風(fēng)電機(jī)組各種融冰裝置的優(yōu)缺點(diǎn)分析

華能湖南清潔能源分公司安生部 劉沼武

1 風(fēng)電機(jī)組覆冰成因

風(fēng)電機(jī)組一般建設(shè)在比較空曠的地方，當(dāng)大氣中的冷暖空氣相遇時(shí)容易形成逆溫現(xiàn)象，且云朵中的冰晶在下降過(guò)程中，遇到暖氣流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∷危?dāng)水滴接觸到溫度小于0℃的風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)，會(huì)迅速凍結(jié)成冰，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉片產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象。

2 風(fēng)電機(jī)組覆冰造成的影響

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油等不可再生資源的儲(chǔ)備量逐漸減少，且這些傳統(tǒng)能源使用過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環(huán)保的新能源越來(lái)越多地被采納應(yīng)用，在能源市場(chǎng)的占比也越來(lái)越大。在琳瑯滿目的新能源市場(chǎng)中，風(fēng)能作為一種取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的清潔資源，一直受到來(lái)自電力單位的關(guān)注，風(fēng)電機(jī)組的建設(shè)規(guī)模也逐漸增大。但覆冰是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的一大難題，風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰會(huì)造成電量損失、性能劣化、機(jī)械失效、氣動(dòng)噪聲增大、降低使用壽命、甩冰導(dǎo)致人物傷害等安全風(fēng)險(xiǎn)。覆冰不僅影響風(fēng)機(jī)設(shè)備出力和自身安全，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)，影響所接入地區(qū)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、調(diào)頻調(diào)壓和安全穩(wěn)定運(yùn)行。為減少風(fēng)機(jī)葉片覆冰導(dǎo)致的發(fā)電量損失，研究風(fēng)電機(jī)組各種融冰裝置刻不容緩[1]。

3 風(fēng)電機(jī)組各種融冰裝置分析

目前市場(chǎng)上的風(fēng)電機(jī)組除冰裝置主要有電加熱除冰裝置、熱鼓風(fēng)除冰裝置及微波除冰裝置等。

3.1 電加熱除冰裝置

電加熱除冰裝置基本原理是通過(guò)在葉片表面鋪貼加熱材料，在加熱材料兩端加上電源，通電加熱使得熱量傳到葉片外表面，從而達(dá)到除冰和防冰目的，電加熱除冰裝置原理如圖1所示。

圖1 電加熱除冰裝置原理

電加熱除冰裝置通過(guò)仿真，在-15℃環(huán)境，靠近葉根側(cè)，不同熱流密度下，達(dá)到0℃以上，除冰時(shí)間在120～530s。隨葉片表面熱流密度的增大，葉片表面的溫度也會(huì)隨之升高，但是葉片溫度過(guò)高（50℃）會(huì)影響葉片的剛度及材料性能，存在葉片損傷的風(fēng)險(xiǎn)。本裝置按照-10℃設(shè)計(jì)，實(shí)際極低環(huán)境溫度為-5.7℃。選取合適的熱流密度，確保加熱溫度保持在1～4℃即可實(shí)現(xiàn)除冰[2]。

3.1.1 電加熱除冰裝置系統(tǒng)構(gòu)造

電加熱除冰裝置的動(dòng)力電源為三相四線制。主電源從變流器引出，經(jīng)過(guò)塔基輔助變壓柜再通過(guò)電纜送到機(jī)艙電源轉(zhuǎn)接柜，再經(jīng)過(guò)滑環(huán)將進(jìn)入輪轂中的除冰控制柜。系統(tǒng)電源分配以及分系統(tǒng)、各部件連接構(gòu)造如圖2所示。機(jī)艙轉(zhuǎn)接柜將送入機(jī)艙的電源進(jìn)行分配，控制加熱器起停、電源防雷、過(guò)流保護(hù)，手動(dòng)維護(hù)和電量測(cè)量等功能；滑環(huán)將電源引入輪轂內(nèi)，并連接各方通信；輪轂轉(zhuǎn)接柜將電源進(jìn)一步分配，葉根轉(zhuǎn)接柜實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、浪涌保護(hù)等。

圖2 電加熱除冰裝置系統(tǒng)構(gòu)造

3.1.2 電加熱除冰裝置控制邏輯

本裝置采用如下兩種方式綜合實(shí)現(xiàn)結(jié)冰判斷：一是加裝的溫濕度傳感器，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)置判斷值，二是機(jī)組的功率因數(shù)不匹配（結(jié)冰報(bào)警）信號(hào)。如果實(shí)施機(jī)組數(shù)量多可以根據(jù)機(jī)組布置特定劃定區(qū)域后安裝覆冰監(jiān)測(cè)裝置。

