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摘 要：在资源约束趋紧、环境污染严重的严峻形势下，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。随着风电场的大量兴建，风电机组的安全运行问题也备受人们的关注[1]。在影响风电场安全运行的诸多因素中，冬季气象灾害对机组的危害是一个不容忽视的问题。
文章结合我国风能资源分布及冬季气候特点，分析了低温，结冰等典型冬季气象灾害对风电场的影响，然后根据相关研究现状，提出了包含优化评估在内的几种应对解决方案。
0引言
我国风能资源主要分布在华东、华北、东南地区。目前全国约 75%左右的风机装机容量在“三北”（东北、华北、西北）地区[2]。这些地区冬季气候相对寒冷，降雪频繁，又由于风电场及输电线路普遍设置在空旷的自然环境中，低温、结冰，暴雪等冬季灾害性天气都会对风电场及电网安全造成影响，使风电设备遭到损坏，甚至冲击电网的线路安全。为此，开展气候变化背景下冬季气象灾害对我国风电场的影响分析，提出防御对策与建议，对提高我国风电场防御气象灾害的能力、有效保障风电场安全运行起到积极的作用。
1冬季气象灾害对风电场的影响分析
1.1低温
寒潮天气出现时带来的大风天气过程也是丰富的风资源，但随之而来的冬季低温也都会给风电场造成一定的影响。我国的低温灾害主要分布在东部地区和北部地区，且北部地区尤为严重，这些地区风能资源较丰富，但是冬季寒潮入侵时气温较低，对风机影响较大，低温成为影响风电场安全稳定运行的因素之一。
低温时空气密度增大，导致风电机组特别是失速型风电机组的额定输出转矩增加，出现过载现象；同时也会引起风轮叶片产生空气弹性振动，导致叶片后缘结构失效[3]而产生裂纹，因为叶片失速后气动阻尼会变为负值而结构阻尼会下降[4] [5]。研究表明，几乎所有的金属材料的疲劳极限都随温度的降低而提高，因此在风机设计中，一般当环境温度低于30℃时，风机将自动停机。
此外，风电机组所使用的润滑油受温度的影响也较大，因为：温度越低，油的黏度越大，其流动性变差，需要润滑的部位可能得不到充分的油量供应，从而危及设备的安全。就好比人体流淌着血液，油液之于风机也是如此，风力机的运作离不开油液的润滑，低温造成的油量供应不足等问题确实亟待解决。
1.2覆冰
覆冰是指地面树木、设施等物体表面产生的结冰现象，是雨凇、雾凇及二者混合体凝附或湿雪冻结在物体上形成的。就全国范围而言，覆冰的季节变化比较一致，一般秋季开始出现，冬季最频繁也最为严重，春季逐渐减少，3、4 月相继结束。在东北，春初短时季节气候变化频繁、温差幅度较大，处于临界状态的雨雪、雾、露遇到低温的设备体和金属结构体表面时会结冰。
对于风电场来说，覆冰是不容忽视的气象灾害，当风机叶片表面大量覆冰时，由于冰载荷的不平衡而增加机组零部件的疲劳[4] [5]，当叶片上冰的厚度较大时，冰块会脱落，可能带来意外伤害和损坏，同时使粗糙度增大，从而降低机翼的气动性，影响机组的正常运行；由于覆冰厚度不一，使叶片原有的翼型改变，造成风机的发电功率降低[6]；风机常规测风仪中的风杯被结成冰球，可导致测风数据不准，影响风机正常发电；风向出现偏差会影响风机主动偏航。
另外，输电线路覆冰，会因电线增加负重甚至导致电线断裂，影响电力的输送。文献[7]对上述問题进行了分析和探讨结冰对能量损失的影响见表1。
类似的气象问题，如暴雪天气，其本质是降水，只不过是降雪晶体和其聚合物雪团。暴雪是指24h降雪量（融化成水）超过10mm的降雪。和叶片覆冰一样，雪载荷的存在也会增加机组零部件的疲劳程度，可能带来意外伤害和损坏，影响机组正常运行。
2研究现状
目前，国内外的相关的研究仅限于从定性的角度分析风电场开发的自然灾害风险。
国外对于低温结冰对风电场的影响主要是针对监测手段、除冰和抗冰设备等进行研究（Clausen，2003；Clausen，2007；Hochart，2008）。如：如何来判断叶片是否结冰、冰的厚度等，并取得了一些成绩，但尚未研制出一种行之有效的传感器；而国内则注重低温结冰对于风电机组影响的探讨，在低温天气下，空气密度增大，风电机在同风速下的输出功率增大，控制系统如处理不当，容易出现超发甚至超负荷的情况（张健等，2008；孙鹏，2008；张礼达和张彦南，2009）。
3解决办法
3.1优化评估
国内外关于风电开发、灾害风险评估研究己取得了一定的进展，但还存在一些亟待开展研究的科学问题，比如：从灾害风险评估模型方法来看，大多针对单一灾种以概率统计为基础的指标体系静态评估，而对多灾种复合的自然灾害动态风险评估研究较少，为数很少的几篇文献简单提及自然灾害综合风险评估可以采取单灾种风险叠加的方法，有待进一步深入探讨等。
可以通过分析我国主要冬季气象灾害特征，揭示风电场开发的主要气象灾害影响，将层次分析法应用于风电场的冬季气象灾害风险评估[8]，建立主要冬季气象灾害对我国风电场风险性评价模型，评估得到我国各区域建风电场所承受的综合气象灾害风险大小，提出预防措施，为我国风电场开发与管理提供参考.
