台风对风力发电影响的分析报告

【摘 要】本文对在2014年8月6日强台风“威马逊”对湛江风力发电行业影响的进行了实地调研，查看了风电场受台风损失情况，与业主交流了解到风机的防台风管理机灾后处理情况，然后提出分析，仅供同行参考。

【关键词】台风；风力发电；分析

1 台风路线及影响

2014年7月18日15时30分，今年9号强台风“威马逊”在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，并向西北方向移动，中心附近最大风力达到17级（60米/秒）；又于19时30分在广东省徐闻县龙塘镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力17级（60米/秒），中心最低气压910百帕。再后来又于7月19日7时10分在防城港市光坡镇登陆。“威马逊”前两次登陆时达到超强台风级别，是1973年以来登陆华南的最强台风。

台风路径沿线的风电场在此次台风中经历了严峻考验。其中，某电场33台的风机有3台出现了问题，其中一台被吹倒，另外2台的叶片飞掉。某集团旗下的电场安装的33台TW1500/77风机，13台被吹倒，5台则出现了损坏现象，如叶片破裂、发电机掉落、机舱被揭开等等，无法运行。紧邻该风场的电场的25台海装2MW风机遭受了正面袭击，该HZ87-2000抗台风型风电机组设计极限风速为70m/s，在台风中没有受损运行正常。据新闻报道，有些电场发现一些风力发电机组受到不同程度破坏。

2 风电场损失情况及分析

2.1 受损情况

图2-1 风机机舱、叶片损毁，塔筒折断

图2-2 风机塔筒倒塌，机舱完全损毁。

图2-3 风机塔筒在根部基础环处倒塌。

图2-4 风机叶片完全损毁。

2.1.1 风场损失统计

该电场33台风力发电机有18台被台风摧毁，其中13台塔筒折断倒伏在地；5台被机舱轮毂吹掉，叶片被吹断并散落一地。

据电场业主介绍，TW1500/77风机设计是按照Ⅰ类风机设计，10min平均风速50 m/s （极限风速为50米/秒），3S平均风速70m/s（极大风速为70米/秒）。在本次台风来临时，风场按要求做了应急处理，风机叶片正常顺浆并锁定，机舱处于自动偏航顺风状态。

2.1.2 风机损毁类别

（1）风机塔筒倒塌：从现场塔筒损坏情况看，多为筒体弯折所致，极少发现焊缝撕裂，有几台风机的底节塔筒法兰螺栓连接处螺栓弯曲或断裂。

主要原因应为筒体强度不足以抵抗17级台风，或存在螺栓的力矩维护不到位、螺栓本身质量问题。

（2）风机叶片完全损毁：叶片在台风期间是否能实现顺桨并锁定叶轮，这点至关重要。变桨风力发电机只有在顺桨并锁定叶轮，而且在顺风状态下，才能最大的抵抗台风。如果不能顺桨并锁叶轮，那么风机在台风过程很容易发生叶轮飞车，飞车对于风机来说是致命的，在短短几分钟内将完全可以让风机机舱、叶轮完全损毁，甚至风机完全倒塌。

（3）风机机舱盖板、发电机、齿轮箱被摧毁掉落：风机机舱侧板或顶盖在台风期间发生吹毁后，机舱上的齿轮箱、发电机将失去保护，在瞬时风速60m/s以上的风力下，机舱发电机、齿轮箱完全可能被吹毁掉落。

2.2 灾后处理

（1）保护受损现场，受损风机所在区域已围起了警戒线，防止人员被掉落零件砸伤。

（2）组织现场技术人员，对灾后的风机倒塌、叶片损坏、机舱掉落等做统计。

（3）做好保人身、保通讯、保事故照明等安保措施。

（4）专人看护现场，防止设备被偷盗、破坏。

（5）风电场成立事故联合调查组，配合保定风机厂家，查明风机受损原因，能修复的尽快修理恢复生产。

（6）成立专业理赔小组，做好合同分析和理赔准备工作。

2.3 风机损毁原因分析

2.3.1 台风范围内风场损失对比

本次台风路径上有多个风电场受影响，徐闻境内的5个风电场均在台风路径中心的20-50km风墙区范围内，且包含一些在内的4个风电场均在台风路径的右前方，受台风影响大。

2.3.2 台风期间风场特性

行业内多根据IEC标准 “3S平均风速70M-S”（极大风速为70米/秒）来设计防台风型风机，但国内外目前并没有官方统一的台风测试算法，多数是靠企业自身的经验积累。

台风期间不仅风速较大，水平风向也会发生突变，同时湍流强度及风切变也会出现异常的现象。但是不同地形、不同下垫面、不同风向、距台风中心不同距离，会使得所关注的区域的风场特性呈现不同的趋势。台风对于风电机组的影响，不仅要考虑到极限风速、还要考虑到风向和湍流强度等指标。台风不仅考验着风电机组抗击极限风速的能力，更考验着风电机组的控制策略。在台风环境的复杂风况条件下，若控制策略不对，停机锁桨时叶片的朝向有偏差，很可能造成叶片被台风摧毁。

