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風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀初，清潔可再生，且潛力巨大，已在全球多國得到了廣泛應用。隨著(zhù)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機的需求也越來(lái)越高。一臺風(fēng)機的設計壽命至少為20年，有時(shí)甚至長(cháng)達30年。在此期間，無(wú)論環(huán)境多么惡劣，風(fēng)機都應該以穩定可靠的性能實(shí)現最大發(fā)電量。

1結冰檢測的必要性

風(fēng)力發(fā)電機會(huì )受到諸多自然現象的侵蝕，如風(fēng)暴、暴雨、冰雹、閃電及結冰等。風(fēng)機表面結冰的問(wèn)題在世界某些地區普遍存在，它可導致風(fēng)機運營(yíng)成本過(guò)高并對其功能和安全造成不良影響。隨著(zhù)寒帶地區，即所謂的“寒冷氣候”區新建風(fēng)機數量的增加，風(fēng)機結冰問(wèn)題日益嚴重。

積冰厚度超過(guò)一毫米將影響風(fēng)機的性能，而隨著(zhù)積冰厚度的增加，帶來(lái)的負面影響也會(huì )越大。某些地區，單個(gè)系統葉片在一個(gè)冬季的結冰時(shí)間便可達到500小時(shí)或以上。這意味著(zhù)在整個(gè)冬季，該系統發(fā)電量要比計劃減少15%。

葉片上冰塊脫落后，變成多個(gè)一千克左右的碎冰片，可能被拋到數百米外，威脅到風(fēng)力發(fā)電機附近人員的安全。為此，常規的做法是在風(fēng)力發(fā)電機結冰或有可能結冰時(shí)關(guān)閉風(fēng)機，以確保避免發(fā)生拋冰現象（拋冰的定義是指葉片旋轉時(shí)拋出冰塊），即轉子旋轉時(shí)拋出碎冰。除識別結冰發(fā)生跡象外，還必須盡可能精確地檢測結冰事件的持續時(shí)間，這是顯著(zhù)縮短停機時(shí)間的唯一途徑。在這兩種情況下，積冰的可靠檢測尤為重要。

2結冰檢測解決方案

葉片結冰檢測系統，即結冰檢測技術(shù)，種類(lèi)繁多，最常見(jiàn)的是：

·測量環(huán)境溫度；

·測量環(huán)境濕度；

·風(fēng)速計比較；

·基于機艙的結冰檢測器；

·攝像頭系統；

·通過(guò)監測功率曲線(xiàn)的變化實(shí)現結冰檢測；

·直接在葉片實(shí)現結冰檢測。

除風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量的各種因素和安全系數，上述解決方案因其測量方法和相關(guān)精度也各有不同。因此，形成了兩種技術(shù)方案：基于機艙的結冰檢測系統與葉片上結冰檢測系統。

2.1基于機艙的結冰檢測系統

在機艙確認是否滿(mǎn)足葉片結冰條件，確認方法各不相同：

·比較兩個(gè)風(fēng)速計；

·基于超聲波的結冰檢測；

·采集濕度等氣象數據。

所有這些方法的共通之處在于機艙與葉片的氣流狀態(tài)不同，由于葉片所處位置較高，葉片上氣流較快（頂部速度快）。

2.2葉片上結冰檢測系統

通過(guò)測量葉片上或在葉片內測量結冰情況來(lái)確定，包括以下測量方法：

（1）直接測量葉片表面

目前，在運行過(guò)程中對葉片直接進(jìn)行表面測量的方法只有使用自給型電容式傳感器。借助該系統，可在各葉片上安裝自給型扁平電容式傳感器。通過(guò)表面阻抗的變化便可檢測出是否結冰，并測量其溫度，同時(shí)將測量值無(wú)線(xiàn)傳輸至系統控制站。由于該測量傳感器安裝在葉片上，且不受風(fēng)機運行狀態(tài)影響，因此也可用于除冰后的無(wú)冰檢測。此方法可自動(dòng)重啟風(fēng)力發(fā)電機。

（2）間接在葉片內部測量

葉片結冰也會(huì )改變葉片的固有頻率。此類(lèi)變化均可通過(guò)光纖或加速度傳感器進(jìn)行測量，需要盡可能削弱葉片的氣流激勵作用，將傳感器安裝在葉片內部，通過(guò)風(fēng)機運轉采集風(fēng)機參數。

