黑龙江省极端最低气温对风电工程的影响评估分析

王凤玲，李亚滨，刘春生

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

黑龙江省极端最低气温对风电工程的影响评估分析

王凤玲，李亚滨，刘春生

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW。中国风能储量大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53×109KW，开发利用潜力巨大[1]。黑龙江省属中温带、寒温带大陆性季风气候，风能资源非常丰富，目前正在积极开发利用风能资源。

在风电工程建设中，由于风力发电机组作为一种野外自然环境下的发电设备，高低温、雷暴、风沙、冰冻等恶劣气候条件都会给风力发电机组的设计、制造、运行和维护带来很大的困难[2]。其中低温对风力发电机的影响极为重要。

研究表明，如果风电场的环境温度<-20℃和<-30℃时，机组的运行状况、零部件的性能、机组的可维护性等方面将发生变化，可能会造成风力发电机组超出设计允许范围，情况严重时甚至会引起严重的安全事故[2]。黑龙江省地处祖国的最北端，冬季漫长而寒冷，在每年冬季的四个月中，全省平均有78 d极端最低气温<-20℃，而黑龙江省北部地区全年平均有42 d气温<-30℃，对风力发电机的正常运转影响极大。

2 资料来源及说明

本文采用黑龙江省77个台站1961年至今48 a来的逐日极端最低气温资料进行统计分析，通过5 d滑动平均法找出各台站稳定通过-20℃的初、终日，从而得出黑龙江省各台站由于低温对风电工程有影响的分布和变化情况。

3 全省极端最低气温≤-20℃日数多年变化情况

3.1 全省代表站极端最低气温≤-20℃日数多年变化对比分析

随着全球气候变暖，黑龙江省的气温也随之变暖，其中增幅最明显的是冬季，从数据资料分析得出，全省各台站逐年的极端最低气温均明显上升，但升温幅度的变率却各有不同，其每年出现≤-20℃的日数也逐年减少。选取风电工程有显著代表性的15个站的极端最低气温日数进行逐年变化分析。

从图1中可看出，极端最低气温≤-20℃的日数多年来均呈现减少趋势，但变化曲率不同，北部大兴安岭一带的极端最低气温日数减少幅度较小，显著低于全省多年平均值，尤其是漠河，减少幅度仅为0.275；而西部地区台站的日数减少幅度较大，其中泰来、富裕均高于全省多年平均值，富裕多年来的极端最低气温日数变化幅度为0.8369；中、东部地区的台站除通河的减少幅度明显低于全省平均值外，其它各站均在全省多年平均值左右，但海林多年来极端最低气温升温异常明显，其≤-20℃的日数减少幅度为15个代表站中最高的一个，达0.9861。

图1 黑龙江省各台站48 a平均极端最低气温日数变率图

3.2 各地域台站极端最低气温≤-20℃日数变化分析

按东南西北四个区域分别选取11个代表站，其中北部代表站为漠河、黑河、嫩江；西部代表站为泰来、富裕；中南部代表站为伊春、通河、依兰；东部代表站为海林、抚远、饶河。

从图2可看出，北部地区的极端最低气温≤-20℃日数较多，在70～160 d，其中以漠河站最多，北部地区48 a来的极端最低气温≤-20℃日数减少幅度较小，尤其是漠河；西部地区低温日数较少，尤其是80年代中期后，低温日数减少的幅度明显加大，2007年泰来极端最低气温≤-20℃日数仅为7 d，虽然泰来低温日数很少，但和富裕相比，48 a来变率不如富裕大，富裕48 a来的低温日数变率达到0.8369；中北部地区的3个代表站，依兰低温日数最少，伊春最多，通河次之，从日数减少变率来看，依兰的低温日数减少的最多；东部3个代表站48 a来极端最低气温≤-20℃日数变化幅度均较大，其中海林最大，达到0.9861，主要是由70年代末期后低温日数迅速减少而导致的。

