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風力發電起源于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用。隨著風電行業的發展，風力發電機的需求也越來越高。一臺風機的設計壽命至少為20年，有時甚至長達30年。在此期間，無論環境多么惡劣，風機都應該以穩定可靠的性能實現最大發電量。

1結冰檢測的必要性

風力發電機會受到諸多自然現象的侵蝕，如風暴、暴雨、冰雹、閃電及結冰等。風機表面結冰的問題在世界某些地區普遍存在，它可導致風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，即所謂的“寒冷氣候”區新建風機數量的增加，風機結冰問題日益嚴重。

積冰厚度超過一毫米將影響風機的性能，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，單個系統葉片在一個冬季的結冰時間便可達到500小時或以上。這意味著在整個冬季，該系統發電量要比計劃減少15%。

葉片上冰塊脫落后，變成多個一千克左右的碎冰片，可能被拋到數百米外，威脅到風力發電機附近人員的安全。為此，常規的做法是在風力發電機結冰或有可能結冰時關閉風機，以確保避免發生拋冰現象（拋冰的定義是指葉片旋轉時拋出冰塊），即轉子旋轉時拋出碎冰。除識別結冰發生跡象外，還必須盡可能精確地檢測結冰事件的持續時間，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結冰檢測解決方案

葉片結冰檢測系統，即結冰檢測技術，種類繁多，最常見的是：

·測量環境溫度；

·測量環境濕度；

·風速計比較；

·基于機艙的結冰檢測器；

·攝像頭系統；

·通過監測功率曲線的變化實現結冰檢測；

·直接在葉片實現結冰檢測。

除風力發電機發電量的各種因素和安全系數，上述解決方案因其測量方法和相關精度也各有不同。因此，形成了兩種技術方案：基于機艙的結冰檢測系統與葉片上結冰檢測系統。

2.1基于機艙的結冰檢測系統

在機艙確認是否滿足葉片結冰條件，確認方法各不相同：

·比較兩個風速計；

·基于超聲波的結冰檢測；

·采集濕度等氣象數據。

所有這些方法的共通之處在于機艙與葉片的氣流狀態不同，由于葉片所處位置較高，葉片上氣流較快（頂部速度快）。

2.2葉片上結冰檢測系統

通過測量葉片上或在葉片內測量結冰情況來確定，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，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冰，并測量其溫度，同時將測量值無線傳輸至系統控制站。由于該測量傳感器安裝在葉片上，且不受風機運行狀態影響，因此也可用于除冰后的無冰檢測。此方法可自動重啟風力發電機。

（2）間接在葉片內部測量

葉片結冰也會改變葉片的固有頻率。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部，通過風機運轉采集風機參數。

3結冰檢測物有所值

結冰現象可導致AEP（年發電量）損失數個百分點。根據發電廠和風場位置，每個發電廠每年損失可累積至數萬歐元。相較于基于機艙的結冰檢測系統，使用葉片表面結冰檢測系統的風機發電量有所提高。

圖1比較了基于機艙（左）與直接安裝在葉片表面（右）的結冰檢測系統測量的結冰停機時間，后者的測量結果促使每個冬季的發電時間可增加180小時。

圖1機艙（左）與安裝在葉片表面（右）的結冰檢測系統的結冰停機時間比較

在葉片表面直接使用結冰檢測系統時，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，假設風力發電機的額定輸出為3MW，每年的滿負荷運行時為4000小時，每千瓦時電費為8歐分，則每年可節省48000歐元。除顯著提高發電量外，該結冰檢測系統還有以下優勢：

·免維護；

·系統經認證；

·技術解決方案的可靠性和質量；

·無需在葉片內部布線；

·能量自給型測量裝置，無需風機數據；

·即使系統處于靜止狀態，也可進行測量；

·精準的結冰檢測；

·方案靈活，采用模塊化設計。

4菲尼克斯電氣智慧葉片監測系統

隨著運營成本的日益提升，用戶也在尋求新的技術增加經濟效益。國內某重點龍頭企業在新疆吉木乃地區的在役機組，受機組年齡和惡劣環境的影響，需要對老化、受損的葉片和覆冰嚴重的風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提供了葉片監測系統解決方案，可以采集機組相關數據，通過葉片上的結冰傳感器，根據阻抗的變化可檢測出是否結冰，并測量其溫度，同時將測量值無線傳輸至系統控制站。

吉木乃現場機組通過結冰傳感器現場檢測情況，可以對葉片表面結冰狀態以及溫度做到實時監控，圖2為實時采集圖。

圖2實時采集圖

菲尼克斯電氣結冰監測系統確保風力發電機組的可靠運行。得益于可區分結冰和污物，結冰監測的可靠性大大增強，結冰的厚度也可以用同一傳感器中并行的溫度測量來核實，結冰可以被明顯更早地發現。可靠的評估算法，將決定是繼續運行還是停機；當具備合適數量的傳感器時，系統將具備自動重啟功能。傳感器信號通過無線傳輸到結冰監測控制柜。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，葉片加熱系統可以直接對葉片結冰的變化情況做出反應。

由于該測量傳感器安裝在葉片上，且不受風機運行狀態影響，因此也可用于除冰后的無冰檢測。此方法可自動重啟風力發電機。同時內置太陽能電池和備用電池及無線數據傳輸，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控系統為風力發電機組創造更安全的運行條件，可助力風電用戶延長機組使用壽命，獲得更好的經濟收益，笑看風云變化。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