1　概述

隨著(zhù)風(fēng)力發(fā)電機單臺功率的不斷提高，風(fēng)機葉片的外觀(guān)尺寸也越來(lái)越大。已運行的風(fēng)電葉片中易出現表面撕裂、扭轉、螺絲松動(dòng)等現象，結合葉片的加工制造工藝、風(fēng)場(chǎng)所處的自然環(huán)境，產(chǎn)生這種情況的原因主要是震動(dòng)量及應變力對葉片影響的結果。葉片表面出現的裂紋、扭轉、螺絲松動(dòng)會(huì )大大影響風(fēng)力發(fā)電機組的運行效率，造成風(fēng)機停轉，嚴重地甚至造成葉片折斷。并且，由于吊裝地點(diǎn)的差異，風(fēng)力發(fā)電機將面臨承受完全不同的載荷。變化多端的風(fēng)速和天氣條件也會(huì )影響機組的運行安全和使用壽命。因此，對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。

風(fēng)和天氣會(huì )給風(fēng)力發(fā)電機造成各種負擔：

·為避免對附近的人員和機組自身造成危害，必須可靠地監測葉片上的結冰情況。

·雷暴閃電代表一種能對風(fēng)機結構造成致命損害的高能現象。

·葉片上的風(fēng)力載荷會(huì )影響機組的使用壽命。

精準地確定載荷可幫助用戶(hù)優(yōu)化機組的操作和維護。此外，在預期的使用壽命到期后，運營(yíng)商可根據長(cháng)期的載荷監測數據來(lái)決定機組是否能夠獲得繼續運行的許可。

2　解決方案

菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監控系統包含各種傳感器，能夠采集各種可能影響風(fēng)力發(fā)電機運行的不利環(huán)境因素數據。

葉片根部的應力傳感器提供關(guān)于拉伸和扭轉的載荷數據。通過(guò)這種途徑，用戶(hù)可長(cháng)期記錄葉輪承受的風(fēng)力載荷，并可通過(guò)變槳控制器實(shí)時(shí)調整槳葉角度，優(yōu)化效率，最小化軸承與材料的載荷。

葉片上的結冰傳感器可測量冰層厚度。這樣可以使機組及時(shí)切換到安全運行狀態(tài)，并在除冰后重新啟動(dòng)。內置的太陽(yáng)能電池和備用電池以及無(wú)線(xiàn)數據傳輸意味著(zhù)傳感器可自給自足的，不需要布線(xiàn)。

安裝在葉片防雷引出線(xiàn)上的雷電監測傳感器可測量雷電的頻率和能量，有助于評估損失，優(yōu)化維修周期。外形緊湊的共享評估單元可提供系統控制數據，記錄負荷情況，優(yōu)化系統運行。

由于所有的有線(xiàn)傳感器都安裝在輪轂附近，分布在葉片各處的結冰傳感器以無(wú)線(xiàn)方式工作，因此該系統既適合新裝機組，也適合系統改造。

隨著(zhù)成本的日益提升，用戶(hù)也在尋求新的技術(shù)，提升運營(yíng)的經(jīng)濟效應。業(yè)主通常用電力均衡成本（LCOE，levelized cost of electricity），也稱(chēng)為能源均衡成本（LEC，Levelized Energy Cost）來(lái)評估其經(jīng)濟效應。它是發(fā)電資產(chǎn)整個(gè)生命周期內電力單位成本的凈現值。它通常被視為一個(gè)平均價(jià)格的代理，生成的資產(chǎn)必須在市場(chǎng)上獲得在其生命周期內盈虧平衡的平均價(jià)格。它是對發(fā)電系統成本競爭力的一級經(jīng)濟評估，包含了整個(gè)發(fā)電系統的所有成本：初始投資、運營(yíng)和維護、燃料成本、資本成本。

·It:第t年投資支出

·Mt:第t年的業(yè)務(wù)和維修支出

·Ft:第t年燃料開(kāi)支

·Et:第t年產(chǎn)生的電能

·r:貼現率

·n:系統或發(fā)電站的預期壽命

為了提高投資回報率（ROI），減少能源成本（COE），可從兩個(gè)方向著(zhù)手。首先通過(guò)技術(shù)手段，提升年發(fā)電量，延長(cháng)機組壽命；其次通過(guò)管理或者技術(shù)手段，減少運營(yíng)與資本投資。為了達到此效果，可開(kāi)展多種工作，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，首先要獲取相關(guān)數據并進(jìn)行計算。

菲尼克斯電氣的PLCnext平臺非常適用于此類(lèi)的應用，該平臺采用實(shí)時(shí)Linux系統架構，具有ESM（同步執行管理器）和GDS（全局數據空間）兩大核心技術(shù)。

用戶(hù)可不受專(zhuān)屬Runtime的限制開(kāi)發(fā)自動(dòng)化項目，選擇擅長(cháng)的編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，還可以使用開(kāi)源軟件和App，同時(shí)支持MATLAB Simulink建模。該平臺兼具了PLC的穩定性、可靠性與智能設備的開(kāi)放性、靈活性，是一款非常開(kāi)放的自動(dòng)化平臺。

基于PLCnext 2152控制平臺，菲尼克斯電氣開(kāi)發(fā)了硬件模塊化，軟件平臺化的智慧風(fēng)機葉片綜合監控系統。利用PLCnext軟硬件架構的優(yōu)勢，一方面確保數據一致性，另一方面確保數據安全性。系統使用測量信息并將它們組合以向用戶(hù)提供傳感器融合的附加信息。用戶(hù)獲得的信息遠不僅僅是測量的數據，還包括在初始值基礎上根據風(fēng)機原理進(jìn)行數學(xué)推導計算的值。

另外系統可支持根據客戶(hù)的需求展開(kāi)二次開(kāi)發(fā)，客戶(hù)可以輕松使用他們自己的融合算法，由菲尼克斯電氣配合進(jìn)行更深入開(kāi)發(fā)。

所有系統收集的信息都可用于監控轉動(dòng)部件的狀況，還可用于控制優(yōu)化的風(fēng)機載荷，甚至可以防止風(fēng)機大部件的結構損壞。數據可以存儲在本地sFTP服務(wù)器上，也可以通過(guò)SCADA系統顯示。 另外也可使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口，如Profinet，Modbus TCP或OPC-UA等與上級系統通訊。同時(shí)開(kāi)發(fā)了友好的本地Web界面，供用戶(hù)進(jìn)行本地測試與監控，所有過(guò)程不需要進(jìn)行編程。

用戶(hù)僅需要在界面上進(jìn)行操作即可完成既定的目標，可方便地進(jìn)行參數設置，設備配置，監控，傳感器校正，系統診斷，事件記錄，錄波等工作。

3　結語(yǔ)

得益于PLCnext平臺的云技術(shù)特點(diǎn)，用戶(hù)在未來(lái)可把數據上傳至云端，對所有風(fēng)場(chǎng)機組數據進(jìn)行監控與計算，更方便進(jìn)行相關(guān)工作?？偨Y來(lái)看，菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監控系統，將為風(fēng)電行業(yè)的風(fēng)力發(fā)電機組創(chuàng )造更安全的運行條件，使得用戶(hù)的機組有望延長(cháng)壽命，獲得更好的經(jīng)濟收益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年8月刊