气象灾害对风电项目的影响及风险应对

胡威 崔冬林 张双益

（1新疆金风科技股份有限公司 北京 100176 2北控清洁能源集团有限公司 北京 101102）

1 气象灾害的基本概念

章国材定义气象灾害为 “由于气象原因能够直接造成生命伤亡与人类社会财产损失的灾害”，并认为“灾害性天气不一定是气象灾害”“不是灾害性天气但是可能成气象灾害”［1］。气象上灾害性天气有：台风、暴雨、大风、冰雹、大雾、沙尘暴、龙卷风、雷击、大雪、冻雨、结冰、霜、低温、寒潮、高温、干热风、霾等。气候变暖、干旱、洪水等尽管不是灾害性天气，但却是由于外因或者某一天气因素的长期影响造成了气象灾害。对于风电项目而言，主要有热带气旋、雷暴、凝冻、沙尘暴、极温等气象灾害对其开发、建设和运行造成重大影响［2］。

2 气象灾害对风电项目的影响

2.1 热带气旋对风电项目的影响

热带气旋是一种强大而深厚的气旋性涡旋。当中心风力达到12级以上，就称之为台风，按其结构可分为台风眼、台风墙、台风外围三部分。台风眼的半径为5～30 km，该区域风速一般小于6 m/s；台风墙的半径可达100 km，属于整个台风系统里对流最剧烈、破坏力最大的区域；台风外围约200～300 km，风力可达6级以上。台风一般生成于南北纬5°～20°、海表温度大于等于 26 ℃的洋面［3］。

2013年19日超强台风“天兔”在广东省汕尾市红海湾附近地区登陆，附近2个风电场在台风肆虐的时候表现出不同的结果。图1为台风中心靠近其一风电场时，某风机在停机前记录下来出现最大10 min风速和3 s极限风速的变化曲线，台风经过时风速已接近70 m/s，超过风力发电机组的设计等级，但并未造成设备倒塌。

图2为另外一个位于台风中心登陆区域的风电场，倒塌风机8台、损坏叶片9台、烧毁机舱1台、主控室设备损毁，整个项目基本被摧毁。

评估台风对风电场的影响目前属于行业较为薄弱的环节。近年来，台风致灾风电场规律为台风眼、墙区域损失严重，台风外围风场可利用强风多发电。台风对风电场影响的评估，既要考虑极端风速、多种工况叠加下的载荷评估，优化设备选型，还要利用统计方法评估风场遭遇台风登陆中心的概率，合理规划风电开发［4］。

2.2 雷暴对风电项目的影响

雷暴是一种非常危险的气象灾害，放电过程中释放出强大的电流，会产生磁暴、高温、强光、冲击波等，极易对各类生物、设施设备造成显著的损毁或损伤。风电场在选址、选型中常常会针对雷暴天气进行分析，但是在实际运行过程中仍然常常会遭遇雷击损害，原因在于依赖气象站观测数据，缺乏风电场实际观测数据，因此需要关注雷暴多发区的风险管理和安全裕度。

风电机组选址一般在前后开阔的区域，风电场的输电线路多建于容易被观察到的空旷地带，孤立地暴露在自然环境中。风机容易遭遇直击雷，风电场对此种雷暴气象风险的防控措施较为充分。但在南方某些高山风电场，云层较多、对流天气剧烈，随机产生的感应雷也会对风电设备造成不同程度的危害，这种危害预防较为薄弱。如图3所示，风电叶片尖端安装有防雷引线，但仍被感应雷击中，造成叶片损坏。

2.3 凝冻对风电项目的影响

凝冻分为雾凇和雨凇。雾凇是过冷却的雾滴直接凝结在物体上，聚集为白色的冰晶物，结构蓬松易消融；雨凇是指大气中过冷的雨雪在降落过程中，附着在低于0℃的物体或地面上，凝结成的坚硬冰层，结构致密不易融化。对风电场影响较大的是雨凇，在我国南方山区，不同的雨凇天气过程，导致积冰交替积聚而形成的混合积冰，常常会导致测风塔损毁、倒塌。根据实际风电项目现场的观测数据还发现，相近的温度湿度条件下，凝冻积冰的厚度与风速成正相关［5］。

我国雾凇主要分布在黄淮、华北和东北地区、新疆地区的天山以北部等区域。如图4所示，雾凇附着在叶片，会改变它表面的气动效果，降低机组出力；附着在风速仪、风向标之上，会降低风速和风向的测量精度。

雨凇多分布在我国云贵高原、长江中下游以南山区。如图5所示风电机组叶片表面覆盖一层厚冰层，性能大大降低；冰层的重量又会造成叶片负载增加。雨凇也会对输电线路、交通运输造成危害，降低运维效率。

对凝冻的措施主要是使用可加热的风速仪和风向标，加装结冰观测设备。对叶片有加装疏水涂层、电阻丝覆膜、内壳热吹风等方式，从实际运行的结果来看，三种方式各有利弊，但没有完全解决凝冻灾害。

2.4 沙尘暴对风电项目的影响

我国沙尘暴天气多发生在北方地区春季，如新疆、青海、甘肃、内蒙古、河北等地，而主要的沙源地在外蒙古、塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地以及巴丹吉林沙漠。图6为遭受沙尘暴袭击的风电场。

