★ 菲尼克斯（中國(guó)）投資有限公司

風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀(jì)初，清潔可再生，且潛力巨大，已在全球多國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需求也越來(lái)越高。一臺(tái)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命至少為20年，有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)30年。在此期間，無(wú)論環(huán)境多么惡劣，風(fēng)機(jī)都應(yīng)該以穩(wěn)定可靠的性能實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量。

1結(jié)冰檢測(cè)的必要性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)受到諸多自然現(xiàn)象的侵蝕，如風(fēng)暴、暴雨、冰雹、閃電及結(jié)冰等。風(fēng)機(jī)表面結(jié)冰的問(wèn)題在世界某些地區(qū)普遍存在，它可導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高并對(duì)其功能和安全造成不良影響。隨著寒帶地區(qū)，即所謂的“寒冷氣候”區(qū)新建風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)結(jié)冰問(wèn)題日益嚴(yán)重。

積冰厚度超過(guò)一毫米將影響風(fēng)機(jī)的性能，而隨著積冰厚度的增加，帶來(lái)的負(fù)面影響也會(huì)越大。某些地區(qū)，單個(gè)系統(tǒng)葉片在一個(gè)冬季的結(jié)冰時(shí)間便可達(dá)到500小時(shí)或以上。這意味著在整個(gè)冬季，該系統(tǒng)發(fā)電量要比計(jì)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(shù)百米外，威脅到風(fēng)力發(fā)電機(jī)附近人員的安全。為此，常規(guī)的做法是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)冰或有可能結(jié)冰時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，以確保避免發(fā)生拋冰現(xiàn)象（拋冰的定義是指葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)拋出冰塊），即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)拋出碎冰。除識(shí)別結(jié)冰發(fā)生跡象外，還必須盡可能精確地檢測(cè)結(jié)冰事件的持續(xù)時(shí)間，這是顯著縮短停機(jī)時(shí)間的唯一途徑。在這兩種情況下，積冰的可靠檢測(cè)尤為重要。

2結(jié)冰檢測(cè)解決方案

葉片結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)，即結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)，種類繁多，最常見的是：

·測(cè)量環(huán)境溫度；

·測(cè)量環(huán)境濕度；

·風(fēng)速計(jì)比較；

·基于機(jī)艙的結(jié)冰檢測(cè)器；

·攝像頭系統(tǒng)；

·通過(guò)監(jiān)測(cè)功率曲線的變化實(shí)現(xiàn)結(jié)冰檢測(cè)；

·直接在葉片實(shí)現(xiàn)結(jié)冰檢測(cè)。

除風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的各種因素和安全系數(shù)，上述解決方案因其測(cè)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(jī)艙的結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)與葉片上結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1基于機(jī)艙的結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)

在機(jī)艙確認(rèn)是否滿足葉片結(jié)冰條件，確認(rèn)方法各不相同：

·比較兩個(gè)風(fēng)速計(jì)；

·基于超聲波的結(jié)冰檢測(cè)；

·采集濕度等氣象數(shù)據(jù)。

所有這些方法的共通之處在于機(jī)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(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)測(cè)量葉片上或在葉片內(nèi)測(cè)量結(jié)冰情況來(lái)確定，包括以下測(cè)量方法：

（1）直接測(cè)量葉片表面

目前，在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)葉片直接進(jìn)行表面測(cè)量的方法只有使用自給型電容式傳感器。借助該系統(tǒng)，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(cè)出是否結(jié)冰，并測(cè)量其溫度，同時(shí)將測(cè)量值無(wú)線傳輸至系統(tǒng)控制站。由于該測(cè)量傳感器安裝在葉片上，且不受風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響，因此也可用于除冰后的無(wú)冰檢測(cè)。此方法可自動(dòng)重啟風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

（2）間接在葉片內(nèi)部測(cè)量

葉片結(jié)冰也會(huì)改變?nèi)~片的固有頻率。此類變化均可通過(guò)光纖或加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，需要盡可能削弱葉片的氣流激勵(lì)作用，將傳感器安裝在葉片內(nèi)部，通過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)采集風(fēng)機(jī)參數(shù)。

