在风力发电蓬勃发展的今天，中国风电发展取得长足的进步。我国自主研发的机组从中国的西北走向华北、从东北走向中南部区域、从戈壁草原走向高原山脊、从大陆慢慢漂浮发展到海上。中国领土南北延伸约50纬度，加之青藏高原、西北戈壁和东南沿海等地理特点造成了中国气候多种多样^[1]。风电机组的设计对地域适宜性显得更加重要，因此，风电机组开发出普通型、高原型、低温型、防盐雾和低风速型等适应不同生存条件的风电机组。我国逐步在中南部区域开发建设风电场时，又遇到冬季的雨雪冰冻灾害对风电机组的影响^[2]。南方发生雨雪冰冻呈现一定的特点，通过对冰冻规律的研究有利于风电场投资测算和风电场运营管理。

集团从开发建设中南部风电场以来，对风电机组覆冰导致发电量损失的统计有三个年度。主要发生在河南、湖北、湖南、广西和云南风电场。表1为近三年集团风电机组覆冰损失发电量。

表1近三年集团风电机组损失发电量（万kWh）

2021-2022年因机组叶片覆冰的发电量损失大约是往年的2.2倍。主要有两个原因：

（1）从气候环境看，该年度发生覆冰项目主要在中南部区域，中南多地均遭受到了多年不遇的寒潮天气，部分项目发生了因覆冰强度较大导致集电线路倒塔和测风塔倒塔事件发生。

（2）从风资源条件看，湖北和湖南项目今年发生机组叶片覆冰时平均风速约为10.2m/s,比历年覆冰时平均风速8.1m/s高出约2m/s。

集团在中国三大区域均有不同装机容量，在覆冰环境上统计上，北方区域（包括山西、河北、内蒙、山东和东北三省）、中部区域（河南、安徽、山东和湖北）与南方区域（湖南、广西和云南）均有覆冰情况发生，图1为三年集团在不同区域的覆冰项目的数量。

图1集团不同区域发生机组覆冰项目数量

2020-2021年北方区域发生覆冰的项目较多，根据当年气候条件有以下说明：

（1）2020-2021年主要因为辽宁省2020年秋季降水量比往年增加40%，导致整体气候湿润。深秋降温后辽宁项目首先发生叶片覆冰停机，停机时间较短，后续未再发生叶片覆冰停机情况。

（2）北方区域发生叶片覆冰停机发生最早，覆冰时间短。

根据行业经验，影响风电机组叶片覆冰的环境因素有：温度、湿度、风速、水滴直径、空气液态水含量和县（区）内相对高度。

风机覆冰会在气温低于阈值，湿度近于饱和（有液态水析出），风速达到一定速度以上（有一定的液态水汽输送）等条件下发生。

3.1 覆冰与温度湿度关系

经过对集团覆冰项目覆冰停机时/起机时的温/湿度和风速进行了统计,温度过高或者过低均不易发生覆冰，较大相对湿度条件下有利于凝结冰冻发生。图2为集团覆冰项目覆冰停机和起机温度、湿度分布图。

图2集团覆冰项目覆冰停机和起机温度、湿度分布图

集团覆冰项目停机温度主要发生在-5~2℃，恢复起机温度主要发生1~5℃；停机时相对湿度为80~90%以上，并且存在微降雨或大雾状态。

3.2 覆冰时风速情况

一般情况下，寒潮来临伴随较好风速，并且主要为东北风和西北风方向。

经过对集团近三年中南部风电场风机覆冰停机时的风速统计，风速在5~10m/s，尤其6~8m/s居多。因为风速较小时，空气中送到叶片内表面的液态水达不到凝冰的条件，不易发生凝冰。

例如：2022年，湖南某项目发生一次叶片覆冰时，同时风机塔筒也发生了凝冰和覆冰情况。当气温上升塔筒开始融冰时，发生了塔筒融冰造成设备损坏的情况，塔筒覆冰面均处于主风向，平均风速8.6m/s，风向为北风。

