中南（15.1%）地區(qū)，其中內(nèi)蒙古地區(qū)新增吊裝容量最大，高達(dá)1258.1萬kW[4]。以上數(shù)據(jù)說明，我國大力推進(jìn)建設(shè)低碳化社會、資源節(jié)約型社會，為實現(xiàn)社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展做出了積極探索。

2風(fēng)能行為預(yù)測的必要性

《中國能源大數(shù)據(jù)報告（2023）》顯示，“2022年，我國風(fēng)電發(fā)電量7626.7億kWh，同比增長16.2%；可再生能源發(fā)電量2.7萬億kWh，已成為我國新增發(fā)電量的主體”[5]，詳見圖1。由此可見，我國能源消費日趨低碳化，低碳能源消費占比穩(wěn)步提升，綠色生產(chǎn)和消費的模式逐漸形成。

國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》對于未來能源體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了展望，在非化石能源消費于2030年達(dá)到至少占比25%的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大提高，把可再生能源作為發(fā)電的主力，進(jìn)一步提升新型電力系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)模，讓碳排放總量達(dá)峰后穩(wěn)中有降；大力發(fā)展、全面推進(jìn)風(fēng)電和太陽能發(fā)電，優(yōu)先就地、就近開發(fā)利用高質(zhì)量電能；重點加速推進(jìn)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)的大型風(fēng)電光伏基地項目建設(shè)。

目前，可再生能源發(fā)電量、消耗量的占比在整個電網(wǎng)中均為穩(wěn)中有升的趨勢。但可再生能源存在時間和空間上分布不均勻的情況，其發(fā)電量具有間歇性和隨機(jī)性的特點，會導(dǎo)致其出力的不確定性，從而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6]。如，在惡劣的氣候條件下，風(fēng)能可能出現(xiàn)出力不夠的現(xiàn)象，導(dǎo)致電網(wǎng)大范圍停電，面對這種情況，若能預(yù)知氣象條件變化，提前通知調(diào)度人員，及時調(diào)整電網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)，將會降低惡劣氣候?qū)φＳ秒姷挠绊?。美國Vibrant Clean Energy公司運用的顆粒度天氣數(shù)據(jù)，通過對全美以3×3km2劃分、每5min更新1次天氣數(shù)據(jù)、全年檢測天氣情況，來考量風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)修建的位置、朝向等問題，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過直流電纜連接地區(qū)電網(wǎng)時，具有最大的效率[7]。這一方法可使整個風(fēng)力系統(tǒng)的產(chǎn)能達(dá)到總體平衡，當(dāng)某處的風(fēng)力發(fā)電量減小時，其他部位可作為后備電源補(bǔ)充上來[7]。因此，預(yù)測風(fēng)能行為、減輕電網(wǎng)波動、增加電網(wǎng)韌性等措施，對應(yīng)對風(fēng)電產(chǎn)能不均勻和穩(wěn)定風(fēng)電功率具有重要意義。

3氣候?qū)︼L(fēng)電系統(tǒng)性能的影響與應(yīng)對策略

風(fēng)電出力特性主要受地理環(huán)境和氣候因素的影響，其中氣候因素主要集中于下雨、刮風(fēng)、溫度、濕度、雷電、冰雪等氣候現(xiàn)象。風(fēng)速風(fēng)向突變、大雨大霧、大雪冰凍等極端天氣，會影響風(fēng)機(jī)出力情況，甚至有損機(jī)體構(gòu)造[8]。

3.1 風(fēng)速

風(fēng)速是影響風(fēng)機(jī)發(fā)電量的重要指標(biāo)之一，因此需對風(fēng)電場的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測、建模，從而提高發(fā)電效率。常用的風(fēng)速預(yù)測模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、時間序列法、灰色預(yù)測法、卡爾曼濾波法等[9]。風(fēng)速受地理位置、地區(qū)地形、風(fēng)電場的地表粗糙度及障礙物對風(fēng)的影響等多種因素制衡。當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)電場所能承受的最大風(fēng)速時，產(chǎn)生的風(fēng)力可能對風(fēng)電場的基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。因此，通常情況下，當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)速大于25m/s時，將會啟動保護(hù)系統(tǒng)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)系統(tǒng)中切除，避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到結(jié)構(gòu)性損壞而進(jìn)一步破壞整個電力系統(tǒng)的運作[10]。

