气候变化对中低风速风电场发电出力影响研究

【摘 要】风能作为一种清洁的可再生能源，越来越被各国所重视，并得到大规模发展。“十三五”期间，我国并网风电得到迅速发展，已进入  可再生能源大国行列。随着“双碳”目标的提出，中国新能源战略把大力发展风力发电作为重点，风力发电发展前景广阔。2021年11月16日，财政 部中央预算公共平台官网发布“关于提前下达2022年可再生能源电价附加补助地方资金预算的通知”显示，本次下达总计新能源补贴资金38.7亿元 中，风电就占15.5亿元。随着风能被大规模发展，为了促进发电效率提升和发电经济效益进一步提高，关注风电场的部署及运行对生态环环境和气 候的影响，采取相应措施减缓气候变化对中低风速风电场发电出力不良的影响，是本文阐述的重点，供关注者借鉴。

【关键词】气候变化；中低风速风电场；发电出力影响研究

引言

为解决传统能源污染环境较严重及其利用率不足的问题，各国均大  力倡导开发新能源，发展低碳电力。随着“碳达峰、碳中和”目标的提  出，风能作为一种无污染、可再生、占地少、开发利用技术成熟的新  能源，在世界各国得到了发展和利用。但风力发电以风能为一次能源， 易受气候条件的影响，对长时间尺度下气候模式的变化比较敏感。气候  变化可能明显地改变风速的统计分布特性，影响风力发电机组的功率输  出。因风能与风速的立方呈比例，长时间尺度上气候模式变化导致的平  均风速异动对中低风速风电场的影响更为突出。由于受空气密度、尾流、 场用电和线损、风力等影响，风力发电风电出力的季节特性、日特性、 出力波动率、出力概率区间、保证容量和有效出力等指标也不同，充分  分析气候变化对中低风速风电场发电出力的影响，科学采取优化措施， 将有利于提升风能发电出力效率。

1 概 述

1.1风力发电

风能是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能， 这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再 透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前大部分风 车的技术指标，一般为每秒3米的微风速度即可切入开始发电。

1.2风力发电机组

风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。风电场的风力发电机 组所产生的电能，通过箱变升压至10kv 等级后。通过架空线路或者电 缆输送至风电场的变电站，变电站再次升压，升到更高的电压等级后  (35kv,110kv     等),通过高压架空线路并入电网。风力发电机组主要 由两大部分组成：风力机部分(风能转换为机械能)和发电机部分(机械 能转换为电能)。

1.3风电场发电出力

风电场发电出力指的是当前风场所有风力发电机组发出的总电功 率，也就是当前风场向电网输送的有功功率。风电场按照地理位置，可 分为海上和陆上两种。

2实施中低风速风电场发电的意义

2.1风力发电的优势

清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短，在陆地上或 海上都能建设；装机规模灵活，运行和维护成本低(风力发电机组的运  行维护简单，其自身的自动化水平高。风力发电机组的实际占地面积小， 并且风力发电可以与其他能源发电形式如光伏，水电等的形成互补系 统，也可单独运行，进行分散式的布局非常有利。如果计算进入煤电的 运输成本以及环境保护相关成本，风电价格是最便宜的能源。

2.2中低风速风电场发电是顺应发展趋势

作为新能源发电技术中最成熟而又适合大规模开发的发电形式，风 力发电以其零污染、零排放的特点成为近十年来全球发展最为迅猛的新 能源类型；风力发电是把风的动能转为电能，其蕴量巨大，全球的风能 约为2.74×10^9MW,其中可利用的风能为2×10^7MW, 比地球上可开发 利用的水能总量还要大10倍；风能作为一种清洁的能源，在二十一世纪 资源匮乏，环境问题突出的今天有着相当大的吸引力，所以，世界大范围 内发展风力发电技术来取代传统的燃煤和燃油火电；风能将是21世纪最 有发展前景的绿色能源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。