啟?？刂?。正常情況下裝置啟動(dòng)后即激活了除冰判斷邏輯和加熱啟動(dòng)邏輯，在裝置自檢無(wú)錯(cuò)誤后自動(dòng)進(jìn)入結(jié)冰判斷邏輯。裝置停機(jī)有較高優(yōu)先級(jí)，停機(jī)指令可以中斷結(jié)冰判斷、系統(tǒng)待機(jī)和加熱運(yùn)行程序，使系統(tǒng)退出運(yùn)行狀態(tài)。

為提高除冰系統(tǒng)效率，裝置自檢后可以進(jìn)入防冰模式，即將風(fēng)場(chǎng)機(jī)組按照地理環(huán)境、溫濕度對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，結(jié)冰判斷應(yīng)以同區(qū)域同等級(jí)的機(jī)組信號(hào)為依據(jù)而非單一機(jī)組本身信號(hào)為依據(jù)，這樣機(jī)組可以在剛結(jié)冰或者即將結(jié)冰之前就可以激活除冰系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)防結(jié)冰的效果[3]。在某些條件下，電加熱除冰裝置需要提前開(kāi)啟，或者強(qiáng)制運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置成手動(dòng)模式并設(shè)置手動(dòng)運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)所有的保護(hù)邏輯與其他模式一致。

加熱控制。電加熱除冰裝置進(jìn)入除冰狀態(tài)使加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，裝置各葉片的加熱系統(tǒng)將按照主控設(shè)計(jì)的加熱控制參數(shù)運(yùn)行。主控加熱控制參數(shù)分為操作控制參數(shù)和溫度控制、時(shí)間參數(shù)。個(gè)別參數(shù)會(huì)根據(jù)葉型、風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境、風(fēng)速、濕度、海拔等因素的不同而不同。

3.2 熱鼓風(fēng)除冰裝置

熱鼓風(fēng)除冰裝置如圖3所示，主要包含塔基配電柜、除冰主控柜、除冰葉根柜、加熱器、鼓風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備，以及加熱系統(tǒng)支架、風(fēng)管轉(zhuǎn)接管、金屬波紋管、通風(fēng)管道、擋風(fēng)板、溫度傳感器等輔助裝置。輪轂中有一個(gè)除冰主柜和三臺(tái)葉根控制柜，分線至三個(gè)葉根柜中。根柜接收主控的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器和鼓風(fēng)機(jī)的控制，同時(shí)對(duì)加熱器出風(fēng)口溫度進(jìn)行采集。通信走CAN總線，三個(gè)葉根柜的CAN總線在輪轂匯合后，經(jīng)過(guò)滑環(huán)通往機(jī)艙，通向塔基則采用光纖進(jìn)行通信?？刂破鞲鶕?jù)系統(tǒng)設(shè)定溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)加熱器功率，在不同的環(huán)境溫濕度指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片溫度的精確控制，在系統(tǒng)運(yùn)行與防冰控制時(shí)，可盡可能地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖3 熱鼓風(fēng)除冰裝置總結(jié)構(gòu)

3.2.1 熱鼓風(fēng)除冰裝置工作原理

本裝置基于熱風(fēng)除冰的方法實(shí)現(xiàn)，除冰控制系統(tǒng)與主控系統(tǒng)之間通過(guò)CANOpen通信建立連接。主控系統(tǒng)通過(guò)采集外界溫濕度數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)冰凍狀況，若出現(xiàn)冰凍，主控系統(tǒng)向除冰控制系統(tǒng)發(fā)出加熱指令，除冰控制系統(tǒng)對(duì)葉片進(jìn)行加熱除冰。同時(shí)除冰控制系統(tǒng)向主控返回系統(tǒng)狀態(tài)[4]。若冰凍解除，或者除冰控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，主控系統(tǒng)向其發(fā)送停止命令。熱鼓風(fēng)除冰裝置工作原理框架如圖4所示。

圖4 熱鼓風(fēng)除冰裝置工作原理框架

該除冰裝置單獨(dú)于主控系統(tǒng)運(yùn)行，除冰裝置本身具有控制邏輯和保護(hù)邏輯。若除冰裝置在運(yùn)行期間發(fā)生故障，則主控系統(tǒng)須顯示故障告警，機(jī)組不停機(jī)，繼續(xù)運(yùn)行。待人員修復(fù)后，告警消除，除冰裝置正常運(yùn)行。

3.2.2 除冰控制系統(tǒng)控制邏輯

在未收到主控系統(tǒng)的啟動(dòng)命令時(shí)，除冰控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)收到主控系統(tǒng)的啟動(dòng)命令，啟動(dòng)加熱控制流程。其啟動(dòng)過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟。

一是啟動(dòng)時(shí)自檢。檢查各個(gè)葉根柜的防雷保護(hù)輸入、加熱斷路器反饋輸入、PT100 信號(hào)。若系統(tǒng)正常，則繼續(xù)加熱流程，若系統(tǒng)不正常，則進(jìn)入故障狀態(tài)，并向主控發(fā)送相應(yīng)的故障代碼。

