基于SCADA監控系統的風機葉片覆冰情況分析

衛振海 江震勝 熊巧兵

摘?要：我國風電場多分布于高山、丘陵地區，海拔較高，特別是在冬季容易產生葉片覆冰現象，嚴重影響風機的正常運行。本文以葉片覆冰為研究對象，以SCADA風電場遠程監控系統為基礎，通過監控信息判斷葉片覆冰情況，對風機葉片覆冰的危害進行了全方位的分析，并提出具體的解決方案，從而提高風機的使用壽命，保證風電場安全穩定運行。

關鍵詞：SCADA;葉片覆冰;風力發電

1 緒論

葉片是風力發電機組的重要組成部分，具有吸收風能的作用，其性能的好壞直接關系到風電機組的出力。但是在我國冬季，由于溫度較低，許多地區容易產生葉片覆冰現象，對風電機組造成不利的影響，一方面增加了葉片靜載荷，風電機組整體載荷平衡被改變，縮短機組使用壽命;另一方面改變葉片氣動特性，導致機組出力急劇下降;同時高空覆冰容易滑落，對地面人員安全造成一定的危害。因此及時發現葉片覆冰，并做出合理應對措施，具有重要的現實意義[1]。

2 風電場概況

本次研究所選風電場為國電三門峽栗子坪風電場，該風電場位于三門峽市陜州區店子鄉境內，是國家能源集團在河南省三門峽市首個獲得核準并開工建設的風場。項目一期裝機容量為49.5MW，安裝25臺UP2000-115-S雙饋型風力發電機組，全場風機接入R2.2.1版本SCADA風電場遠程監控系統。該風電場屬于高海拔風電場，全場風機海拔均在1000m以上，冬季冰凍期較長，空氣潮濕，容易產生葉片覆冰現象。

3 通過SCADA遠程監控系統判斷葉片覆冰

當風力發電機組在低溫條件下運行時，運行人員要加強巡視，本文以SCADA遠程監控系統為例，通過風速、風向、溫度、功率曲線以及變槳速度等參數的變化，來判斷風機葉片的覆冰情況：

第一，與臨近的風機進行對比，風向和風速都相同的情況下，兩者的輸出功率差異較大，這種情況在風速較大時較為明顯，風速較小時差異性不大[2]。

第二，風場風機均不同程度（根據覆冰量）出現功率下降，有些風電機組出現嚴重偏離風機設計功率曲線的情況，以國電聯合動力UP2000-105-S雙饋機型為例，設計功率曲線，滿發風速為10米（標準空氣密度下），風機功率均出現下降，特別是一些覆冰嚴重的風電機組，其風速、功率與理論功率曲線有嚴重偏差。

第三，觀察風機變槳速度變化，正常情況下風機的變槳速度為9°/s，當葉片覆冰時，葉片靜載荷增加，其變槳速度會有所降低。

第四，風機風速儀顯示均正常，偏差小，所有風機類比均正常。風速測量正常。

第五，風機風向儀顯示正常，檢查風機偏航對風角度與風向角度均在10°以內（各機型控制死區不一樣）。風機對風正常。

第六，風機參數均正常，無AGC、電能質量后臺、手動等限制功率情況下，且風機葉片全開（0°）。

第七，風機機艙溫度零下5℃以下，且伴隨有大雪、大霧、大雨等高濕度天氣，功率下降變化速度快。

通過上述七點基本可以判斷為風機葉片覆冰，應及時停運風機（根據風機廠家給予的安全紅線確定），最后前往就地確認風機覆冰情況。

4 葉片覆冰的應對措施

一般風機發生覆冰后，首先覆冰掉落容易對周圍設備、人員造成直接落物傷害。其次風機葉片的空氣動力學輪廓就會受到影響，葉片表面的大量覆冰會引起風機的附加載荷與額外的振動（不平衡），從而降低其使用壽命，在極端情況下，積冰甚至會造成風塔整體坍塌或局部破損[3]。最后覆冰后停運，風場電量也會相應受到損失。應對措施：

4.1 防止造成人身傷害

（1）風場進口、風機基座20米范圍設置醒目警示標志，提醒人員注意落物傷害，并定期對標識進行檢查。必要時考慮增設風機區域圍欄。

（2）利用多種形式（安全月、開放日、扶貧等），對附近村落進行危險因素宣講，并建立村政府通訊網絡。進入冬季前做好提醒。

（3）對覆冰風機的檢查必須等待風機停運后方能靠近，且車輛應停在距離風機20米范圍之外。

（4）覆冰消失后風機重新啟動時，必須確認風機200米范圍內無人員、車輛后方能啟動。

（5）制定高空落物傷害應急演練腳本，定期演練。

4.2 防止設備損壞

（1）定期對風機進行功率曲線一致性分析。并根據廠家資料，確定本場風機可接受覆冰安全運行紅線，到達安全紅線時，應立即停運風機。優化風機保護配置，增設覆冰報警、停機功能。

（2）風機停運后，將控制模式切換至“服務”模式，并解除操作權限，防止誤啟動。

（3）提前做好天氣情況預警，當環境溫度降至0℃以下，風場出現雨、雪、霧天時，啟動應對措施。

（4）風機再次啟動前，必須現場對風機片覆冰情況、設備是否損傷進行檢查，覆冰消失后，且設備無異常后方能再次啟動。

（5）對風機葉片技改，增加祛冰裝置或者通過增加涂層來緩解、消除覆冰。箱變增加防護設施，防止落冰損壞箱變設備。

4.3 減少電量損失

大霧、雪天氣消失，空氣濕度降低，在上山道路允許的情況下，使用望遠鏡、無人機等手段，對葉片覆冰、葉片表面、輪轂進行檢查，同時對箱變及匯集線路進行檢查（是否冰掉落損傷）[4]。覆冰消失后，設備無異常后及時恢復風機運行。

5 結論

由于風電的裝機容量不斷增加，風機在冬季運行其葉片覆冰已經成為了一種常見現象，因此研究并掌握葉片覆冰的規律，合理的應對葉片覆冰措施有利于風機在低溫條件下安全穩定運行，提高風機可利用小時數，保證風電場安全穩定運行。

參考文獻：

[1]安凡華.風機葉片覆冰狀況探析[J].湖北農機化，2019（15）：110-111.

[2]嚴敬川，郭朝暉，牟令.利川與齊岳山風電場冬季葉片覆冰應對策略分析[J].水電與新能源，2018，32（04）：75-78.

[3]王雪冬.淺談風機葉片覆冰情況分析及運行監控[J].海峽科技與產業，2017（10）：75-76+82.

[4]許小明，梅鑫，郝玉官，秦洋洋，鄒文才，黃宸武.我國南方風電場冬季風電葉片除冰方法探討[J].宜春學院學報，2017，39（06）：8-11.

作者簡介：衛振海（1984-），男，山西平陸人，大專，助理工程師，研究方向：風電場風機運行。