风电机组叶片覆冰分析及预警

风电机组叶片覆冰分析及预警

蒋理论

(河北大唐国际新能源有限公司，河北 承德，067000)

Analysis and early warning of icing on wind turbine blades

Jiang Lilun

Hebei Datang International Ｒenewable Energy Co. Ltd., Chengde 067000, China

摘要：阐述了风电机组叶片覆冰机理，分析了叶片覆冰的危害，总结了叶片覆冰状态诊断和预测方法的优缺点，提出基于风速—功率匹配度的叶片覆冰预警策略是一种简单、实用、经济、有效的保护机制，具有广泛的工程实践意义。

Abstract:This paper expounds the mechanism of icing on wind turbines' blades, analyzes on the harm of icing on blades, summarizes the advantages and disadvantages of the diagnosis and prediction methods of icing on blades, and puts forward that the early warning strategy of icing on blades based on the matching degree of wind speed and power is a simple, practical, economical and effective protection mechanism, which has extensive practical significance in engineering.

关键字：叶片覆冰；危害分析；功率匹配度；预警策略

Keywords: blade icing; hazard analysis; power matching degree;early warning strategy

1引 言

风电机组一般布置在山地、丘陵和近海等地区，在寒冷、潮湿的环境中极易发生叶片覆冰现象，给整个风电机组的安全运行带来严重影响，同时也给风电运营管理者提出了考验。目前风电行业尚无成熟、可广泛推广应用的防覆冰技术，因此研究风电机组叶片覆冰保护具有重要意义。

2叶片覆冰的机理

2.1叶片覆冰的成因

风力发电机组叶片覆冰主要受环境温度、空气相对湿度和来流风速影响。环境温度是影响叶片覆冰的核心因素，环境温度会改变空气中液态水含量和叶片表面液态水滴的结冰速率，从而直接影响叶片覆冰的类型和质量；空气相对湿度影响叶片结冰速率，空气相对湿度决定空气中过冷水滴的密度和直径，过冷水滴撞击到叶片表面时，其密度和直径直接影响叶片覆冰的质量和面积；来风则将空气中的液态水滴输送到叶片表面并影响其对流换热过程，在低温环境下叶片更容易产生覆冰现象。

2.2叶片覆冰的形式

空气中的过冷微液滴被机组叶片表面捕获后在其表面发生冻结，即导致叶片覆冰。长期的风电场运维经验表明，发生冻雨、湿雪天气时，叶片产生覆冰的几率很高。

冻雨，是由冰水混合物组成，与温度低于0℃的物体碰撞立即冻结的降水。一般发生在初冬或冬末春初时节，当较强的冷空气遇到暖湿气流时，湿润的暖空气被抬升，并成云致雨。低于0℃的雨滴在温度略低于0℃的空气中能够保持过冷状态，当雨滴从空中落下到近地面温度为0℃以下的叶片上时，立刻冻结成外表光滑而透明的冰层，这种冰比重较大，附着力强、很难除去、对风机危害较大。

湿雪，雪花在降落过程中，通过一段温暖层后，雪片趋于潮湿、融化，雪花没有来得及完全融化就落到了地面，即为降“湿雪”，一般发生在早春或初冬。湿雪粘接在风机叶片表面，一旦发生冻结就很难除去，并且增长速度极快，很容易在叶片表面形成较厚的积雪，对风机危害大。

3叶片覆冰的危害

风机叶片是将风的动能转化为机械能的核心部件，是机组功率控制的主要调节对象，也是决定风电机组运行安全性、经济性的主要环节之一，叶片覆冰将对机组的运行工况产生严重影响，根据风电场运维经验，下面从叶片覆冰到消融全过程分析叶片覆冰的危害。

3.1降低发电产能

叶片覆冰初期，叶片表面有薄冰形成，会导致风机出力不足、风速与功率不匹配现象。叶片结冰（霜）后，由于而冰（霜）的密度远远大于叶片材料密度，导致叶片的重量增加，且受叶片表面粗糙度的影响，使各叶片前缘、后缘的结冰程度各不相同，质量的增加没有规律性。结冰后的风机叶片翼型发生改变，导致风能捕获能力下降，加之叶片上附着冰层，增大了叶片转动所需能量，最终导致风能转换效率低，机组功率曲线不达标。

随着叶片覆冰的厚度增加，叶片外形和质量发生变化，叶片的气动性能也随之改变，在相同的风速下，叶片在最大迎风角度不能吸收同等出力对应的风能，导致风机输出功率

快速下降，发电功率出现较大幅度的振荡，并随覆冰程度直至衰减到零功率，严重影响输出电能质量。

3.2引发电气故障

叶片覆冰程度加剧后，叶片质量重心逐步发生变化，导致了三个叶片之间原有对称性也变化。再加上叶片表面结冰（霜）的不均匀性，迎风侧会明显多一些，叶片各处的横截面积发生了很大变化，导致叶片形状发生变化，扫风力度、扫风角度也发生了变化。叶片表面形成不规则覆冰，改变了叶片的气动外形，从而导致了叶片失速可能比设计预期提前或延后，变桨控制系统也会随之做出错误判断。