3結(jié)冰檢測(cè)物有所值

結(jié)冰現(xiàn)象可導(dǎo)致AEP（年發(fā)電量）損失數(shù)個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)發(fā)電廠和風(fēng)場(chǎng)位置，每個(gè)發(fā)電廠每年損失可累積至數(shù)萬(wàn)歐元。相較于基于機(jī)艙的結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)，使用葉片表面結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電量有所提高。

圖1比較了基于機(jī)艙（左）與直接安裝在葉片表面（右）的結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)冰停機(jī)時(shí)間，后者的測(cè)量結(jié)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(jī)艙（左）與安裝在葉片表面（右）的結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)冰停機(jī)時(shí)間比較

在葉片表面直接使用結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，停機(jī)時(shí)間至多可減少80%。在每年停機(jī)時(shí)間減少200小時(shí)的前提下，假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出為3MW，每年的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)為4000小時(shí)，每千瓦時(shí)電費(fèi)為8歐分，則每年可節(jié)省48000歐元。除顯著提高發(fā)電量外，該結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)還有以下優(yōu)勢(shì)：

·免維護(hù)；

·系統(tǒng)經(jīng)認(rèn)證；

·技術(shù)解決方案的可靠性和質(zhì)量；

·無(wú)需在葉片內(nèi)部布線；

·能量自給型測(cè)量裝置，無(wú)需風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)；

·即使系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可進(jìn)行測(cè)量；

·精準(zhǔn)的結(jié)冰檢測(cè)；

·方案靈活，采用模塊化設(shè)計(jì)。

4菲尼克斯電氣智慧葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著運(yùn)營(yíng)成本的日益提升，用戶也在尋求新的技術(shù)增加經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)龍頭企業(yè)在新疆吉木乃地區(qū)的在役機(jī)組，受機(jī)組年齡和惡劣環(huán)境的影響，需要對(duì)老化、受損的葉片和覆冰嚴(yán)重的風(fēng)場(chǎng)機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，以提高投資回報(bào)率，減少能源成本。菲尼克斯電氣為該企業(yè)提供了葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，可以采集機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)葉片上的結(jié)冰傳感器，根據(jù)阻抗的變化可檢測(cè)出是否結(jié)冰，并測(cè)量其溫度，同時(shí)將測(cè)量值無(wú)線傳輸至系統(tǒng)控制站。

吉木乃現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組通過(guò)結(jié)冰傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，可以對(duì)葉片表面結(jié)冰狀態(tài)以及溫度做到實(shí)時(shí)監(jiān)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(jié)冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行。得益于可區(qū)分結(jié)冰和污物，結(jié)冰監(jiān)測(cè)的可靠性大大增強(qiáng)，結(jié)冰的厚度也可以用同一傳感器中并行的溫度測(cè)量來(lái)核實(shí)，結(jié)冰可以被明顯更早地發(fā)現(xiàn)。可靠的評(píng)估算法，將決定是繼續(xù)運(yùn)行還是停機(jī)；當(dāng)具備合適數(shù)量的傳感器時(shí)，系統(tǒng)將具備自動(dòng)重啟功能。傳感器信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇Y(jié)冰監(jiān)測(cè)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(tǒng)可以直接對(duì)葉片結(jié)冰的變化情況做出反應(yīng)。

由于該測(cè)量傳感器安裝在葉片上，且不受風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響，因此也可用于除冰后的無(wú)冰檢測(cè)。此方法可自動(dòng)重啟風(fēng)力發(fā)電機(jī)。同時(shí)內(nèi)置太陽(yáng)能電池和備用電池及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，傳感器可以自給自足，無(wú)需另外布線，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(jiān)控系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組創(chuàng)造更安全的運(yùn)行條件，可助力風(fēng)電用戶延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命，獲得更好的經(jīng)濟(jì)收益，笑看風(fēng)云變化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