风力发电机组叶片覆冰及防范策略

李建强

摘 要：本文首先分析风机叶片覆冰原理及工况条件，然后探讨风机叶片覆冰的危害及判断，之后分析风机叶片覆冰检测及保护控制，最后提出风机叶片防覆冰措施，包括热能防冰除冰和涂层防冰，以期为有效应对风机覆冰、提升风机安全性及经济性提供参考。

关键词：风力发电机组叶片;覆冰;防范策略

中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0034-03

Abstract： This paper first analyzed the principle and working conditions of fan blade icing， then discussed the harm and judgment of fan blade icing， then analyzed the detection and protection control of fan blade icing， and finally put forward the anti icing measures of fan blade， including thermal anti icing and de icing and coating anti icing， in order to provide reference for effectively dealing with fan icing and improving fan safety and economy.

Keywords： wind turbine blades;icing;preventive measures

风机覆冰是山地风场常见故障之一[1]。风机覆冰后，存在极大的安全隐患。据此，本文针对风机叶片覆冰工况条件进行分析，对风机覆冰检测及保护控制机理进行阐述，并提出了防止风机叶片覆冰的控制策略。

1 风机叶片覆冰原理及工况条件分析

影响风机运行的覆冰类型主要有云中覆冰和降水结冰。其中，云中覆冰是指过冷水滴高速拍打到结构表面之后冻结，可形成明冰和霜冰。明冰形成的过程较慢，因此，相对密实，成透明色，附着力大;而霜冰形成较快，冰粒之间充满空气，因此，成乳白色，附着力小。降水结冰主要指融雪结冰，附着力适中。

风机叶片覆冰工况如表1所示。对风电场现场叶片覆冰数据进行分析得出以下结论：温度在0 ℃附近（-2～2 ℃），且濕度在80%左右工况下，风机叶片容易形成覆冰;空气温度一定时，结冰速度随相对湿度呈单调增加关系;在某一湿度条件下，温度越低，冻结速度越快;在气温和湿度一定时，结冰时间越长，冰层越厚;冻结时间变长以后，冻结厚度增加速率有减缓的趋势。

2 风机叶片覆冰的危害及判断

2.1 风机叶片覆冰的危害

2.1.1 叶片覆冰对机组运行的影响。静态方面，明显改变叶片的气动翼型、质量分布和截面刚度。动态方面，叶片气动载荷不平衡，增大振动;惯性载荷不平衡，风轮动平衡失衡，刚度增大，耐疲劳性能显著降低。

2.1.2 叶片覆冰的危害。叶片覆冰会影响功率曲线，振动加剧损坏传动件、连接件;严重影响风轮、传动链寿命及整机寿命;工况严重时，导致叶片断裂。叶片覆冰后，随着气温回升，冰块会脱落，存在极大的安全隐患[2]。

①造成设备损坏。风机覆冰，风机叶片的空气动力学轮廓就会受到影响，叶片表面的大量覆冰会引起风机的附加载荷与额外的振动（不平衡），从而降低其使用寿命。在极端情况下，积冰甚至会造成风塔整体坍塌或局部破损。

②造成人身伤害。如果覆冰后风机叶片继续旋转，落冰可能被抛出一段距离，如果没有遇到阻碍物，甚至可能会被抛出数百米远。被抛出的落冰可能会损害建筑物和车辆，甚至会伤害风场附近的人员。

③造成发电量损失。风机叶片覆冰后还会影响风电场的发电量。风机叶片挂冰运转或停运，风场发电量都会大幅度减少。

2.2 风机叶片覆冰现象判断

风机叶片覆冰基本可以通过五点判断：①风场风机均不同程度（根据覆冰量）出现功率下降、严重偏离风机设计功率曲线情况;②风机风速仪（2个）显示均正常，偏差小，所有风机类比均正常，风速测量正常;③风机风向仪（2个）显示正常，检查风机偏航对风角度与风向角度均在10°以内（各机型控制死区不一样），风机对风正常;④无自动发电量控制（Automatic Generation Control，AGC）、电能质量后台、手动等限制功率情况下，风机参数均正常且风机叶片全开（0°）;⑤风机机舱温度在-5 ℃以下，且伴随有大雪、大雾、大雨等高湿度天气，功率下降变化速度快。

出现上述五点情况后，应及时停运风机（根据风机厂家给予的安全红线确定），然后前往现场确认风机情况，对现场设备进行检查。

3 风机叶片覆冰检测及保护控制

在现有机型上加装温湿度传感器，利用功率曲线匹配性、机舱振动和变桨电机转矩偏差软件进行检测，以综合判断风机叶片是否结冰，从而确保在覆冰情况下能对风机进行有效保护，以减少覆冰对风机部件的影响[3]。

3.1 控制系统保护一

智能覆冰运行控制策略通过判断叶片的结冰情况，自动控制风机在安全工况下运行。借助上述结冰检测输出结果，判断机组结冰运行状态，并通过主动控制机组气动特性，使其获得更优的载荷和发电功率。具体结冰状态下的运行情况分为以下三种模式。

3.1.1 风机冰冻保护性运行模式。针对初期覆冰较少，机组通过在线软件的实时监测功能，判别冰冻及覆冰情况，自动进入冰冻运行模式。通过桨距角提升的变化来减少叶片进入失速状态的概率，使处于失速情况下的翼型回到翼型正常运行攻角范围以内，升力系数得到一定提高，并且不引起叶片的颤振，从而保证机组运行的可靠性。

