引言

随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，风力发电以其无污染和可再生性日益受到广泛的重视。近年来，风电机组制造、控制和其它相关技术发展非常迅速，风电场的规模、风电机组的单机容量也不断增长，因此风电场的安全运行问题俨然成为人们关注的焦点。

资料显示，我国风力资源主要集中在两个带状地区，分别是三北(东北、华北、西北)地区丰富带和沿海及其岛屿丰富带。沿海地区经济发达，是我国的电力负荷中心，电网好，电价高，风电发展潜力很大。但由于这一地区极易受热带气旋（以下简称TC）影响^[1-2]，风电场的安全运行问题更为突出。如2006年第1号强台风“珍珠”5月18日凌晨穿过南澳岛，在澄海登陆，登陆时风速达到35m·s^－1，受其影响，南澳某风电场最大风速（10分钟平均）超过40m·s^－1，极大风速（3秒钟瞬时风速）达到56.5m·s^－1，是南澳57年不遇的强台风，多台风机受损。2006年第8号超强台风“桑美”8月10日在闽浙交界处登陆，登陆时中心附近最大风速达60m·s^－1，中心气压为920百帕，浙江苍南霞关观测到的极大风速68.0m·s^－1，福建福鼎合掌岩（海拔高度700米左右）观测到的极大风速为75.8m·s^－1，受其影响，温州某风电场28台发电机组全部受损，损失惨重。

关于TC活动对沿海地区的影响，有关学者开展了许多研究工作。宋丽莉^[3]等研究了TC大风对风电开发的利弊影响，将TC分效益型、防御型和破坏型三种，指出登陆TC威胁较大的地区主要在浙江、福建、广东、海南，同时还指出TC经过的区域风速和湍流强度均发生突变现象。杨玉华等^[4]研究了登陆我国TC大风的空间分布，分析6级至8级以上大风的时空分布以及引起大风的TC强度和登陆地点的特征。田辉等^[5]分析了华南、华东沿海登陆台风暴雨和大风，指出无论是华南沿海还是华东沿海登陆台风其平均最大风速都超过27m·s^－1。李英等^[6]对登陆我国TC作了统计特征分析，指出在我国沿海不同地区（不包括岛屿）登陆的TC在登陆后的明显衰减时段主要发生在登陆后12小时内，登陆时越强的TC，衰减得越厉害。王秀萍^[7]等的研究表明7~9月是北上TC发生的关键月份，尤其7、8月是高峰期，1~4月和12月没有北上热带气旋。。王东生^[8]等对1949~2005年西北太平洋上和南海中心风速≥17.2米m·s^－1的TC活动的若干特征进行了统计学分析，表明7~9月是发生和登陆我国TC最多的月份，华南沿海是登陆最频繁的区域。Niels-Erik Clausen1等^[9-10]研究指出，国际电工委员会(IEC)制定的主要参数^[11]不能应用于遭受TC影响频繁的地区，特别是西北太平洋地区，他们通过TC中心气压和风速计算了50年一遇的海上最大风速，有针对性地探讨了菲律宾地区风机涡轮参数设计，其负载的安全系数比欧洲或美国要大0.35，意味着在西北太平洋沿岸国家发展风电投资将比国际标准增加20~30%。

还有许多关于热带气旋的研究多是以台风预报和台风气候变化为目的，以省或区域热带气旋的登陆频数、暴雨、路径特征等的分析较多^[12-14]。但针对TC影响沿海风电工程安全的研究仍欠深入，缺乏基于WTGS安全参数的大风统计分析。本文根据风电工程WTGS安全参数，探讨TC对沿海风电场安全的影响，以期为受TC影响地区的风机设计、风机选型和风电场安全运营管理提供科学的依据。

1 资料来源和处理 1.1 资料来源

采用1961~2006年上海台风研究所编制的《台风年鉴》、《热带气旋年鉴》和TC影响期间各台站10钟平均最大风速资料。

1.2 资料处理

由于TC6级风圈半径大约为2.7~4.3个纬距^[15]，也就是说当TC在距海岸线大约3个纬距时，沿海区域就有可能出现大风，故取距海岸3个纬距左右的距离为警戒线（图 1），进入警戒区的TC定义为影响中国沿海的TC，按照WMO关于TC等级划分规定，TC强度用进入警戒线后TC中心2分钟最大风速的最大值表示，各等级频数列于表 1。1961~2006年间，进入警戒区TC共有428个，其中有372个登陆中国大陆，其中台风和强热带风暴最多，频率分别占33.6%和25.7%，超强台风和强台风频率分别占7.9%和13.6%，此强度的TC会给风电场造成损失。热带风暴和热带低压频率分别占10.3%和8.9%，此强度的TC一般可为沿海风电场带来很高的发电量。

2 影响沿海热带气旋基本特征

对沿海风电场来说，防御强TC具有很大的挑战性，因此深入分析强热带风暴以上的TC移动规律和登陆强度对风电场安全运营具有重要的意义。

2.1 不同强度热带气旋的移动路径

图 2为进入警戒区不同强度的TC优势路径，可以看到超强台风以西北太平洋生成并登陆广东中东部、福建南部和浙闽交界处（图 2a）；强台风也以西北太平洋生成为主（图 2b），常见路径有3条：由西北太平洋直接进入浙江沿海，或经台湾进入福建中部沿海，或生成于南海登陆海南后再次登陆雷州半岛；台风常见的移动路径也有3条：生成于西北太平洋并登陆粤西，或生成于南海并登陆海南，或从西北太平洋北上穿过台湾岛进入福建沿海（图 2c）；强热带风暴多由西北太平洋生成，穿过菲律宾进入南海（图 2d），以登陆粤西和海南为多。