按照集团装机区域及覆冰情况分为三个大区：

北方区域：包括山西、河北、内蒙、山东和东北三省

中部区域：河南、安徽、山东和湖北

南方区域：湖南、广西和云南

分别以三个区域代表地形地貌、气候和植被进行分析，各地理环境有较大的地理特征，详见表2，各大区域典型覆冰项目的地理特征。

表2 各大区域典型覆冰项目的地理特征表^[1,5]

集团发生机组覆冰损失较多项目的分布在湖北、湖南和广西中南部区域各项目。湖北和河南区域年平均气温14~16℃，冬季最低极端气温-10~-5℃，年平均降水量800~1000mm，且植被覆盖程度高；湖南和广西年平均气温约18.5℃，冬季极端气温在-5℃，年平均降水量1500~1800mm，且植被覆盖程度较高。中南部区域在冬季时相对湿度较大，当温度在0℃附近时容易发生叶片覆冰情况。

从集团近年每轮覆冰项目分析，入冬前气温降低首先影响东北区域，降温较快，；入冬后冰冻主要影响中南部区域，随着进入深冬，影响的范围逐渐向东、向南扩张。主要有以下原因特点：

（1）入冬前气温降低首先影响东北区域，出现雨雪天气后容易出现冰冻，后续气温干燥后发生覆冰概率较低。

（2）当每年进入冬天，西伯利亚寒流从我国西北部进入，经过内蒙古自治区直达华中地区，对集团风电场影响首当其冲的就是河南和湖北区域的风电场。

（3）冬季转春时节，大陆区域依然还有较强冷空气，但并不能形成较大范围的降温天气。随着春季海洋暖流逐渐向大陆扩张，较强冷空气与太平洋暖流在我国东部交汇时容易造成东部区域暴雪天气，对于江淮流域、江汉流域造成较大范围的强对流天气，大部分区域降温，局部暴雨、雷电伴随大风天气。

当遇到范围较大的覆冰时，各项目覆冰存在一定的规律性，图3为2020年某次覆冰的时间趋势。

图3 2020年某次覆冰各项目覆冰时间趋势

从上图分析，本次最先出现覆冰/冰冻项目为吉林某风电场，随着冷空气的南下，中部和南部风电场陆续发生机组覆冰停机情况。

6.1 结论

（1）集团风电机组覆冰主要发生在中部和南部区域，区域特点是：降水丰富，年平均降水量大于800mm，山区植被覆盖程度较高，植物多为落叶阔叶林。

（2）场区环境气温降低到2℃以下，相对湿度80%以上时，风机会产生覆冰，且覆冰持续时间与该气温条件持续时间基本一致。

（3）一般冬季冷空气南下期间，处于气温0度线附近区域，易产生设备覆冰的天气条件，覆冰区域可根据天气预报提前准备应对措施。

6.2 建议

（1）对于年平均降水量＞800mm，植被丰富，冬季气温＜2℃且相对湿度＞80%天气频发的区域，项目开发建设时，风机、电气设备和集电线路等设计采购时应考虑防覆冰要求。

（2）对以上区域项目进行经济性评价时，需要考虑当地环境造成项目机组覆冰停机和冰冻灾害造成的发电量损失。

参考文献

[1]丁一汇.中国自然地理系列专著:中国气候[M].北京:科学出版社,2013.

[2]陈彩凤,杨杰,成斌等.覆冰条件下旋转风力机叶片应力与模态分析[J].玻璃钢/复合材料，2018(7)：26-30.

[3]吕庆,宁立伟,魏克湘等.风力机叶片气热除冰系统研究[J].玻璃钢/复合材料，2017（09）:63-66.

[4]蒋立波.冰冻对风力机气动性能的影响及应对研究[D].长沙理工大学,2016.

[5]许世远.中国自然地理系列专著:中国地貌[M].北京:科学出版社,2016.

作者：协合新能源集团有限公司 张莹博 姚志伟 李怀卿 马海鹏 梁会森 刘瑞卿