3結冰檢測物有所值

結冰現象可導致AEP（年發(fā)電量）損失數個(gè)百分點(diǎn)。根據發(fā)電廠(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)位置，每個(gè)發(fā)電廠(chǎng)每年損失可累積至數萬(wàn)歐元。相較于基于機艙的結冰檢測系統，使用葉片表面結冰檢測系統的風(fēng)機發(fā)電量有所提高。

圖1比較了基于機艙（左）與直接安裝在葉片表面（右）的結冰檢測系統測量的結冰停機時(shí)間，后者的測量結果促使每個(gè)冬季的發(fā)電時(shí)間可增加180小時(shí)。

圖1機艙（左）與安裝在葉片表面（右）的結冰檢測系統的結冰停機時(shí)間比較

在葉片表面直接使用結冰檢測系統時(shí)，停機時(shí)間至多可減少80%。在每年停機時(shí)間減少200小時(shí)的前提下，假設風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出為3MW，每年的滿(mǎn)負荷運行時(shí)為4000小時(shí)，每千瓦時(shí)電費為8歐分，則每年可節省48000歐元。除顯著(zhù)提高發(fā)電量外，該結冰檢測系統還有以下優(yōu)勢：

·免維護；

·系統經(jīng)認證；

·技術(shù)解決方案的可靠性和質(zhì)量；

·無(wú)需在葉片內部布線(xiàn)；

·能量自給型測量裝置，無(wú)需風(fēng)機數據；

·即使系統處于靜止狀態(tài)，也可進(jìn)行測量；

·精準的結冰檢測；

·方案靈活，采用模塊化設計。

4菲尼克斯電氣智慧葉片監測系統

隨著(zhù)運營(yíng)成本的日益提升，用戶(hù)也在尋求新的技術(shù)增加經(jīng)濟效益。國內某重點(diǎn)龍頭企業(yè)在新疆吉木乃地區的在役機組，受機組年齡和惡劣環(huán)境的影響，需要對老化、受損的葉片和覆冰嚴重的風(fēng)場(chǎng)機組進(jìn)行升級改造，以提高投資回報率，減少能源成本。菲尼克斯電氣為該企業(yè)提供了葉片監測系統解決方案，可以采集機組相關(guān)數據，通過(guò)葉片上的結冰傳感器，根據阻抗的變化可檢測出是否結冰，并測量其溫度，同時(shí)將測量值無(wú)線(xiàn)傳輸至系統控制站。

吉木乃現場(chǎng)機組通過(guò)結冰傳感器現場(chǎng)檢測情況，可以對葉片表面結冰狀態(tài)以及溫度做到實(shí)時(shí)監控，圖2為實(shí)時(shí)采集圖。

圖2實(shí)時(shí)采集圖

菲尼克斯電氣結冰監測系統確保風(fēng)力發(fā)電機組的可靠運行。得益于可區分結冰和污物，結冰監測的可靠性大大增強，結冰的厚度也可以用同一傳感器中并行的溫度測量來(lái)核實(shí)，結冰可以被明顯更早地發(fā)現?？煽康脑u估算法，將決定是繼續運行還是停機；當具備合適數量的傳感器時(shí)，系統將具備自動(dòng)重啟功能。傳感器信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到結冰監測控制柜。集成MATLAB&Simulink，可以將葉片加熱控制模型上傳到控制器中，方便集成，通過(guò)這種方法，葉片加熱系統可以直接對葉片結冰的變化情況做出反應。

由于該測量傳感器安裝在葉片上，且不受風(fēng)機運行狀態(tài)影響，因此也可用于除冰后的無(wú)冰檢測。此方法可自動(dòng)重啟風(fēng)力發(fā)電機。同時(shí)內置太陽(yáng)能電池和備用電池及無(wú)線(xiàn)數據傳輸，傳感器可以自給自足，無(wú)需另外布線(xiàn)，很大程度上減少了安裝成本。

菲尼克斯電氣智慧葉片綜合監控系統為風(fēng)力發(fā)電機組創(chuàng )造更安全的運行條件，可助力風(fēng)電用戶(hù)延長(cháng)機組使用壽命，獲得更好的經(jīng)濟收益，笑看風(fēng)云變化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