强沙尘暴发生时风力往往8级以上，有时甚至可达12级，大风夹带的砂石碎屑带着强大的动能冲击风电机组外表面，使叶片表面磨损严重，破坏叶片的气动效果，磨损塔筒外漆，影响风电机组出力。如图7所示，某机组叶片在沙尘长期影响下发生损毁。防护沙尘暴灾害的措施主要是在叶片覆膜，但是需定期予以更换，会产生额外运维成本。

2.5 极温对风电项目的影响

极温包括极端低温天气和极端高温天气。以极端低温为例，我国极端低温的分布区域由北向南逐渐减少、由东北向西南呈略倾斜分布。黑龙江北部和内蒙古东部的极端低温会达到-40℃以下；除了黑龙江东部的东北大部、内蒙古中东部以及新疆北疆东部地区的极端低温可达-35～-40℃；黄淮、秦岭至西藏东南以北的大部分地区的极端低温在-25～-30℃之间，以南地区的极端低温均高于-15℃。

我国东北、华北、西北地区可开发的风能资源丰富，也是极端低温的主要分布区域，其最低温度都在-20℃以下。这些地区的极端低温会影响设备，如润滑油脂、液压油脂在低温时粘度增大，降低润滑或液压效果，若选错适应温度范围的油脂，会导致齿轮箱系统、液压系统运行效率降低，致使机组难以运转，特别是停机后启机时较为困难，危及设备的安全运行。极端高温主要会影响设备散热、加速电气设备老化等。极温环境下风电场气象灾害防控，主要是在设备选型过程制定相关技术适应性要求。

2.6 其他气象现象对风电项目的影响

一些气象现象会引发次生或者衍生的灾害，间接对风电场带来影响。如厄尔尼诺现象并非是一种直接气象灾害，但发生时容易出现极端的天气情况。如2016年是典型的厄尔尼诺年，这一年中国大部分地区受极冷空气影响，气温降幅达到10～15℃，南方出现大范围雨雪天气，极寒天气持续十多天［6］。它可能对风电场本身的设备不会造成重大影响，但是可能会对设备运输、吊装施工、现场巡检带来负面影响。

3 风电项目气象灾害风险的应对

综上分析可见，尽管风电行业已采取了不少技术和工程应对措施，但仍然出现了气象风险致灾案例。因此，探索风电项目气象灾害风险管理存在着现实的意义。

结合气象灾害特性和风险管理方法，探索了风电场风电气象灾害应对措施。即依托现有气象预报资源，建立风场局地气象灾害监测和预警服务，发现潜在风险；结合气象灾害风险对风电项目的影响，因地制宜制定风险回避、风险预防、风险转移等风险规避措施。

3.1 气象灾害监测和预警

气象灾害监测和预警服务，既可以从公共气象预报体系中获取，也可购买定制化商业气象服务。随着风电行业对气象服务的要求越来越高，风场安装相应的观测设备、传感器，也有不少风电场自建气象信息系统。

从风险管理的需求维度，其核心功能应包括：历史气象数据、实时气象观测数据、中尺度气象预报数据、风电项目以及电网运行数据，接收和发布全国范围内大风、雷电、冰冻、强降水等气象预警信息。它给风电场提供7天24小时不间断监控和预警，并利用移动互联技术、物联网技术等，使用在线终端设备实时掌握风电场气象信息、生产一线的情况。

3.2 风险回避

风电项目在开发和选址过程中，发现存在以下风险：①风险过高，现有技术和方法无法消除或者转移风险；②项目开发者对于风险的敏感度非常高，不愿意开发存在强烈风险的项目；③投资者有其他可供替代的项目，无需承担本项目所蕴含的风险，亦能获得相应的经济回报；④承担该风险开发项目之后，获得的经济回报的概率低于风险概率等情况，则可采取风险回避的措施。但风险回避是最保守也最安全的风险处理措施，回避了风险也就放弃了项目的开发。

3.3 风险预防

风险预防是指通过技术手段，对可能存在的风险进行分析，并有针对性地采取预防措施消除风险。风电项目气象灾害风险预防可采取如下措施：①分析风电项目所在区域的历史气象数据和观测数据，全面分析可能存在的各类风险；②基于概率统计法和数值模拟法，计算某个气象灾害的重现概率及影响程度；③归纳和总结各类气象灾害风险的具体参数，比照各类风电相关的设计和选型规范中的要求，确定相应风险等级；④根据风险等级，确定设备、设施等的选型和设计要求，以此作为采购和施工建设的标准。

3.4 风险转移

气象灾害风险典型的特征在于周期性和反复性，想要完全避免其带来的损失，付出的代价会相当高昂。同时，气象灾害风险又具备偶发性和可预测性，即存在一定可预测的概率。因此，可以通过一定经济补偿将风险转移给设备提供商、建设商、第三方等来规避风险，如延长运维质保、履约担保、对赌协议、气象保险等方式。

4 结语

总结了热带气旋、雷暴、凝冻、沙尘暴、极温等各类气象灾害影响，以及目前应对现状。在此基础上，提出了气象灾害特性和风险管理方法相结合的应对措施，即建立风电项目气象灾害监测预警信息系统、采用风险回避、风险预防、风险转移等等不同风险应对方法。以期对风电场的开发、建设和运行提供参考，避免和减少气象灾害对风电项目的影响和带来的经济损失。