大规模风机凝冻如何应对

近期,国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》,提出推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进,构建新型电力系统要统筹高比例新能源发展和电力安全稳定运行。根据国务院《2030年前碳达峰行动方案》,为实现碳达峰目标,到2030年,风电和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上,相比2020年增长超过6.7亿千瓦。

2021年达沃斯世界经济论坛连续第5年把极端气候事件定为发生可能性最高的全球十大风险之首。风、光等新能源作为具有气候驱动特征的能源类型,如何保障极端天气下的可靠运行是建设新型电力系统的“必答题”。

我国各地新能源资源禀赋差异较大,其中南方区域新能源以山区风电、光伏和海上风电为主,冬季山区低温高湿的寒潮气候使得风电机组易出现叶片凝冻等异常现象,风机叶片表面若持续产生覆冰,造成叶片重量增加,使机组产生不平衡载荷,继续运转将会威胁设备安全,风机将因此被迫停机,对电网可靠运行增加了不确定性风险。“十四五”期间南方区域五省区新能源新增装机超过1亿千瓦,其中风电新增约5000万千瓦,寒潮天气下风机若出现大范围凝冻停机,将严重威胁电力可靠供应和电网运行安全。

近两年岁末年初寒潮期间,南方区域已多次出现风机凝冻现象。2021年2月美国得州遭遇极寒天气,大量发电机组非计划停运,其中风机凝冻受限停运约1700万千瓦,导致电力供需失衡引发大面积停电事故。

南方区域寒潮期间风机凝冻情况

风机凝冻是影响风机安全运行的重大难题,在低温高湿地区问题尤为严重。我国受凝冻影响严重的区域主要集中在西南、中南和华东地区,包括贵州、广西、云南、湖北、湖南、江西等省份,国外受影响严重的国家有美国、加拿大、芬兰、瑞典、丹麦、挪威等。

南方区域冬季低温凝冻灾害多发,例如广西北部、贵州西北部、云南北部等山区风电资源富集区域与凝冻灾害影响区域高度重叠。截至2021年底,南方五省区风电装机约3400万千瓦,占电源总装机比重已达9.2%,且逐年提升,其中易受凝冻灾害影响的风电装机超过1000万千瓦。2022年2月中下旬寒潮期间,南方区域风机发生凝冻,期间最大凝冻受限容量达到装机容量的42%,部分地区甚至受限超过90%。风机因叶片凝冻严重被迫停机、发电出力大幅受限,在冬季取暖负荷需求大幅增加的情况下,风电出力锐减将进一步加剧了电力供应紧张的局势。

2021年美国得州大面积停电事故

2021年2月中旬,美国得州遭遇极端严寒天气,引发大面积停电,得州电网电力缺口长时间超过1000万千瓦,事故中执行了最大2000万千瓦负荷、最长持续4天的轮流停电,最严重时约489万用户(接近20%)遭遇停电。事故原因是得州电网在极寒天气中负荷超预期增长、大量电源无法抵御极寒天气而非计划停运,其中风电作为得州第二大装机电源,约1700万千瓦风电机组(超过60%的装机容量)由于凝冻无法正常发电。

近年来美国得州大力发展风电等新能源,2006年至2020年,风电发电量占比由2%增长至23%,事故前2021年1月进一步上升至25%,风电已成为得州第二大电源。然而,得州位于美国中南部,基本上属温带、亚热带气候,冬季多年平均气温1-15℃,因此得州电力系统在规划、设计、运行等环节均未考虑“小概率”的极寒天气,对于风机凝冻认识不足、缺乏应对措施,从而出现本次极端天气下约1700万千瓦风机凝冻停运的现象。

国内外风机凝冻防范措施

根据目前国内外风机凝冻问题的研究成果,针对风机凝冻防范措施包括事前预测预警和事中防冰两方面。事前预测预警主要通过覆冰监测系统,并结合气象信息、风机运行信息等对叶片覆冰预期和状态进行判断。事中防冰是防范叶片凝冻覆冰的关键,包括增加防冻涂层和主动除冰等方法来延缓、减少或消除覆冰,但当前大多数风机防冰技术存在除冰效果差和安全风险高等问题,例如防冻涂层需反复重涂,且涂料可能损伤风机叶片;人工机械除冰耗时长、存在人身安全风险且每次除冰均需要风电机组停机;电加热除冰对风机改造程度大、后期维护困难且存在雷击风险,这些除冰方法尚无法进行大面积推广应用。较适宜南方区域风机应用的气热除冰法,在风机叶片腔内布置通风管道,通过加热气流并吹向叶尖位置,在叶片腔内形成完整的空气循环流动,提升叶片表层温度,但也存在经济性差(初步估算,单台风机试验阶段需要70万元技改费用,量产阶段预计需要30-40万元技改成本,后期仍需维护及用电成本)、存量风机需拆卸叶片改造、大容量风机叶片尖端除冰效果不理想等问题。总之,目前国内外尚无成熟防冰技术可推广应用,亟需组织开展技术攻关研究。

应对措施建议

随着新型电力系统建设加速,风电装机占比和渗透率逐渐提升,极端寒潮气候下风机凝冻规模也将逐渐增大,电力可靠供应和电网安全运行面临的挑战与日俱增。为有效防范风机凝冻、加强电网风险管控,需要政府有关部门、电网企业、发电企业、设备制造企业等各方共同参与、加强协同,建议在以下几个方面重点发力、加强突破。

研究制定风机防凝冻相关支持政策。建议政府部门研究制定风机防凝冻激励配套政策,以优先并网、电价补贴等方式,鼓励和支持风电发电企业应用具备抗凝冻能力的风机设备;各地根据《电力并网运行管理规定》(国能发监管规〔2021〕60号)制修订管理实施细则时,建议完善风电场脱网率等考核指标,促进风机抗凝冻能力提升。

开展风机防凝冻技术攻关和标准研究。建议设备制造企业、发电企业、电网企业共同对风机凝冻问题开展深入研究,提出可用于实际工程的防冰方法,选取凝冻灾害区域风电机组开展示范应用;研究制定风机防凝冻相关技术标准,提出不同气象环境下风机防凝冻技术要求,明确风机安全运行边界条件,指导风机设计、制造和运行。

加强风电-气象协同工作机制。建议凝冻灾害频发地区风力发电企业加强与当地气象中心合作,积极推进国家级观冰站部署应用,完善覆冰监测系统部署要求,建立覆冰预测、预警合作机制,实现覆冰数据共享、信息互通;利用实测数据持续优化覆冰预测模型及算法,因地制宜制定风机叶片覆冰等级评判标准和带冰运行要求,提高风电在寒潮天气下的可用、可控能力。

建立健全新型电力系统的应急备用体系。建议政府部门组织电网企业加快推进备用市场建设,有效引导应急备用和调峰电源建设;研究建立适应新型电力系统的有功备用标准,合理增加寒潮等极端天气下的备用要求,提升电力系统应对极端天气的应急备用能力。

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