3.2 低溫

近年來，越來越多的風(fēng)電場開始在寒冷地區(qū)建設(shè)，但寒冷地區(qū)多低溫、結(jié)冰、雨雪等天氣現(xiàn)象，將會影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運行。低溫天氣下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運作需要權(quán)衡3個問題，即①材料的物理狀態(tài)是否受到影響；②風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上是否結(jié)冰；③風(fēng)機(jī)周圍是否有積雪[11]。若權(quán)衡不當(dāng)，可能產(chǎn)生機(jī)體覆冰、大風(fēng)切機(jī)、低溫脫網(wǎng)、晴冷無風(fēng)等現(xiàn)象，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運行，甚至導(dǎo)致其因結(jié)構(gòu)受損而長時間停機(jī)[12]。如，鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)性元器件在低溫條件下會更脆弱、機(jī)械性能發(fā)生變化；發(fā)電機(jī)、偏航傳動電機(jī)和變壓器等電氣設(shè)備，若在低溫環(huán)境中停機(jī)時間較長，那么一旦通電進(jìn)入工作狀態(tài)，繞組可能會因受到突如其來的熱沖擊而受損[11]；覆冰和積雪等情況，雖不一定對機(jī)器造成嚴(yán)重?fù)p壞，但會降低其性能，導(dǎo)致發(fā)電效率降低。因此，應(yīng)在設(shè)計階段考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)于低溫天氣的運行情況，采取適當(dāng)措施降低負(fù)面影響，最小化停機(jī)時間，確保其在低溫天氣更可靠、高效地運行，如選擇耐低溫材料，優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)以把冰積聚降至最低等措施。

3.3 雷電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常位于沿?；蚋呱降貐^(qū)，在空間上處于孤立、開闊地帶，且自身高度達(dá)到100m以上，若遇雷電天氣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)被雷電擊中的可能性較大，其中最易遭受雷擊的部位是軸承、葉片等[13]。一旦被擊中，雷電流將會對機(jī)器結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致機(jī)組停運，并產(chǎn)生高昂的維修運營費用等，因此加強(qiáng)對風(fēng)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)十分必要。如，當(dāng)雷電擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，迅速把雷電流導(dǎo)走，降低雷電對于機(jī)器的影響。但這一措施的落實需要良好的接地系統(tǒng)，以及在日常管控中加強(qiáng)對接地裝置的檢測與維護(hù)。需要注意的是，隨著接地材料逐漸腐蝕或降阻劑性能降低，接地電阻將會不斷升高，當(dāng)超過當(dāng)?shù)匾蟮淖柚禃r，應(yīng)采取相應(yīng)措施降低阻值，以保證接地系統(tǒng)能暢通、迅速地導(dǎo)走雷電流。

3.4 雨蝕

葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要元件之一，其氣動性能會直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片處于室外環(huán)境下，易被雨水侵蝕，其外形隨著時間的推移而受到不同程度的損傷，可造成5%～25%不等的年發(fā)電量損失[14]。雨水是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片前緣損傷的主要因素，其落至葉片形成的瞬間沖擊力很大，而在落至葉片之后的擴(kuò)散和破碎過程中，雨水則表現(xiàn)出作用力小、時間長的特性[15]。為了降低2種情況下雨水對葉片的影響，可通過增加葉片表面的高延伸彈性體來緩沖外部的沖擊，如葉片貼膜防護(hù)技術(shù)或前緣保護(hù)涂層防護(hù)技術(shù)[15]。

結(jié)語

為了減緩能源枯竭的趨勢、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低碳排放、延緩全球氣溫升高，風(fēng)能作為可再生能源中發(fā)展最迅速、發(fā)電量占比最高的能源，其應(yīng)用和發(fā)展受到廣泛關(guān)注。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電產(chǎn)能依賴于氣候條件，其間歇性、隨機(jī)性、不確定性的特點會影響風(fēng)電出力的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性，因此研究氣候因素對風(fēng)電系統(tǒng)效能的影響非常必要。風(fēng)電場的風(fēng)速需在可控范圍內(nèi)，才能讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運轉(zhuǎn)，若遇大風(fēng)、龍卷風(fēng)等極端天氣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有可能受到結(jié)構(gòu)性損壞，進(jìn)而影響整個風(fēng)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境影響下有可能性能受損，主要影響因素是材料狀態(tài)、覆冰、積雪等。風(fēng)電場多位于空曠地界，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身較高，若遇雷雨天氣，被雷電擊中的可能性較大，為了把雷電流即時疏散至大地中，需要維持接地電阻始終處于較小水平。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片易受雨蝕，使葉片前緣損傷，影響發(fā)電效率。

可見無論是突發(fā)極端天氣，還是常規(guī)氣候的長期作用，均有可能導(dǎo)致風(fēng)電系統(tǒng)性能下降，甚至造成設(shè)備損壞。因此，風(fēng)電場在設(shè)計和建設(shè)階段應(yīng)采取適當(dāng)措施，如使用耐低溫材料、冰抗性設(shè)計和閃電檢測、導(dǎo)流系統(tǒng)等。在實際運營時應(yīng)加強(qiáng)氣象預(yù)測，并采取適當(dāng)措施應(yīng)對天氣變化帶來的風(fēng)電出力不確定性，視情況即時調(diào)整供電方案，降低停機(jī)時間，提高系統(tǒng)的韌性和可靠性。另外，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)易受氣候和天氣影響，因此研究各種氣象類型，不僅有助于最大化發(fā)電效率，還有助于保障安全運行，避免設(shè)備受損或人員受傷。

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作者簡介

羅喬婉（1996—），女，漢族，四川德陽人，助教，碩士，主要從事電力系統(tǒng)、建筑電氣的研究及教學(xué)工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-21