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风力发电采用清洁的可再生能源发电形式,开发利用风力发电,对实现能源可持续发展具有重要意义。我国风力发电自起步之后发展迅猛,其中以内蒙古东部、东北为代表的高寒地区因海拔、纬度较高、受北方高压冷气团影响频繁等特点,风能资源储备极为丰富,为风力发电规模化建设提供了有利条件。
近年来高寒地区风电装机容量显著攀升,已逐渐在我国风电产业发展中占据主导地位。伴随风电装机容量和风电场规模的扩大,风电机组的安全运行问题日益受到重视。雷击是影响风电机组安全运行的主要因素之一,当风电机组遭受雷击时,可能会造成风机不同程度的损坏,进而导致风电场承担巨大的经济损失和产生恶劣影响。
资料显示,日本风电机组雷击平均损坏率约为12.7次/(百台•年),且沿海地区风电机组冬季雷击损坏次数远高于其他地区。丹麦、瑞典以及德国曾分别对本国风电机组雷击损坏次数做出准确统计,其中丹麦与瑞典风电机组雷击平均损坏率为3.9次/ (百台•年)与5.8次/(百台•年),小于德国8次/(百台•年);此外,德国山区风电机组雷击损坏率为14次/(百台•年),高于统计结果显示的雷击损坏率平均水平。
美国则针对其三个州的风电场共计508台风机进行了5年的雷击损坏监测,结果显示风机叶片平均雷击损坏率为11.9次/(百台•年),雷击叶片损坏次数随风机运行年限的延长而增长。
相对而言,我国风电场所处地理位置及其气候环境更为复杂,因此风机雷击损坏问题更为突出,相关调查结果表明,我国运行风电机组的雷击损坏率高于欧洲国家的平均值。
以南部风电场为例,2013年广东红海湾风电场自投产后发生了多次雷击事件,雷击叶片损坏占比达4%。仅2013年4月,广西资源金紫山风电场因雷击造成的风机箱变损坏多达12台,并于次年5月、7月再次出现雷击风机箱变损坏事故。华能南澳风电场作为国内乃至亚洲最大的海岛风电场,2001~2010年期间风电机组雷击损坏率为9次/(百台•年)。
此外,我国高寒地区地理、气候尤为特殊,导致风电场长期遭受雷击灾害的影响。基于东北某大型风电场雷击损坏的数据统计,2008~2011年该风电场因雷击引起的风机叶片损坏66次,风电机组控制系统损坏多达174次,风电机组雷击损坏率为37.5次/(百台•年)。
以上数据表明,雷击造成风电机组部件损坏较为频繁,尤其在高海拔、高纬度及寒冷地区的风电机组,雷击损坏次数增长显著,伴随风电大规模并网,上述问题将会更加突出。因此,开展相关风机雷电防护策略的研究,对高寒地区风电机组的安全稳定运行具有重要意义。