風力發電機覆冰預警技術研究

練楊蔚，鄭蜀江

（1.貴州龍源新能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著國家雙碳目標的提出，能源電力低碳轉型發展進程將進一步加速，未來我國將逐漸形成清潔低碳、安全高效的能源體系，能效水平持續提升，能源結構深刻調整。非化石能源占比將于2040年前后超過50%，成為我國能源供應的主體，其中風能和太陽能將快速發展，2030年以后將成為主要的非化石能源品種。非化石能源中，陸上風電是我國當前最大的新能源電源類型，也將是我國第一大電源，預計2025年和2030年，裝機容量將分別達到4.8億kW和6.5億～6.8億kW，并于2030-2035年期間成為第一大發電量電源。貴州地區2020年投運的風電裝機容量超過515萬kW，在建容量超過103萬kW，根據規劃，貴州省風電裝機容量2025年可達800萬kW，2030年可達1 000萬kW[1]。

1 問題論述

由于貴州地處內陸高原，風電場主要為高山風場，風機在極寒天氣下運行時經常遭遇覆冰結冰現象。風機覆冰會導致機械故障，甚至可能導致停機。2021年1月，貴州地區持續寒潮天氣，該地所在的某能源央企累計凝凍停運風電機組403臺，既損害了企業本身的經濟效益，也給社會及人民群眾電力供應保障帶來極大影響。為保障高寒氣候下風機安全穩定運行，開展風機防冰除冰技術研究具有重要意義，而風機覆冰預警技術又是風機防冰除冰技術的前提和關鍵[2]。

根據日常工作經驗，風機覆冰會給風機運行帶來4個方面影響，一是風機葉片表面大量覆冰時，由于每個葉片上的冰載不同，使機組的不平衡載荷增大，降低風機的零部件運行壽命；二是由于覆冰厚度不一，葉片原有的氣動外形將發生改變，降低機組的風能利用系數，從而造成發電功率降低，嚴重時還可造成風電機組無法正常啟動；三是風機上的測風儀覆冰后，將無法正常工作，使測量數據不準，影響機組的正常運行和控制；四是風機如果覆冰后繼續運行，拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會傷害到風機自身及其附近的人或物[3]。

根據前面的分析，由于風機覆冰會對風機運行造成不良影響，亟需開展風機覆冰預警技術研究，而覆冰預警技術研究包括風電場高精度氣象預測預警技術和風機部件覆冰在線監測技術兩部分。

風電場高精度氣象預測預警技術可以幫助風機運行單位提前做好防冰工作，而風機部件覆冰在線監測技術能幫助運行人員準確判斷風機狀態，精準控制風機運行，最大可能確保風機安全穩定運行。高精度氣象預警技術可綜合氣象部門提供的大范圍氣象預測數據與自建微氣象監測站采集的風場當地歷史氣象數據，運用LSTM（Long-Short Term Memory）等計算機技術實現高精度微氣象預測預警。

風機預警技術對防冰、除冰具有重要意義。已有國內風機廠商在模擬寒冷試驗室內開展了不同環境溫度、不同轉速和不同輸入電壓下風機覆冰特性試驗。結果表明，風機葉片是風機最易結冰部位，且風機葉片表面溫度沿根部到葉尖部依次降低，因此風機覆冰預警技術應針對風機葉片特別是風機葉尖重點開展[4]。

風機葉片覆冰預警技術包括風機葉片覆冰仿真預警技術和風機葉片覆冰監測預警技術。風機葉片覆冰仿真技術研究主要集中于高校，如重慶大學開展了小型風機葉片的覆冰仿真，對NE-100型水平軸風力機葉片的覆冰進行了數值仿真。但是由于目前的仿真主要為二維仿真，而風機繞流場中的一個關鍵因素為旋轉葉片會產生徑向氣流，該氣流具備三個方向，必須進行三維模擬，目前的仿真條件尚不具備，導致仿真結果與實際情況情況相差較大，難以進行現場應用。