2.3产业政策优势

随着“碳达峰、碳中和”目标以及《风电发展“十三五”规划》等 政策将低风速分散式风电开发作为产业发展的重点，低风速风电场建设 逐步提速。由于低风速风电发展空间巨大，业内甚至将其称为风电产业 下一片“希望的田野”; 风电产业是我国战略性新兴产业的重要组成 部分，风力发电是可再生能源领域中技术成熟、最具规模开发条件的发 电方式之一；风力发电已经成为我国发展的一项战略工程；在全球气候 变暖背景下，随着温室气体排放量增加，我国地面风速减弱趋势更显著, 重视中低风速风电技术的发展和中低纬度地区风能开发，具有深远意义。

2.3我国风力资源丰富

一般说来，每秒3米的风就有利用的价值(但从经济合理的角度出 发，风速大于每秒4米才适宜于发电),风速愈大(切出风速内),经济 效益也愈大；我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在 每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更 大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天，发展风力发电很 有前途。

3应对气候变化对中低风速风电场发电出力影响的措施

3.1风电场的建设

作为风电场建设的前期准备工作，风能资源评估需要在候选场址进 行完整年份的测风；根据测风塔高度风速数据与邻近气象台站风速观测 数据，构建两者之间的相关关系；再籍此评价候选风场风速及风能的多 多年均值及年际变化。需要指出的是，风能资源评估隐含默认气候模式 固定，并没有考虑到长时间尺度上气候模式变化对年均风速的影响。我 国及北半球大量地面气象站点的风速观测数据表明，大多数站点的年均 风速在长时间尺度上呈下降趋势。其原因可能是气候变化导致高纬度高 寒地带明显升温，高低纬度带间温差的下降影响了其间的气压差和风速 分布。因一次能源来自于风能，风力发电直接受气候条件的影响，对长 时间尺度下气候模式的变化较为敏感。气候变化可能明显改变风速的统 计分布特性，影响风电出力与投资效益。

3.2气候变化背景下优化风电场运行的措施

3.2.1风力发电机组调控

通过中控室的监控系统监视风力发电机组的各项参数变化及运行 状态。当发现异常变化趋势时，通过监控程序的单机监控模式连续监视该机组的运行状态、采集数据的变化情况，优化风机切入上网流程，并根据实际情况采取相应的处理措施，预防设备损毁、风机停运等事故的发生。定期到每台风机的现场将风机停止运行，不仅要通过目视观察等直观方法对风力发电机组外观进行巡检，还要耗费大量时间登上风机机舱对其内部设备运行状况进行巡检。若发现故障隐患，及时报告处理，查明原因，排除隐患，避免事故发生，减少经济损失。

3.2.2升压站变电及配电设备

我国部分地区风沙伴存，风电设备受风沙磨损大，低速风机受此影响更为明显。同时，随着“十四五”期间风电站储能设备的配置增加，运行人员除通过中控室监控系统对升压站设备的运行状态、运行数据、 事件信息监控以外，还要定期巡检升压站变电及配电设备、储能电池等 设备，记录设备，记录设备运行状态，根据运行记录合理制定相关的维 护工作计划，及时检修维护设备；加大集电线路的巡查力度，确保集电 线路安全稳定运行。

总结

中低速风电场对气候的变化的敏感性较强，导致风电出力的变化率大不仅表现在其日出力波动特性上，同时其季节出力波动也较大，进一步加强风电调度管理，强化风电运行分析，加强风功率预报预测，掌握风电反调峰特点，科学调整运行方式，保障电网安全稳定运行和清洁风能的最大程度消纳，将为我国中低风速风电场发电出力提供坚强保障。

参考文献：

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中国气象局公共气象服务中心2021年度创新基金项目(面上项 目),复杂地形气候背景下的贵州新能源应用需求调查和挖掘研究，M2021014

作者简介：汤天然(1991.08),男，汉族，江西省萍乡县人，硕士 研究生，工程师，从事气象工作。