3.2低温和覆冰、雪问题
针对低温和覆冰问题对风电机组产生的不利影响，可以采取以下方法来加以解决：① 利用特殊的阻尼材料来提高复合材料叶片的结构阻尼；②改变翼型局部形状来改变翼型的气动性能；③ 在叶片内部安装阻尼器和减振器来降低叶片的振动；④ 安装局部加热系统 （如叶片、齿轮箱、发电机、控制柜等加热系统），其中叶片加热系统可以在叶片表面附近加入碳纤维成分来达到目的；⑤研制一种能除冰、抗冰的装置[9]；⑥在尽可能靠近叶片尖端部位安装先进的传感器来对叶片结冰情况进行监测分析，并采取相应措施 （如在叶片内部通入热的空气） 来使冰融化等[10]。应从提高风力机用材料的性能着手，进行技术上的改进， 而不仅仅停留在对国外机组的简单改进层面上。另外，要尽快研究适用于低温环境条件的风电机组技术标准和设计规范，从设计的源头做起，降低技术风险。 4 結论
本文对冬季几种典型气象灾害对风电机组的影响进行了分析总结，并给出了相应的解决措施；但由于气候条件的多变性、随机性，还有很多挑战性问题的工作需要业内人士探讨。
总之，冬季气象灾害，如低温，覆冰，暴雪均会影响风电场的安全，在风电场选址和可行性研究中要予以充分的关注，在风电场的运行过程中要有完备的防范措施，以免带来不必要的经济损失。
参考文献：
[1]Dexin He， China Wind Energy Development Strategy Research[J]. Chinese Engineering Science， 2011， 95（6）：95-100
[2] Lida Zhang， Yannan Zhang. Analysis of the impact of meteorological disasters on wind farms [J]. Xihua University college of Energy and Environment， China.2009.
[3]Wind turbine operation：causes for failure [DB] .http：//euwinet.iset.uni-kasse1.de.
[4] Peng Sun， Feng Wang， Zhijun Kang. Analysis on the Influence of Low Temperature on Wind Turbine Operation [J]. Inner Mongolia Electric Power Technology， 2008，26 （5）： 8-10.
[5] Zihan Lin， Youfei Zheng. Study on effects and countermeasures of main meteorological disasters on wind power development in Jiangsu province [D] Nanjing Information Engineering University， China.2012
[6] Tammelin B. （1997）， Wind Energy Production in Cold Climate [A]， European Wind Energy Conference [C]. October， Dublin Castle， Ireland， 1997.347-353.
[7] Xiangming Wang， Influence of Low Temperature Environment on Wind Turbine [J]. Wind Power， 2005， （3）：37-39.
[8]Shook G. An assessment of Disaster Risk and its Management in Thailand [J].Disasters， 1997， 21（1）： 77-88
[9]Lorenzo Battisti. Anti-icing system for wind equipment. [P]. Italy：WO2004/O36o38.2004.
[10] Li-da Zhang， Lachun Ren.Analysis of the impact of severe weather conditions on wind turbines.[J]
[11] Yan Chen， Jinyuan Zhang， Zhiquan Ye. Reliability of wind turbine in harsh environment.[J]. Wind power generation， 2005 （3） ： 20-24.
