风力发电机覆冰预警技术研究

练杨蔚，郑蜀江

（1.贵州龙源新能源有限公司，贵州 贵阳 550000；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

随着国家双碳目标的提出，能源电力低碳转型发展进程将进一步加速，未来我国将逐渐形成清洁低碳、安全高效的能源体系，能效水平持续提升，能源结构深刻调整。非化石能源占比将于2040年前后超过50%，成为我国能源供应的主体，其中风能和太阳能将快速发展，2030年以后将成为主要的非化石能源品种。非化石能源中，陆上风电是我国当前最大的新能源电源类型，也将是我国第一大电源，预计2025年和2030年，装机容量将分别达到4.8亿kW和6.5亿～6.8亿kW，并于2030-2035年期间成为第一大发电量电源。贵州地区2020年投运的风电装机容量超过515万kW，在建容量超过103万kW，根据规划，贵州省风电装机容量2025年可达800万kW，2030年可达1 000万kW[1]。

1 问题论述

由于贵州地处内陆高原，风电场主要为高山风场，风机在极寒天气下运行时经常遭遇覆冰结冰现象。风机覆冰会导致机械故障，甚至可能导致停机。2021年1月，贵州地区持续寒潮天气，该地所在的某能源央企累计凝冻停运风电机组403台，既损害了企业本身的经济效益，也给社会及人民群众电力供应保障带来极大影响。为保障高寒气候下风机安全稳定运行，开展风机防冰除冰技术研究具有重要意义，而风机覆冰预警技术又是风机防冰除冰技术的前提和关键[2]。

根据日常工作经验，风机覆冰会给风机运行带来4个方面影响，一是风机叶片表面大量覆冰时，由于每个叶片上的冰载不同，使机组的不平衡载荷增大，降低风机的零部件运行寿命；二是由于覆冰厚度不一，叶片原有的气动外形将发生改变，降低机组的风能利用系数，从而造成发电功率降低，严重时还可造成风电机组无法正常启动；三是风机上的测风仪覆冰后，将无法正常工作，使测量数据不准，影响机组的正常运行和控制；四是风机如果覆冰后继续运行，抛出的冰层碎块或掉落的大冰块可能会伤害到风机自身及其附近的人或物[3]。

根据前面的分析，由于风机覆冰会对风机运行造成不良影响，亟需开展风机覆冰预警技术研究，而覆冰预警技术研究包括风电场高精度气象预测预警技术和风机部件覆冰在线监测技术两部分。

风电场高精度气象预测预警技术可以帮助风机运行单位提前做好防冰工作，而风机部件覆冰在线监测技术能帮助运行人员准确判断风机状态，精准控制风机运行，最大可能确保风机安全稳定运行。高精度气象预警技术可综合气象部门提供的大范围气象预测数据与自建微气象监测站采集的风场当地历史气象数据，运用LSTM（Long-Short Term Memory）等计算机技术实现高精度微气象预测预警。

风机预警技术对防冰、除冰具有重要意义。已有国内风机厂商在模拟寒冷试验室内开展了不同环境温度、不同转速和不同输入电压下风机覆冰特性试验。结果表明，风机叶片是风机最易结冰部位，且风机叶片表面温度沿根部到叶尖部依次降低，因此风机覆冰预警技术应针对风机叶片特别是风机叶尖重点开展[4]。

风机叶片覆冰预警技术包括风机叶片覆冰仿真预警技术和风机叶片覆冰监测预警技术。风机叶片覆冰仿真技术研究主要集中于高校，如重庆大学开展了小型风机叶片的覆冰仿真，对NE-100型水平轴风力机叶片的覆冰进行了数值仿真。但是由于目前的仿真主要为二维仿真，而风机绕流场中的一个关键因素为旋转叶片会产生径向气流，该气流具备三个方向，必须进行三维模拟，目前的仿真条件尚不具备，导致仿真结果与实际情况情况相差较大，难以进行现场应用。

