风力发电厂的灾害防护
三菱重工業株式会社上田悦紀
1.风力发电机组和自然灾害
在石油价格不断攀升和全球环保的大背景下，风力发电等新能源产业得到了空前的发展，截止2008年全球风力发电机组的装机容量已经超过了100GW，约占全球能源结构的1%。
在日本，截止2008年3月总装机达到167万千瓦，共1409台风力发电机组在运行。随着装机量的增加，在电视和新闻中经常可以看到有关风力发电机组出现故障的新闻。因此，新能源技术综合卡发机构在2004年成立专门的委员会进行风力发
电机组事故和自然灾害导致的故障资料的收集工作。从图2中可以看出，自然灾害造成的故障占总量的36%，从记录的资料上看，雷击时造成风力发电机组损坏的主要原因之一。正是由于雷击的所占的比重，与其相关联的电控设备的损坏率也是较高的，图3中可以看出，在2005-2008的三年中累计雷击次数为445次，电控系统的损坏比重也是非常高的。因此，在以《日本风力发电机防雷技术指导》的经验基础上，对风力发电机组的灾害性防护做进一步介绍。
2.风力发电机的设计
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自1887年美国人查理斯发明第一台风力发电机以来，风力发电机已有120多年的历史。现代风力发电机组的成熟，是新型的螺旋桨式水平轴风力发电机的出现，并且实现自动跟踪风向（偏航控制）、转速保护等现代电子控制手段的成熟显著的提高离风力发电机组的正常运行时间和可靠性。现行的风力发电机组的设计基本都是按照IEC61400-6/7进行设计和制造的。
但必须考虑的问题是，风力发电机组设计主体是在欧洲，与日本的气候，如：台风、冬季闪电，等在很多方面是有区别的，在实际操作上有些方面是需要考虑的。风力发电机组的运行是根据风向和风速而改变的，机舱与塔筒之间的偏航轴承控制风力发电机的方向，控制风力发电机式中出于迎风面，叶片的角度控制器转速，时在风速变化的情况下风力发电机也可以处于最佳的运行状态。图5表示了风力发电机组的运行于风速的关系。当风速达到切入风速时风力发电机开始运行，并开始发电，当风速达到额定风速时风力发电机实现满发，达到切除风速时风力发电机实现保护。
3.台风对风力发电机的影响
在IEC对风力发电机组的规定中在对气候方面的考虑脱离了亚洲的地区的气候特点，例如：台风是典型的季候风，这种灾害性气候对风力发电机组的抗风能力提出了严酷的考验。1997年袭击印度南部的热带气旋摧毁了328台符合IEC标准的风力发电机组，台风风速假设是风力发电机组正常运行风速的7倍，则IEC标准中规定的参数的有效性引起了民众的关注。此外，在日本，1999年第18号台风造成鹿儿岛县风场的300KW和250KW风力发电机组的叶片断裂，2003年，第14号台风袭击了冲绳、宫古岛的7个风场遭到严重破坏（表1-1）自此以后，冲绳电力株式会社在灾后重建是重点考虑了两方面问题：
1）加强与风能协会的合作，促进风力发电厂选址的灾害性气候的调查
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2）吸取台风破坏的教训，编制日本风力发电机组技术指南。
4雷电对风力发电机组的影响
传统认为，风力发电机组的叶片由于是玻璃纤维制作的，属于非导体不会遭到雷击，可是在实际运行中这一说法已经得到了最有利的批驳，全球风力发电机组的损坏中叶片的损害率占到年总装机叶片的1-2%之间。在日本由于夏季和冬季雷暴的特点不同，所以经常有风力发电机组在冬季遭到雷击。在日本北方大约有30-50%的冬季雷暴是正极性的，其能力量远远高于夏季雷暴的能量，这对于风力发电机组冬季运行带来的巨大的威胁。
通过对风力发电机组灾害数据的分析，可以看出雷电灾害导致的电控系统的损坏所占比例是非常高的，这一比例在冬季的故障风车中也是非常高的。所以，在风力发电机组的防雷上，对叶片进行了重点的雷击测试和大量的实验工作，通过表2、3可以看出日本的雷电活动主要在冬、夏两季，而冬天的雷暴活动占全年雷暴活动的
61%。因此，日本建立了专门针对冬季雷暴防护的研发机构，与风力发电机组及叶片生产企业合作，设计研发符合日本本土气候特点的风力发电机的防雷措施：
1）针对冬季雷电能量大的特点，开发研究耐雷叶片，改善非导体叶片的接闪方式；
2）按照IEC提供的防雷标准，并在此之上提高防护等级；
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5.设计开发符合日本气候条件的风力发电机组
冬季雷暴活跃与台风是日本独有的气候特点，为了更好的进行风力发电的开发，制定符合日本国情的风力发电机组的标准是非常有必要的。我们也正在和周边（如：中国）同样存在这些问题的国家进行学术交流，并争取在现有IEC标准的基础上向IEC反映增加符合本地区特点的条文，以推动本国风力发电产业的发展。
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