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★ 菲尼克斯（中國）投資有限公司

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(yīng)用。隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機的需求也越來越高。一臺風(fēng)機的設(shè)計壽命至少為20年，有時甚至長達30年。在此期間，無論環(huán)境多么惡劣，風(fēng)機都應(yīng)該以穩(wěn)定可靠的性能實現(xiàn)最大發(fā)電量。

1結(jié)冰檢測的必要性

風(fēng)力發(fā)電機會受到諸多自然現(xiàn)象的侵蝕，如風(fēng)暴、暴雨、冰雹、閃電及結(jié)冰等。風(fēng)機表面結(jié)冰的問題在世界某些地區(qū)普遍存在，它可導(dǎo)致風(fēng)機運營成本過高并對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)機數(shù)量的增加，風(fēng)機結(jié)冰問題日益嚴重。

積冰厚度超過一毫米將影響風(fēng)機的性能，而隨著積冰厚度的增加，帶來的負面影響也會越大。某些地區(qū)，單個系統(tǒng)葉片在一個冬季的結(jié)冰時間便可達到500小時或以上。這意味著在整個冬季，該系統(tǒng)發(fā)電量要比計劃減少15%。

葉片上冰塊脫落后，變成多個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)電機附近人員的安全。為此，常規(guī)的做法是在風(fēng)力發(fā)電機結(jié)冰或有可能結(jié)冰時關(guān)閉風(fēng)機，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)時拋出冰塊），即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時拋出碎冰。除識別結(jié)冰發(fā)生跡象外，還必須盡可能精確地檢測結(jié)冰事件的持續(xù)時間，這是顯著縮短停機時間的唯一途徑。在這兩種情況下，積冰的可靠檢測尤為重要。

2結(jié)冰檢測解決方案

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

·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(jié)冰檢測器；

·攝像頭系統(tǒng)；

·通過監(jiān)測功率曲線的變化實現(xiàn)結(jié)冰檢測；

·直接在葉片實現(xiàn)結(jié)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(shù)，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(jié)冰檢測系統(tǒng)與葉片上結(jié)冰檢測系統(tǒng)。

2.1基于機艙的結(jié)冰檢測系統(tǒng)

在機艙確認是否滿足葉片結(jié)冰條件，確認方法各不相同：

·比較兩個風(fēng)速計；

·基于超聲波的結(jié)冰檢測；

·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)冰檢測系統(tǒng)

通過測量葉片上或在葉片內(nèi)測量結(jié)冰情況來確定，包括以下測量方法：

（1）直接測量葉片表面

目前，在運行過程中對葉片直接進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(tǒng)，可在各葉片上安裝自給型扁平電容式傳感器。通過表面阻抗的變化便可檢測出是否結(jié)冰，并測量其溫度，同時將測量值無線傳輸至系統(tǒng)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冰檢測。此方法可自動重啟風(fēng)力發(fā)電機。

（2）間接在葉片內(nèi)部測量

葉片結(jié)冰也會改變?nèi)~片的固有頻率。此類變化均可通過光纖或加速度傳感器進行測量，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(nèi)部，通過風(fēng)機運轉(zhuǎn)采集風(fēng)機參數(shù)。

3結(jié)冰檢測物有所值

結(jié)冰現(xiàn)象可導(dǎo)致AEP（年發(fā)電量）損失數(shù)個百分點。根據(jù)發(fā)電廠和風(fēng)場位置，每個發(fā)電廠每年損失可累積至數(shù)萬歐元。相較于基于機艙的結(jié)冰檢測系統(tǒng)，使用葉片表面結(jié)冰檢測系統(tǒng)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(jié)冰檢測系統(tǒng)測量的結(jié)冰停機時間，后者的測量結(jié)果促使每個冬季的發(fā)電時間可增加180小時。

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

在葉片表面直接使用結(jié)冰檢測系統(tǒng)時，停機時間至多可減少80%。在每年停機時間減少200小時的前提下，假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出為3MW，每年的滿負荷運行時為4000小時，每千瓦時電費為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)冰檢測系統(tǒng)還有以下優(yōu)勢：

·免維護；

·系統(tǒng)經(jīng)認證；

·技術(shù)解決方案的可靠性和質(zhì)量；

·無需在葉片內(nèi)部布線；

·能量自給型測量裝置，無需風(fēng)機數(shù)據(jù)；

·即使系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)，也可進行測量；

·精準的結(jié)冰檢測；

·方案靈活，采用模塊化設(shè)計。

4菲尼克斯電氣智慧葉片監(jiān)測系統(tǒng)

隨著運營成本的日益提升，用戶也在尋求新的技術(shù)增加經(jīng)濟效益。國內(nèi)某重點龍頭企業(yè)在新疆吉木乃地區(qū)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)場機組進行升級改造，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(jiān)測系統(tǒng)解決方案，可以采集機組相關(guān)數(shù)據(jù)，通過葉片上的結(jié)冰傳感器，根據(jù)阻抗的變化可檢測出是否結(jié)冰，并測量其溫度，同時將測量值無線傳輸至系統(tǒng)控制站。

吉木乃現(xiàn)場機組通過結(jié)冰傳感器現(xiàn)場檢測情況，可以對葉片表面結(jié)冰狀態(tài)以及溫度做到實時監(jiān)控，圖2為實時采集圖。

圖2實時采集圖

菲尼克斯電氣結(jié)冰監(jiān)測系統(tǒng)確保風(fēng)力發(fā)電機組的可靠運行。得益于可區(qū)分結(jié)冰和污物，結(jié)冰監(jiān)測的可靠性大大增強，結(jié)冰的厚度也可以用同一傳感器中并行的溫度測量來核實，結(jié)冰可以被明顯更早地發(fā)現(xiàn)。可靠的評估算法，將決定是繼續(xù)運行還是停機；當具備合適數(shù)量的傳感器時，系統(tǒng)將具備自動重啟功能。傳感器信號通過無線傳輸?shù)浇Y(jié)冰監(jiān)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，通過這種方法，葉片加熱系統(tǒng)可以直接對葉片結(jié)冰的變化情況做出反應(yīng)。

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冰檢測。此方法可自動重啟風(fēng)力發(fā)電機。同時內(nèi)置太陽能電池和備用電池及無線數(shù)據(jù)傳輸，傳感器可以自給自足，無需另外布線，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)電機組創(chuàng)造更安全的運行條件，可助力風(fēng)電用戶延長機組使用壽命，獲得更好的經(jīng)濟收益，笑看風(fēng)云變化。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