2.2 各登陆区域的TC强度

以登陆前六小时内的最大风速表示登陆TC的强度，按地段分为14个区域（见图 1），分别统计各种强度TC出现的频率，结果列于表 2。由表可见，有70.43%的登陆TC强度在强热带风暴以上；登陆TC最多的区域是海南，占全国登陆总数的25.81%，其次是粤西（包括雷州半岛），占登陆总数的21.51%，再次是粤东（包括登陆珠江口），占登陆总数的20.43%。

登陆TC中台风和强热带风暴据多，强台风和超强台风仅占登陆总数的12%，以福建中南部、浙南、粤东和海南东部沿海的出现频率较大，这些区域的风电场规划和建设投产较集中，应引起足够的重视。

3 影响沿海风电场的热带气旋大风分布特征 3.1 热带气旋最大风速极值风速的空间分布

为了保证风力发电机组（WTGS）的运行安全，文献[11,16]将参考风速划分为四个级别：30、37.5、42.5、50m·s^－1。考虑到规范划分的级别中风速级差较大，将两级参考风速求平均再分一级，即增加34、40、46m·s^－1三个级别风速，同时根据目前主流风机运行风速特点，将30米/秒以下的风速按10、15、25m·s^－1分成三级。利用上海台风研究所提供的热带气旋影响期间台站10分钟最大风速，挑取每个台站1961~2006年受TC影响的最大风速绘成极值风速分布图（图 3），图中色斑是基于上述风速级别划分的，可以看到，浙江及其以南沿海风速基本上都在25m·s^－1以上，而其以北沿海地区都在25m·s^－1以下。在25m·s^－1以上的区域内，福建中部沿海（除岛屿）风速明显小于其它地区。40m·s^－1以上的区域集中在珠江口以东的广东沿海、海南东部和浙闽交界处。

3.2 不同强度的热带气旋最大风速极值分布差异

针对风电场管理人员和工程设计人员所关心的不同强度TC对各地的可能影响问题，对47年来不同强度TC影响下各台站出现的最大风速极值做了进一步分析，图中色斑级别划分同图 3。

超强台风类中，30m·s^－1以上大风区分布于浙江、福建、粤东、海南沿海（见图 4a），其中42.5m·s^－1以上大风区集中在福建南部到珠江口以东沿海和海南的东部沿海，以广东遮浪的61m·s^－1为最大；强台风类中，30m·s^－1以上大风区分布于浙江、福建的局部，广东沿海和海南（见图 4b），最大的风速是浙江北几的46m·s^－1；台风类中，30m·s^－1以上大风区主要分布于广东、海南、广西（图略），最大的风速是浙江嵊泗的m·s^－1；强热带风暴类中（图略），30m·s^－1以上大风区主要分布于粤西，最大的风速是浙江石浦的37m·s^－1。

4 风电机组安全风速等级出现频率分析

按照上述WTGS运行安全风速等级，将10分钟平均最大风速分成7个风速等级进行分析（见图 5）。综观全图，随着风速的增加，各等级风速出现的区域向沿海迅速缩减。

4.1 可利用风速分布

由图 5a可见，TC影响下大部地区风速小于15m·s^－1，内陆频数可达60%以上，沿海大部区域可达40%以上；15~24.9m·s^－1的风速频率介于16%~20%（图 5b），表明大部分TC影响沿海时其风速是可以利用的，特别是福建中南部和江苏沿海，可利用风速比例是沿海地区最高的，达80%以上。

4.2 可防御风速分布

25~35m·s^－1为风电机组可防御风速，最显著的特点是该风速段的分布区域仅限于沿海地区。25~29.9m·s^－1的频率在8%以下（图 5c），其中较大的频率出现在海南、广东沿海、福建南部和北部沿海、浙江沿海、山东半岛、辽东半岛；30~33.9m·s^－1的频率在2%以下(图 5d)，范围缩减至浙江及以南沿海，其中较大的频率出现在海南南部、广东珠江口以西沿海、福建北部沿海和浙江沿海。

4.3 威胁风电机组安全的风速分布

该风速段的空间分布逐渐趋于零散，风速频率大部份在2%以下，浙江的中部沿海、浙闽交界处沿海和珠江口以东的广东沿海出现频率为4%以上，表明这三个区域的风电机组较易受到强TC大风的破坏。值得一提的是37.5~39.9m·s^－1出现频数变化突减，大于40m·s^－1的风速只限于广东珠江口以东局部和海南的东部，其中42.5m·s^－1以上风速出现的概率仅有0.1%，主要出现在广东省的珠江口以东沿海和海南岛南部（图略）。

5 小结

(1) 进入警戒区的台风和强热带风暴最多，占总频数的59.5%，超强台风和强台风频率分别占7.9%和13.6%。

(2) 威胁风电机组安全的TC主要在浙江的中部沿海、浙闽交界处和珠江口以东的广东沿海。

(3) 超强台风登陆福建中南部、浙江、粤东和海南沿海的频率较大，在风电场建设中应引起足够的重视。