目前投入實用的風機葉片覆冰預警技術主要為風機葉片覆冰監測預警技術，該技術主要包括視頻監測法和人工觀冰法，光學性能法，氣動噪聲法，葉片結構振動頻率法，光纖法，電容法，超聲法和微波監測法等，下面逐一介紹。

1）人工觀冰法與視頻監測法基本類似，是指在風力機上安裝網絡攝像頭或是憑人工肉眼對葉片結冰狀況進行監測。這種方法通過視頻畫面對葉片表面實時監測，能夠提供有效的結冰信息，但是這種方法主要監測葉片根部的覆冰，無法監測葉片尖部這一覆冰嚴重區域。同時在覆冰期視頻攝像頭容易被冰包裹，無法正常運行。由于該技術實現簡單，盡管存在一些缺陷，目前已實現較大規模應用。

2）冰層光學性能法根據葉片覆冰后冰層的反射性能監測結冰，但是當出現覆冰很薄且透明的情況時，由于透明的薄冰層對于光的反射路徑影響很小，導致在凍雨環境下無法給出有效的結果。其基本原理和主要缺點見圖1。

圖1 冰層光學性能法原理及缺點

3）氣動噪聲法是由于結冰導致葉片氣動噪聲的增加，有研究表明少量的積冰可以導致很高的氣動噪聲。但是這種方法在風力機停機時無法探測到葉片結冰狀況，而且應用前需要調查清楚環境噪聲以及各種風速的對結果的影響；

4）葉片結構振動頻率法，由于覆冰會導致葉片原有結構振動性能發生改變，通過探測共振頻率的變化理論上可以達到結冰監測的目的。但是這種方法敏感性太低，只有當葉片上覆冰到足以改變整體共振頻率時才能發揮作用，此時覆冰可能已對風機造成較嚴重損傷。

5）光纖法是利用不同介質（空氣和冰）對紅外光的折射、反射和漫射性能不同的特點判斷葉片結冰情況，這種方法結構復雜，成本較高，無法判斷冰水混合物。基本原理和主要缺點見圖2。

圖2 光纖法原理及缺點

6）電容法是利用不同介質（空氣和冰）介電常數的差異，設置多個平板電極對，測量其電容值的變化，從而反推其中介電常數的變化判斷是否結冰，這種方法抗干擾能力差，容易受環境雜散電容影響，無法區分冰水混合物。其基本原理和主要缺點見圖3。

圖3 電容法原理及缺點

7）超聲法是利用一種能將機械能與電能相互轉換的材料壓電陶瓷，通過壓電陶瓷覆冰后諧振頻率的變化來判斷是否結冰，該方法難以分辨結冰與結霜，元器件較易損壞且無法應用于本身存在振動場合。其原理及主要缺點見圖4。

圖4 超聲法原理及缺點

8）微波監測法是依靠微波在不同介質中傳播特性差異判斷覆冰的一種方法。微波依靠交變電場和磁場的相互感應進行傳遞，在傳遞過程中，會對傳播介質施加上一種電場，進而導致電介質發生極化，造成在傳輸過程的微波衰減，可以通過測量微波通過某一物質的衰減量進而可以得到這個物質的某些特性。目前已有基于微波檢測原理的覆冰監測裝置掛網運行，運行效果良好。

2 結語

風機覆冰預警技術是風機防冰除冰技術的關鍵，對于保障風機安全穩定運行具有重要意義。風機覆冰預警技術應包括高精度氣象預測預警技術和風機部件覆冰在線監測技術。高精度氣象預警技術可運用計算機技術綜合氣象部門提供的大范圍氣象預測數據與自建微氣象監測站采集的風場當地歷史氣象數據實現。風機預警技術主要應聚焦風機葉片覆冰預警技術。風機葉片覆冰預警技術包括風機葉片覆冰仿真預警技術和風機葉片覆冰監測預警技術。風機葉片覆冰仿真技術研究結果與實際情況情況相差較大，難以進行現場應用。風機葉片覆冰監測預警技術包括視頻監測法和人工觀冰法，光學性能法，氣動噪聲法，葉片結構振動頻率監測覆冰法和微波監測法等，其中視頻監測法和人工觀冰法已實用化，微波監測法前景較好。