[12] Hong Jia， Bo Zhou，Guangbing Liu， Based on the risk model advantage of Analytic Hierarchy Process（AHP） analysis[J]. Journal of Southwest Jiaotong university，2009，44（1）：72-76
文章结合我国风能资源分布及冬季气候特点，分析了低温，结冰等典型冬季气象灾害对风电场的影响，然后根据相关研究现状，提出了包含优化评估在内的几种应对解决方案。
0引言
我国风能资源主要分布在华东、华北、东南地区。目前全国约 75%左右的风机装机容量在“三北”（东北、华北、西北）地区[2]。这些地区冬季气候相对寒冷，降雪频繁，又由于风电场及输电线路普遍设置在空旷的自然环境中，低温、结冰，暴雪等冬季灾害性天气都会对风电场及电网安全造成影响，使风电设备遭到损坏，甚至冲击电网的线路安全。为此，开展气候变化背景下冬季气象灾害对我国风电场的影响分析，提出防御对策与建议，对提高我国风电场防御气象灾害的能力、有效保障风电场安全运行起到积极的作用。
1冬季气象灾害对风电场的影响分析
1.1低温
寒潮天气出现时带来的大风天气过程也是丰富的风资源，但随之而来的冬季低温也都会给风电场造成一定的影响。我国的低温灾害主要分布在东部地区和北部地区，且北部地区尤为严重，这些地区风能资源较丰富，但是冬季寒潮入侵时气温较低，对风机影响较大，低温成为影响风电场安全稳定运行的因素之一。
低温时空气密度增大，导致风电机组特别是失速型风电机组的额定输出转矩增加，出现过载现象；同时也会引起风轮叶片产生空气弹性振动，导致叶片后缘结构失效[3]而产生裂纹，因为叶片失速后气动阻尼会变为负值而结构阻尼会下降[4] [5]。研究表明，几乎所有的金属材料的疲劳极限都随温度的降低而提高，因此在风机设计中，一般当环境温度低于30℃时，风机将自动停机。
此外，风电机组所使用的润滑油受温度的影响也较大，因为：温度越低，油的黏度越大，其流动性变差，需要润滑的部位可能得不到充分的油量供应，从而危及设备的安全。就好比人体流淌着血液，油液之于风机也是如此，风力机的运作离不开油液的润滑，低温造成的油量供应不足等问题确实亟待解决。
1.2覆冰
覆冰是指地面树木、设施等物体表面产生的结冰现象，是雨凇、雾凇及二者混合体凝附或湿雪冻结在物体上形成的。就全国范围而言，覆冰的季节变化比较一致，一般秋季开始出现，冬季最频繁也最为严重，春季逐渐减少，3、4 月相继结束。在东北，春初短时季节气候变化频繁、温差幅度较大，处于临界状态的雨雪、雾、露遇到低温的设备体和金属结构体表面时会结冰。
对于风电场来说，覆冰是不容忽视的气象灾害，当风机叶片表面大量覆冰时，由于冰载荷的不平衡而增加机组零部件的疲劳[4] [5]，当叶片上冰的厚度较大时，冰块会脱落，可能带来意外伤害和损坏，同时使粗糙度增大，从而降低机翼的气动性，影响机组的正常运行；由于覆冰厚度不一，使叶片原有的翼型改变，造成风机的发电功率降低[6]；风机常规测风仪中的风杯被结成冰球，可导致测风数据不准，影响风机正常发电；风向出现偏差会影响风机主动偏航。
另外，输电线路覆冰，会因电线增加负重甚至导致电线断裂，影响电力的输送。文献[7]对上述問题进行了分析和探讨结冰对能量损失的影响见表1。
类似的气象问题，如暴雪天气，其本质是降水，只不过是降雪晶体和其聚合物雪团。暴雪是指24h降雪量（融化成水）超过10mm的降雪。和叶片覆冰一样，雪载荷的存在也会增加机组零部件的疲劳程度，可能带来意外伤害和损坏，影响机组正常运行。
2研究现状
目前，国内外的相关的研究仅限于从定性的角度分析风电场开发的自然灾害风险。
国外对于低温结冰对风电场的影响主要是针对监测手段、除冰和抗冰设备等进行研究（Clausen，2003；Clausen，2007；Hochart，2008）。如：如何来判断叶片是否结冰、冰的厚度等，并取得了一些成绩，但尚未研制出一种行之有效的传感器；而国内则注重低温结冰对于风电机组影响的探讨，在低温天气下，空气密度增大，风电机在同风速下的输出功率增大，控制系统如处理不当，容易出现超发甚至超负荷的情况（张健等，2008；孙鹏，2008；张礼达和张彦南，2009）。
3解决办法
3.1优化评估
国内外关于风电开发、灾害风险评估研究己取得了一定的进展，但还存在一些亟待开展研究的科学问题，比如：从灾害风险评估模型方法来看，大多针对单一灾种以概率统计为基础的指标体系静态评估，而对多灾种复合的自然灾害动态风险评估研究较少，为数很少的几篇文献简单提及自然灾害综合风险评估可以采取单灾种风险叠加的方法，有待进一步深入探讨等。
可以通过分析我国主要冬季气象灾害特征，揭示风电场开发的主要气象灾害影响，将层次分析法应用于风电场的冬季气象灾害风险评估[8]，建立主要冬季气象灾害对我国风电场风险性评价模型，评估得到我国各区域建风电场所承受的综合气象灾害风险大小，提出预防措施，为我国风电场开发与管理提供参考.