2.3.3 台风对风机的影响

（1）湍流强度过大的影响

台风环境下，风向变化多样，湍流强度增强，如果湍流强度设计预留的范围比较小，那么极强台风环境下的强湍流就有可能对风电机组造成致命的损伤。

湍流强度大会使得风机的输出功率减少，风的湍流扰动对风机系统会产生随机的强迫振动，如果湍流强度增大2～3倍，则结构动态响应或脉动风荷载的计算值也会成倍增加，最终导致风机（叶片或塔筒）断裂。

（2）风速过大的影响

狂风下变浆机构会使受力远超过设计值，部分连接叶片和三角支架的拐臂断裂，或者三角支架本身破裂，叶片位置失去控制不再处于顺桨位置，会使风轮出现飞车情况。

风速过大使得机舱剧烈震动，易引起机舱内部轴承座发生位移、各个连接部位螺栓松动、机舱外部保护罩的损坏等情况；同时电气元件和控制模块易受震动而弹出或受损。

（3）风向迅速变化造成的影响

台风登陆时，风向变化较大，机舱和风轮的侧向受力较大，由于偏航驱动机构的减速系统大多有自锁机构，大风的强迫转向使风机的偏航系统在此过程中受到严重损坏。

（4）电风停电的影响

台风来临时，风场附近电网首先破坏，电网停电后，风机偏航系统不能及时随台风的风向改变偏航角度，风机紧急停机而处于刹闸状态，会大大增加叶片和整机的载荷。

（5）潮湿、盐雾等环境的影响

靠近海岸线的风电场，风电机组要受到潮湿、盐雾等环境的侵蚀，若风电机组防潮和防盐雾不够好，就会造成风电机组载荷承受能力的下降，台风就很容易造成风电机组的损伤。

3 对海上风电开发机风机选型的启示

要确保风机平安度过台风期。首先，风机选型必需严格符合风区类型；其次，从零部件环节确保风电机组的质量；第三，在台风风况下采取有效控制策略。

（1）风电机组的倒塌主要就是和风电机组的质量和风电场的控制策略有关。现行设计最强的风机等级是ICEIa，根据IEC设计标准，极限风速设计标准为70米/秒，持续3秒钟；50米/秒，持续10分钟。如果台风风速超过该设计标准导致风电机组被吹坏，都不能称之为是风电机组的质量问题。

（2）风机是否达到了设计标准，可以从是否取得型式认证做初步判断。跟国内品牌风机稍有不同的是国外品牌的风机都取得过型式认证。目前，国内的风机制造商多数取得的是设计认证，但是在型式认证中却包含设计认证、原型机认证、制造厂质量体系的认证、综合评估四个组成部分。即便是第一环节的设计认证从评估程度来看也分为A、B、C三个等级。

型式认证规定机组的部件供应商采用什么部件来认证，调换了部件认证就失去效果。型式认证的生产体系能够保证所生产的产品都能达到设计标准。毋庸置疑的是采用型式认证对于确保风电机组的质量会有根本上的保证。目前，我国风电制造水平已经具备能力来实施型式认证。但是型式认证需要较大的资金支持，是否采用型式认证还需要风机制造企业以及风场开发商从市场的角度来衡量。据了解，目前我国风力发电企业在采购风机的时候并没有对风力发电机型式认证的需求。

（3）主动防御控制策略。台风是一种非常复杂的自然现象，台风变化速度之快是导致在同一风电场、同一型号的风力发电机在面临台风时获得不同的境遇。风机倒塌的主要原因除了风机质量还有当时风况下的控制策略。当台风来的时候，让风电机组对准台风来的方向，确保风机顺风顺浆会对风机起到一定的保护作用。台风环境下，风向变化多样，湍流强度增强，如果湍流强度设计预留的范围比较小，那么极强台风环境下的强湍流就有可能对风电机组造成致命的损伤。

（4）明阳SCD3.0MW风电机组在经历此次台风“威马逊”能安然无恙。分析明阳SCD3.0MW风机特点，在风机停机状态下叶片保持水平顺桨状态，明阳风机能实现自动锁定叶轮，而且能偏航正对顺风方向，确保风机在受台风的情况下能一直保持叶片水平顺桨状态，此状态风机的抗风能力最强。

（5）高发电量、低度电成本、抗台风、抗高温、防盐雾、抗雷击等性能对于海上风电机组来说较为重要。抗击台风主要应针对台风极限风速高、阵风强度大和湍流度高等特点，通过结构系统设计降低载荷、采取独特的台风控制模式等技术，使得风电机组具有良好的抗台风特性。