二是啟動(dòng)各個(gè)槳葉的加熱系統(tǒng)。啟動(dòng)順序?yàn)闃~1鼓風(fēng)機(jī)→槳葉2鼓風(fēng)機(jī)→槳葉3鼓風(fēng)機(jī)→槳葉1加熱器→槳葉2加熱器→槳葉3加熱器。各執(zhí)行器啟動(dòng)之間存在時(shí)間間隔（鼓風(fēng)機(jī)及加熱器啟動(dòng)間隔1s，槳葉3鼓風(fēng)機(jī)→槳葉1加熱器間隔60s）。

該熱鼓風(fēng)融冰裝置優(yōu)點(diǎn)包括：裝置基于氣象條件監(jiān)測(cè)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與氣熱防除冰系統(tǒng)相結(jié)合，為防除冰系統(tǒng)的啟停提供邏輯判斷依據(jù)；裝置具有除冰能力。系統(tǒng)判斷葉片處于結(jié)冰狀態(tài)并有必要除冰時(shí)，立即以最大加熱效率進(jìn)行；裝置具有高效節(jié)能控制能力。根據(jù)覆冰與溫度監(jiān)測(cè)，基于主控智能化調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行策略，達(dá)到葉片各部加熱均衡、有效降低系統(tǒng)自耗電、提高增發(fā)電量的目的。

該裝置相對(duì)于電加熱除冰裝置而言，屬于間接加熱方式，故當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的導(dǎo)熱能力不強(qiáng)時(shí)，加熱效率會(huì)比較低，尤其是在氣溫最低，覆冰最嚴(yán)重時(shí)，機(jī)組葉片前端邊緣位置破冰效果不太理想。且該裝置需要在葉片內(nèi)部安裝鼓風(fēng)機(jī)及加熱器并架設(shè)熱風(fēng)循環(huán)管道，打孔及葉片內(nèi)附設(shè)玻璃布、粘膠、需要精細(xì)加工及膠水凝固。工藝流程復(fù)雜，施工工期時(shí)間比較長(zhǎng)，投資成本高。

3.3 微波除冰裝置

微波除冰裝置的工作原理與電加熱除冰裝置雷同，首先，在風(fēng)電機(jī)組葉片內(nèi)部空間加裝微波裝置發(fā)散傳輸微波，然后在機(jī)組葉片的表面涂刷能夠吸收微波的材料，機(jī)組葉片表面吸收到微波后，溫度升高，從而消除葉片覆冰[5]。

但微波除冰裝置也存在一定的缺點(diǎn)，倘若想要達(dá)到良好的融冰效果，就需要在機(jī)組葉片內(nèi)部加裝較多的微波裝置，不僅加大了施工工作量，還會(huì)增加設(shè)備檢修維護(hù)成本，且倘若加裝的微波裝置數(shù)量未達(dá)到相關(guān)要求，很難保障風(fēng)電機(jī)組葉片的除冰效果，嚴(yán)重時(shí)可能使機(jī)組葉片受到損傷，影響整個(gè)機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。此外，微波除冰裝置發(fā)射的微波輻射較大，對(duì)工作人員的身體會(huì)造成一定程度的危害。

結(jié)合析目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組各種葉片除冰技術(shù)發(fā)展情況，在風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部安裝熱風(fēng)加熱技術(shù)使用較為廣泛，該技術(shù)具有高效節(jié)能控制能力。能根據(jù)覆冰與溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行策略，達(dá)到葉片各部加熱均衡、有效降低系統(tǒng)自耗電、提高增發(fā)電量的目的。但加熱除冰時(shí)需要浪費(fèi)大量電量。提升熱風(fēng)加熱效率、減小除冰能耗有三種途徑。

一是風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰停止運(yùn)行后應(yīng)加熱除冰，避免使用維持葉片本身高溫的方法實(shí)施防冰；二是采用高精度覆冰檢測(cè)技術(shù)，以便精準(zhǔn)控制除冰加熱系統(tǒng)的開(kāi)啟及停止；三是在風(fēng)電機(jī)組葉片前緣涂抹超疏水材料，防止融化的冰水發(fā)生重復(fù)凝結(jié)。值得注意的是，熱風(fēng)加熱除冰裝置在高于60m以上的機(jī)組葉片進(jìn)行除冰存在功率不足的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組一般建在偏遠(yuǎn)區(qū)域，當(dāng)遭遇雨雪冰凍天氣時(shí)，極易受到覆冰災(zāi)害的影響，冬季還會(huì)面臨嚴(yán)重的冰凍災(zāi)害。本文在介紹了風(fēng)電機(jī)組覆冰成因及覆冰造成影響的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)電機(jī)組電加熱除冰裝置、熱鼓風(fēng)除冰裝置及微波除冰裝置的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，為有效提升風(fēng)電機(jī)組供電質(zhì)量奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)了電力企業(yè)健康發(fā)展。