3.2低温和覆冰、雪问题
针对低温和覆冰问题对风电机组产生的不利影响，可以采取以下方法来加以解决：① 利用特殊的阻尼材料来提高复合材料叶片的结构阻尼；②改变翼型局部形状来改变翼型的气动性能；③ 在叶片内部安装阻尼器和减振器来降低叶片的振动；④ 安装局部加热系统 （如叶片、齿轮箱、发电机、控制柜等加热系统），其中叶片加热系统可以在叶片表面附近加入碳纤维成分来达到目的；⑤研制一种能除冰、抗冰的装置[9]；⑥在尽可能靠近叶片尖端部位安装先进的传感器来对叶片结冰情况进行监测分析，并采取相应措施 （如在叶片内部通入热的空气） 来使冰融化等[10]。应从提高风力机用材料的性能着手，进行技术上的改进， 而不仅仅停留在对国外机组的简单改进层面上。另外，要尽快研究适用于低温环境条件的风电机组技术标准和设计规范，从设计的源头做起，降低技术风险。 4 結论
本文对冬季几种典型气象灾害对风电机组的影响进行了分析总结，并给出了相应的解决措施；但由于气候条件的多变性、随机性，还有很多挑战性问题的工作需要业内人士探讨。
总之，冬季气象灾害，如低温，覆冰，暴雪均会影响风电场的安全，在风电场选址和可行性研究中要予以充分的关注，在风电场的运行过程中要有完备的防范措施，以免带来不必要的经济损失。
参考文献：
[1]Dexin He， China Wind Energy Development Strategy Research[J]. Chinese Engineering Science， 2011， 95（6）：95-100
[2] Lida Zhang， Yannan Zhang. Analysis of the impact of meteorological disasters on wind farms [J]. Xihua University college of Energy and Environment， China.2009.
[3]Wind turbine operation：causes for failure [DB] .http：//euwinet.iset.uni-kasse1.de.
[4] Peng Sun， Feng Wang， Zhijun Kang. Analysis on the Influence of Low Temperature on Wind Turbine Operation [J]. Inner Mongolia Electric Power Technology， 2008，26 （5）： 8-10.
[5] Zihan Lin， Youfei Zheng. Study on effects and countermeasures of main meteorological disasters on wind power development in Jiangsu province [D] Nanjing Information Engineering University， China.2012
[6] Tammelin B. （1997）， Wind Energy Production in Cold Climate [A]， European Wind Energy Conference [C]. October， Dublin Castle， Ireland， 1997.347-353.
[7] Xiangming Wang， Influence of Low Temperature Environment on Wind Turbine [J]. Wind Power， 2005， （3）：37-39.
[8]Shook G. An assessment of Disaster Risk and its Management in Thailand [J].Disasters， 1997， 21（1）： 77-88
[9]Lorenzo Battisti. Anti-icing system for wind equipment. [P]. Italy：WO2004/O36o38.2004.
[10] Li-da Zhang， Lachun Ren.Analysis of the impact of severe weather conditions on wind turbines.[J]
[11] Yan Chen， Jinyuan Zhang， Zhiquan Ye. Reliability of wind turbine in harsh environment.[J]. Wind power generation， 2005 （3） ： 20-24.
[12] Hong Jia， Bo Zhou，Guangbing Liu， Based on the risk model advantage of Analytic Hierarchy Process（AHP） analysis[J]. Journal of Southwest Jiaotong university，2009，44（1）：72-76