变桨系统控制策略是依据风机当前风速、变桨角度、最优功率曲线进行功率控制的，功率的降低会使开桨角度增大，出现风速大于额定风速后风机叶片仍在开桨角度最大的0度，但开桨角度的增大，会加重叶片的结冰，这样就造成了一个恶性循环，逐渐导致三支桨叶变桨负载不平衡，变桨电机电流出现明显偏差，引发叶片变桨不一致、变桨驱动过载、收桨速率慢等变桨系统紧急故障，严重情况下将产生机组振动过大。

3.3增加主要部件疲劳载荷

叶片几何中心和质量重心的改变，三支叶片的平衡性会进一步受到破坏，导致叶轮转动过程中产生不平衡转动惯量和偏载，加剧了机组振动，使风机的叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、发电机等主要部件载荷增大，尤其是轴承和高强度连接螺栓承受更大的载荷，并通过塔筒传递至风机基础，降低了大部件的疲劳寿命。

再加上风机主控系统持续调节变桨角度来输出最优功率曲线，桨叶角度保持在最佳工作0°位置，导致机组各部件载荷随着叶片结冰的增加而剧增。这种载荷和正常的工作载荷叠加在一起，尤其是对老旧机组，当超过风机某一主要部件的使用强度时，势必会导致这些部件的失效而造成叶片折断、轴承开裂、齿轮箱损伤、风机倒塔等恶性设备事故，造成严重的经济损失。

3.4次生安全问题

叶片表面覆冰后，环境温度升高将使覆冰逐渐融化，随着叶轮的旋转和风力作用，冰块高空坠落会对风机塔筒、箱变、集电线路和现场巡检车辆、人员造成很大的安全威胁，可能发生集电线路跳闸、人身伤害等问题。此外，对于未设计叶片覆冰保护的机组，在叶片覆冰的脱落的过程中存在导致叶轮转速陡增的风险，易引起叶轮超速、机组甩负荷而产生机组飞车事故。

因此，制定一套完善的风机叶片覆冰预警策略，及早地控制机组保护停机，不仅有利于保障风机自身部件安全，而且也可提高风场设备的可靠性和整体安全生产水平。

4叶片覆冰预警策略

4.1叶片防覆冰研究现状

国内外针对叶片覆冰问题，开展了基于数值模拟方法或通过安装传感器提取信号特征来实现叶片覆冰状态的诊断和预测的大量研究，但数值模拟过程中各参数的选择和计算不仅没有统一的标准，而且处于理论研究阶段，况且对于已投产的老旧机型来说，早期设计的主控CPU性能达不到运算要求；信号分析的方法虽然能较准确地诊断叶片覆冰状态，但在工程实际中传感器的安装、布置和维护对环境要求较高，存在诸多限制，且二者都有造价成本高的问题。因此一套实用、操作性强的叶片覆冰预警策略更具有工程实践意义。

4.2基于风速—功率匹配度的保护策略

根据变桨距控制逻辑，风机主控系统根据当前风速、变桨角度、功率限幅值这3个变量来实时控制变桨系统调节变桨角度以实现机械能的最佳转化，达到输出最优风功率曲线的目的。依据风电场修正空气密度后的风功率曲线对应参考关系（如附表1），PLC可通过查表法来分析风机实发功率与理论功率的匹配度。

表1 某2MW机型修正后风功率数值表

当机组处于AGC限负荷工况下时，可查表得出风机检测周期内功率限幅值对应的参考风速，以此参考风速作为风机当前运行工况的额定风速，由此绘制出新的风功率曲线对应参考关系，即实际风速高于风机当前运行额定风速时，系统默认对应参考功率为功率限幅值。

由叶片覆冰机理分析可知，环境温度是决定风带机组叶片覆冰的先决条件（大量的运行数据表明，一般外界环境温度低于5°时，叶片便可发生覆冰现象）；根据叶片覆冰危害分析，在叶片覆冰初期，即可出现风机出力不足、风速与功率不匹配现象

，因此可设定在一个PLC检测周期内，外界环境温度达到覆冰条件，且持续检测到风机实发功率与当前功率曲线下理论功率的匹配度偏差较大，此时触发叶片覆冰预警实现保护停机。

5结束语

环境温度、空气相对湿度和来流风速是造成风电机组叶片覆冰的主要成因，风电机组叶片覆冰不但降低机组出力、影响发电产能，而且还会降低设备使用寿命，严重危害设备及人身安全。通过检测风速—功率匹配度的叶片覆冰预警策略，是一种简单、实用、经济、有效的叶片覆冰保护机制，具有广泛的工程实践意义。

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