目前投入实用的风机叶片覆冰预警技术主要为风机叶片覆冰监测预警技术，该技术主要包括视频监测法和人工观冰法，光学性能法，气动噪声法，叶片结构振动频率法，光纤法，电容法，超声法和微波监测法等，下面逐一介绍。

1）人工观冰法与视频监测法基本类似，是指在风力机上安装网络摄像头或是凭人工肉眼对叶片结冰状况进行监测。这种方法通过视频画面对叶片表面实时监测，能够提供有效的结冰信息，但是这种方法主要监测叶片根部的覆冰，无法监测叶片尖部这一覆冰严重区域。同时在覆冰期视频摄像头容易被冰包裹，无法正常运行。由于该技术实现简单，尽管存在一些缺陷，目前已实现较大规模应用。

2）冰层光学性能法根据叶片覆冰后冰层的反射性能监测结冰，但是当出现覆冰很薄且透明的情况时，由于透明的薄冰层对于光的反射路径影响很小，导致在冻雨环境下无法给出有效的结果。其基本原理和主要缺点见图1。

图1 冰层光学性能法原理及缺点

3）气动噪声法是由于结冰导致叶片气动噪声的增加，有研究表明少量的积冰可以导致很高的气动噪声。但是这种方法在风力机停机时无法探测到叶片结冰状况，而且应用前需要调查清楚环境噪声以及各种风速的对结果的影响；

4）叶片结构振动频率法，由于覆冰会导致叶片原有结构振动性能发生改变，通过探测共振频率的变化理论上可以达到结冰监测的目的。但是这种方法敏感性太低，只有当叶片上覆冰到足以改变整体共振频率时才能发挥作用，此时覆冰可能已对风机造成较严重损伤。

5）光纤法是利用不同介质（空气和冰）对红外光的折射、反射和漫射性能不同的特点判断叶片结冰情况，这种方法结构复杂，成本较高，无法判断冰水混合物。基本原理和主要缺点见图2。

图2 光纤法原理及缺点

6）电容法是利用不同介质（空气和冰）介电常数的差异，设置多个平板电极对，测量其电容值的变化，从而反推其中介电常数的变化判断是否结冰，这种方法抗干扰能力差，容易受环境杂散电容影响，无法区分冰水混合物。其基本原理和主要缺点见图3。

图3 电容法原理及缺点

7）超声法是利用一种能将机械能与电能相互转换的材料压电陶瓷，通过压电陶瓷覆冰后谐振频率的变化来判断是否结冰，该方法难以分辨结冰与结霜，元器件较易损坏且无法应用于本身存在振动场合。其原理及主要缺点见图4。

图4 超声法原理及缺点

8）微波监测法是依靠微波在不同介质中传播特性差异判断覆冰的一种方法。微波依靠交变电场和磁场的相互感应进行传递，在传递过程中，会对传播介质施加上一种电场，进而导致电介质发生极化，造成在传输过程的微波衰减，可以通过测量微波通过某一物质的衰减量进而可以得到这个物质的某些特性。目前已有基于微波检测原理的覆冰监测装置挂网运行，运行效果良好。

2 结语

风机覆冰预警技术是风机防冰除冰技术的关键，对于保障风机安全稳定运行具有重要意义。风机覆冰预警技术应包括高精度气象预测预警技术和风机部件覆冰在线监测技术。高精度气象预警技术可运用计算机技术综合气象部门提供的大范围气象预测数据与自建微气象监测站采集的风场当地历史气象数据实现。风机预警技术主要应聚焦风机叶片覆冰预警技术。风机叶片覆冰预警技术包括风机叶片覆冰仿真预警技术和风机叶片覆冰监测预警技术。风机叶片覆冰仿真技术研究结果与实际情况情况相差较大，难以进行现场应用。风机叶片覆冰监测预警技术包括视频监测法和人工观冰法，光学性能法，气动噪声法，叶片结构振动频率监测覆冰法和微波监测法等，其中视频监测法和人工观冰法已实用化，微波监测法前景较好。