图2 代表站极端最低气温≤-20℃日数曲线图

4 黑龙江省极端最低气温≤-20℃台站的空间分布及对风电工程的影响

研究表明：如果风电场的环境温度<-20℃，风速超过额定点以后（大约16～18 m/s），在风力发电机组正常运行过程中，会发生无规律的、不可预测的叶片瞬间振动现象，即叶片在旋转平面内的振动，这种振动有时会发散，导致机组振动迅速增加，造成机组停机，影响机组的正常发电。同时，这种振动对叶片也是有害的，它会在叶片最大弦长位置产生横向裂纹，严重威胁叶片结构安全[3]。

图3 黑龙江省各台站极端最低气温≤-20℃初、终日分布图

从图3可看出，大兴安岭大部地区在11月上、中旬至3月中、下旬期间内日极端最低气温稳定≤-20℃，低温时段长达近5个月，对风力发电机正常运行极为不利；黑河、伊春、齐齐哈尔北部、绥化北部等地则在11月下旬至2月下旬期间极端最低气温稳定≤-20℃，比北部地区低温日数减少1个月左右；而松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地区的极端最低气温稳定≤-20℃，持续时间在12月中旬左右至2月中旬，低温日数较少，对风力发电机的影响也较低，尤其是佳木斯、依兰、双鸭山、鹤岗一带的台站极端最低气温稳定≤-20℃的初终日在12月下旬至1月下旬，时间仅为1个月左右，对风力发电机叶片的影响极低。从图4可看出，黑龙江省各台站极端最低气温≤-20℃日数分布，北部日数最多，松嫩平原大部、三江平原大部及牡丹江地区的低温日数较少，双鸭山、鸡西等地的低温日数最少，对风力发电机的正常运行影响较小。

图4 黑龙江省各台站极端最低气温≤-20℃日数分布图

5 黑龙江省极端最低气温≤-30℃台站的空间分布及对风电工程的影响

研究表明，当风力发电场的环境温度≤-30℃时，风力发电机叶片可能不运转，发电机中承受循球载荷的金属部件将出现低温疲劳问题，它将随着温度的降低而增大，敏感性增大，易出现断裂情况。风力发电机组所使用的润滑油在极低的温度环境下流动性将变差，机组在这种情况下难以运转，需要润滑的部位可能得不到充分的润滑油供给，危及设备的安全运行。根据这一指标，对黑龙江省的台站出现极端最低气温≤-30℃做出评估，随着近年来气候的逐渐变暖，黑龙江省只有北部大兴安岭地区等台站出现极端最低气温稳定≤-30℃的时间段，其中漠河出现在11月下旬至2月下旬，其它台站均在12月下旬至1月下旬左右。由此可以说明，除北部地区外，黑龙江省其它各地的风电工程建设均不会受到极端最低气温≤-30℃的严重影响。

图5 黑龙江省1961年以来各台站出现极端最低气温≤-30℃日数分布图

从图5可看出，大兴安岭、黑河地区极端最低气温≤-30℃日数最多，为50～100 d，松嫩平原西部、三江平原大部及牡丹江部分地区极端最低气温≤-30℃日数在10～25 d，双鸭山、鸡西等地出现日数＜10 d，其它地区在25～50 d。由此说明，松嫩平原西部、三江平原及牡丹江一带的极端最低气温≤-30℃日数出现概率极小，对风电工程的建设十分有利。

6 结论

（1）北部地区的极端最低气温≤-20℃日数减少幅度较小，西部松嫩平原一带低温日数减少幅度较大。

（2）大兴安岭、黑河一带的低温时段较长，对风电工程建设极为不利，松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地区的低温时段较短，对风电工程影响较小，双鸭山、鸡西、鹤岗一带的低温时段非常短，对风电工程极为有利。

（3）黑龙江省除北部大兴安岭地区台站的极端最低气温出现≤-30℃时段，不适合风电工程的建设外，其它各台站全年中出现极端最低气温出现≤-30℃日数的概率极小，对风电工程建设较为有利。

［1］2008-2009年中国风能产业行业市场深度分析及发展趋势研究报告[R].2009.

［2］王相明.低温环境对风力发电机组的影响初探[J].风力发电,2005,(3):37-39.

［3］张礼达，任腊春.恶劣气候条件对风电机组的影响风析[J].水力发电，2007,33(10):67-69.

S426

A

1002-252X(2012)02-0023-04

2012-2-1

王凤玲(1964-)，女，黑龙江省五常市人，气象职工中专，大专生，工程师.