3.1.2 叶片结冰严重时的主动停机模式。随着天气环境的进一步恶化，叶片覆冰可能会加剧，从而导致叶片翼型的启动特性丧失，不能再有效捕获风能。在此情况下，机组可能表现为大风下风机出力不足额定功率的10%。此时，机组会出现频繁启停机的现象，由于振动过大或者无法达到并网条件，机组会在连续3次振动故障后停机保护，确定叶片覆冰无法运行。

3.1.3 冰冻恢复启机模式。机组会连续通过软件在线监测功能，判断冰冻条件，当判断为非冰冻模式后，机组将重新启动。可通过启动运行的功率以及振动情况判断机组覆冰消除情况，如果可以正常启动，则会进入正常运行模式，若仍有振动故障或有功出力无法达到预期目标，机组将尝试启机3次，如果启机均失败，机组将进一步停机，等待覆冰消除。覆冰功率曲线如图1所示。

3.2 控制系统保护二

3.2.1 敏感型结冰保护。当轻度结冰，触发轻度结冰警告线（理论发电功率55%）时，进行保护性停机。

3.2.2 带冰运行模式。在非严重结冰状态下触发轻度结冰警告线后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行;在机组严重结冰触发严重结冰报警线（理论发电功率25%）时，保护性停机;在结冰且有大风的情况下，同样进行保护性停机。

在上述兩种模式触发停机后，机组判断环境温度变化，温升超过[T] ℃持续[H]小时，会自动启机。覆冰功率曲线如图2所示。

4 风机叶片防覆冰措施

4.1 热能防冰除冰

热能防冰除冰是利用各种热能加热叶片，使叶片表面温度超过0 ℃，以达到防冰和除冰的目的。该方法包括两种主流的方式：气热和电热。

4.1.1 气热防冰、除冰。在轮毂内部设置加热装置，在叶片内安装暖风通气管道，让轮毂内的暖气在管道内循环[4]，如图3所示。该系统是在叶片保持原有结构不变的情况加装加热设备和热风管路，具有较广的适用性。无论是新做的叶片还是风场已经运行的机组，均可加装该装置实现叶片的防除冰。

由于叶片主体材料导热性能较差，因此，通过轮毂内置加热装置产生的空气热能传导至叶片表面的效率较低。无论是防冰还是除冰，均需要较长的时间，消耗的电能也较多。同时，由于需要加装各种设备以及升级轮毂内部预留电缆的功率，改造投入的成本较大。

4.1.2 电热防冰、除冰。在叶片制作时，预埋由加热元件、转化器、过热保护装置及电源组成的电热防冰系统[5]。叶片加热膜结构如图4所示。该方式的主要机理是在叶片上敷设一层电阻加热元件（如碳布等），通电后电阻加热元件将电能转换为热能，使叶片表面温度升高。距叶尖1/3部分叶片保证了整个叶片90%风能捕获，而距叶根2/3区域的叶片对功率产出贡献较小。由于加热元件成本较高，所以选择在叶片前缘距叶尖1/3段开始敷设加热元件，这样既能对风能转换的关键部位快速除冰，又能兼顾成本。

叶片内置加热膜的方式能较好地实现防冰、除冰，但也存在一些问题。该方案适用于新制叶片，并不适用于风场现有叶片的改造升级。由于叶片采用电加热，叶片内部铺设有加热电阻丝，存在较大的雷击风险。受叶片偏振和挥舞的影响，叶片内置的加热电阻丝极易发生断裂或失效，后期对这种问题的维修是极其困难的。

4.2 涂层防冰

涂层防冰的原理是荷叶效应。超疏水涂层具有很高的水接触角，使水不易在表面浸润和附着，而是形成水珠，只要表面轻微扰动或倾斜，水珠就从表面滚落下来，故表面不易结冰。而且其表面的微纳米结构也具有抑制过冷水凝固结冰的作用，同时水珠还能将黏附的灰尘颗粒带走，起到自清洁的效果。

现有的涂层防冰技术不能完全解决叶片结冰问题，只能在一定程度上延缓结冰以缩短叶片结冰周期，并且涂层本身的寿命普遍较短。疏水性防冰涂料在短时间内具有一定的防冰效果，但是长期防冰效果并不理想。

综上所述，上述三种方案的对比结果如表2所示。

5 结论

对于风机叶片防水除冰，电热除冰效果最好，但该方式主要适用于新安装的风机叶片;气热除冰的经济性还有待现场验证;目前较保险的方案是涂层防冰，虽然其防冰效果时间较短，但可以定期涂刷防冰涂层。

参考文献：

[1]龙源电力集团股份有限公司.风力发电基础理论[M].北京：中国电力出版社，2016：28-56.

[2]苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京：中国电力出版社，200：46-56.

[3]双妙，宋波.风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2017（12）：152-158.

[4]苏银海.小型垂直轴风机低风速下性能优化的实验研究[D].南京：东南大学，2016：25.

[5]申晓东，时连斌，刘洪海，等.风力发电机组防覆冰技术研究[J].电气技术，2013（6）：48-51.