楊亞炬

摘 要：根據(jù)風機覆冰運行時段輸出功率及振動參數(shù)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，運用時間序列的方法分析數(shù)據(jù)，得到風機因覆冰運行振動參數(shù)加劇邊界條件下風機風能利用率參數(shù)，反求出對應(yīng)情況風機可運行風速下的輸出功率，通過監(jiān)控實時輸出的功率參數(shù)，為判斷風機是否停機提供直觀參考和依據(jù)，保證了風電機組覆冰期間安全。

關(guān)鍵詞：葉片覆冰;風能利用系數(shù);氣動性能

中圖分類號：TM315文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0059-03

Absrtact： According to the database data of the output power and vibration parameters of the fan during the ice-covered operation period， the time series method is used to analyze the data. The parameters of wind energy utilization rate of the fan under the boundary condition that the vibration parameters of the fan are aggravated by the ice-covered operation are obtained， and the output power of the fan under the corresponding operating wind speed is calculated. The output power parameters can provide direct reference and basis for judging whether the fan is shut down or not， which ensures the safety of the wind turbine during icing.

Keywords： blade icing;wind energy utilization coefficient;aerodynamic performance

河南省的風能資源豐富，技術(shù)可開發(fā)的風能資源多數(shù)分布在山區(qū)，少量分布在丘陵、高地。并網(wǎng)風電裝機容量共計550萬kW，風機覆冰天氣持續(xù)時長較短，幾乎所有風機均未采用葉片除冰措施，在冬季低溫時段無法應(yīng)對風機葉片覆冰的惡劣情況，一定情況下，風機葉片振動加劇，極易引起覆冰運行超載荷（三葉片載荷不均）、冰塊掉落高空墜物、風機葉片斷裂、機組倒塔等事故，故通過時間序列的方法分析機葉片覆冰運行期間功率輸出情況和同時段葉片振動情況，反求出風機葉片振動加劇邊界條件下風機輸出功率情況，直觀準確地判斷出覆冰安全運行的邊界條件，實現(xiàn)機組安全運行和最大限度爭取發(fā)電量份額目標。

1 風機葉片覆冰過程及現(xiàn)象分析

風機葉片的覆冰過程如圖1所示，覆冰主要位于葉片前緣和迎風面，前緣覆冰呈角狀凸起，氣動性能迅速惡化，葉片重量不斷加大，風機覆冰條件下引起風機被動停機、葉片振動加劇、系統(tǒng)性失效、本體斷裂等一系列問題，順利通過融冰期后風機可正?；謴瓦\行。

提取風機覆冰運行期間的10min運行日志，準確判斷出確保機組在安全邊界條件內(nèi)運行發(fā)電，盡可能提高覆冰氣候條件下機組運行的發(fā)電量。葉片結(jié)冰后，改變?nèi)~片的空氣動力學輪廓，減小風能利用系數(shù)，從而調(diào)整風機的輸出功率，減少機組發(fā)電量。從所有風機中選擇X號、XX號等風機提取風機葉片覆冰運行期間的10min狀態(tài)日志數(shù)據(jù)，提取有功均值、有功最小值、有功最大值、風速均值、空氣溫度，提取主軸1最大轉(zhuǎn)速、主軸2最大轉(zhuǎn)速、振動1A最大值、振動2B最大值、振動SSD最大值等參數(shù)，取得風機覆冰運行期間的運行參數(shù)，從而建立基于時間序列法的數(shù)據(jù)庫。

2 機組覆冰運行的影響分析

風機葉片的覆冰邊界條件包括覆冰時的風速、濕度、環(huán)境溫度、風機葉片轉(zhuǎn)速、出力和振動等數(shù)據(jù)。在惡劣的覆冰氣候條件下，保證機組安全，在此基礎(chǔ)上發(fā)更多的電。葉片結(jié)冰后，改變?nèi)~片的空氣動力學輪廓，減小風能利用系數(shù)，從而調(diào)整風機的輸出功率，減少機組發(fā)電量[1];風機葉片表面積大表面覆冰重量不斷影響葉片壽命，增加維護成本，葉片表面大量覆冰會引起風機的附加載荷和額外的機組振動（三葉片動力學不平衡），以至于系統(tǒng)性失效;風機塔筒高度90m，加上葉片高度，高度最高達146m，存在安全隱患。隨著溫度回升，葉片上的覆冰在葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械力和自身重力的雙重作用下被甩出去，掉落碎冰很可能危害附近箱變、行人和車輛等安全，因此，確認風機葉片覆冰達到安全運行邊界條件后，需立即對風機手動停機。在覆冰條件下風機出力下降的原因主要有以下幾點：①葉片覆冰改變?nèi)~片翼型，使風機葉片阻力增加、風能捕獲能力降低;②隨著葉片覆冰不斷附著，質(zhì)量逐漸增加，逐漸吸收葉片所捕獲的風能，造成風機對應(yīng)風速下出力逐漸下降。

3 機組覆冰停機邊界條件計算

風電機組風速與功率的對應(yīng)關(guān)系：

（1）

式中，[P]為輸入風機的能量;[ρ=1.29kg/m3]為空氣密度;[A]為風機葉片的掃掠面積，A = πr2 半徑[r=60.5m];[V]為風速;[Cp]為風能轉(zhuǎn)化率（貝茲極限，[Cp]值最高59%）;[η]為機械能到電能的傳遞效率（發(fā)電機組傳遞效率為0.90～0.95）[2]。

提取X、XX號等風機覆冰運行時段的10min運行日志，計算風機每10min的風能利用率，以時間軸為橫軸、以對應(yīng)時間段內(nèi)風機振動數(shù)值為縱軸，如圖2所示。2019年2月14日00：00以后風機振動加劇，以時間軸為橫軸、以對應(yīng)時間段內(nèi)風能利用率參數(shù)為縱軸，如圖3所示。風能利用率參數(shù)2019年2月13日21：30左右持續(xù)下降，2019年2月14日00：00下降至20%左右，故及時判斷出葉片覆冰，及時將風機停機，從而判斷出風機葉片覆冰情況嚴重，綜合判斷及時對問題風機進行了停機處理[3]。上述計算數(shù)據(jù)均為10min平均值，故有部分風能利用率[Cp]值較高，但不影響趨勢判斷。風能利用系數(shù)波動情況分析如表1所示。

風機在運行的過程中，[T1]周期到[T2]周期：平均風速由[V1]變至[V2];風機輪轂轉(zhuǎn)速由[n1]變至[n2];輪轂動能由[E1]變至[E2]，部分輪轂動能[ΔE]傳遞至發(fā)電機，此時，對應(yīng)風速[V2]下，發(fā)電機的實際平均輸出功率[P=P2+ΔP]，風能利用率系數(shù)[C=CP+ΔC]（風機風能利用率系數(shù)[CP]，在不改變翼型情況下實際并未發(fā)生改變，此處僅為數(shù)據(jù)推算值;風的阻力與相對速度V的2次方成正比，故風機輪轂轉(zhuǎn)速由[V1]變至[V2]，輪轂所受阻力也相應(yīng)發(fā)生改變，本文暫不考慮輪轂阻力變化情況）[4]。

因此可知，風速由[V1]變至[V2]的情況下，對應(yīng)風速下發(fā)電機的實際輸出功率與設(shè)計功率的變化量[ΔP]和數(shù)據(jù)推算風能利用率系數(shù)變化量[ΔC]計算如下：

（2）

（3）

覆冰情況下風機長時間運行，風機風輪質(zhì)量持續(xù)增加，造成風輪轉(zhuǎn)動慣量不斷加大，因此，在風速不斷變化的情況下，由10min平均風速數(shù)值推算的風能利用率參數(shù)波動較大[5]。故風機覆冰運行的停機邊界條件為：①風機葉片覆冰運行情況下，風能利用率降至18%以下;②因風機葉片覆冰，造成風機振動情況加劇，振動SSD最大值冰達0.6m2/s，振動1A最大值達0.3m2/s，振動2B最大值達0.3m2/s。

4 風電運行人員對覆冰機組的處理方案

針對濕冷天氣預(yù)測的天氣情況，嚴密監(jiān)視風機室外環(huán)境溫度，通過SCADA監(jiān)視風機風速、功率和振動數(shù)據(jù)，時刻監(jiān)視是否達到風機葉片的覆冰運行的邊界條件。達到表2對應(yīng)風速下輸出功率及振動情況時，及時停運覆冰風機，待風機覆冰融化后再啟動[6]。

重點檢查風機葉片、箱變箱體外殼的實際覆冰情況。檢查風電機組及箱變的覆冰情況時，覆冰隨著溫度升高，冰塊會隨時脫落，運行及維護人員應(yīng)做好安全防范措施。針對鄰路風機分布情況，實時觀察風功率預(yù)測系統(tǒng)，風向為東、西風時葉片覆冰更容易甩到道路上，安全危害更大。所以、當風向為東、西風時，風機葉片有覆冰情況，禁止盲目啟動風機[7，8]。

晚上風速低時，手動停止風機，防止葉片有覆冰情況，發(fā)生甩飛傷人事故;白天觀察視頻監(jiān)控系統(tǒng)，查看路面無行人并且風速大于4m/s，持續(xù)5min后再決定是否啟動風機。重啟覆冰條件下風機，根據(jù)風速檢查風機運轉(zhuǎn)是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常情況將風機立即停機。

5 結(jié)論

風電運行人員可以通過監(jiān)控風機SCADA系統(tǒng)，通過輸出功率以及振動參數(shù)邊界數(shù)值直觀發(fā)現(xiàn)覆冰運行的機組時立即停機，既保證了機組的安全，又爭取了最大的發(fā)電量，為河南區(qū)域普遍存在的無除冰措施的風機提供了高安全度、爭取發(fā)電量的可行措施。不同的機型所對應(yīng)的功率及振動參數(shù)必然不同，可采用本研究方法計算分析。

參考文獻：

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[4]盧方.風機葉片覆冰檢測與防冰除冰試驗研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[5]黃治娟，胡志光，張秀麗.風機葉片防覆冰技術(shù)研究[J].華北電力技術(shù)，2014（6）：201-206.

[6]楊爽.風力發(fā)電機葉片覆冰的仿真分析及試驗驗證[D].重慶：重慶大學，2015.

[7]熊雪露.風機葉片啟動特性的數(shù)值研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[8]舒立春，邱剛，胡琴.風力發(fā)電機葉片臨界除冰功率的數(shù)值計算模型及自然環(huán)境實驗研究[J].中國電機工程學報，2018（13）：141-148.