风电机组叶片覆冰安全运行边界条件研究

杨亚炬

摘 要：根据风机覆冰运行时段输出功率及振动参数的数据库数据，运用时间序列的方法分析数据，得到风机因覆冰运行振动参数加剧边界条件下风机风能利用率参数，反求出对应情况风机可运行风速下的输出功率，通过监控实时输出的功率参数，为判断风机是否停机提供直观参考和依据，保证了风电机组覆冰期间安全。

关键词：叶片覆冰;风能利用系数;气动性能

中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：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

河南省的风能资源丰富，技术可开发的风能资源多数分布在山区，少量分布在丘陵、高地。并网风电装机容量共计550万kW，风机覆冰天气持续时长较短，几乎所有风机均未采用叶片除冰措施，在冬季低温时段无法应对风机叶片覆冰的恶劣情况，一定情况下，风机叶片振动加剧，极易引起覆冰运行超载荷（三叶片载荷不均）、冰块掉落高空坠物、风机叶片断裂、机组倒塔等事故，故通过时间序列的方法分析机叶片覆冰运行期间功率输出情况和同时段叶片振动情况，反求出风机叶片振动加剧边界条件下风机输出功率情况，直观准确地判断出覆冰安全运行的边界条件，实现机组安全运行和最大限度争取发电量份额目标。

1 风机叶片覆冰过程及现象分析

风机叶片的覆冰过程如图1所示，覆冰主要位于叶片前缘和迎风面，前缘覆冰呈角状凸起，气动性能迅速恶化，叶片重量不断加大，风机覆冰条件下引起风机被动停机、叶片振动加剧、系统性失效、本体断裂等一系列问题，顺利通过融冰期后风机可正常恢复运行。

提取风机覆冰运行期间的10min运行日志，准确判断出确保机组在安全边界条件内运行发电，尽可能提高覆冰气候条件下机组运行的发电量。叶片结冰后，改变叶片的空气动力学轮廓，减小风能利用系数，从而调整风机的输出功率，减少机组发电量。从所有风机中选择X号、XX号等风机提取风机叶片覆冰运行期间的10min状态日志数据，提取有功均值、有功最小值、有功最大值、风速均值、空气温度，提取主轴1最大转速、主轴2最大转速、振动1A最大值、振动2B最大值、振动SSD最大值等参数，取得风机覆冰运行期间的运行参数，从而建立基于时间序列法的数据库。

2 机组覆冰运行的影响分析

风机叶片的覆冰边界条件包括覆冰时的风速、湿度、环境温度、风机叶片转速、出力和振动等数据。在恶劣的覆冰气候条件下，保证机组安全，在此基础上发更多的电。叶片结冰后，改变叶片的空气动力学轮廓，减小风能利用系数，从而调整风机的输出功率，减少机组发电量[1];风机叶片表面积大表面覆冰重量不断影响叶片寿命，增加维护成本，叶片表面大量覆冰会引起风机的附加载荷和额外的机组振动（三叶片动力学不平衡），以至于系统性失效;风机塔筒高度90m，加上叶片高度，高度最高达146m，存在安全隐患。随着温度回升，叶片上的覆冰在叶片旋转产生的机械力和自身重力的双重作用下被甩出去，掉落碎冰很可能危害附近箱变、行人和车辆等安全，因此，確认风机叶片覆冰达到安全运行边界条件后，需立即对风机手动停机。在覆冰条件下风机出力下降的原因主要有以下几点：①叶片覆冰改变叶片翼型，使风机叶片阻力增加、风能捕获能力降低;②随着叶片覆冰不断附着，质量逐渐增加，逐渐吸收叶片所捕获的风能，造成风机对应风速下出力逐渐下降。

3 机组覆冰停机边界条件计算

风电机组风速与功率的对应关系：

（1）

式中，[P]为输入风机的能量;[ρ=1.29kg/m3]为空气密度;[A]为风机叶片的扫掠面积，A = πr2 半径[r=60.5m];[V]为风速;[Cp]为风能转化率（贝兹极限，[Cp]值最高59%）;[η]为机械能到电能的传递效率（发电机组传递效率为0.90～0.95）[2]。

提取X、XX号等风机覆冰运行时段的10min运行日志，计算风机每10min的风能利用率，以时间轴为横轴、以对应时间段内风机振动数值为纵轴，如图2所示。2019年2月14日00：00以后风机振动加剧，以时间轴为横轴、以对应时间段内风能利用率参数为纵轴，如图3所示。风能利用率参数2019年2月13日21：30左右持续下降，2019年2月14日00：00下降至20%左右，故及时判断出叶片覆冰，及时将风机停机，从而判断出风机叶片覆冰情况严重，综合判断及时对问题风机进行了停机处理[3]。上述计算数据均为10min平均值，故有部分风能利用率[Cp]值较高，但不影响趋势判断。风能利用系数波动情况分析如表1所示。

风机在运行的过程中，[T1]周期到[T2]周期：平均风速由[V1]变至[V2];风机轮毂转速由[n1]变至[n2];轮毂动能由[E1]变至[E2]，部分轮毂动能[ΔE]传递至发电机，此时，对应风速[V2]下，发电机的实际平均输出功率[P=P2+ΔP]，风能利用率系数[C=CP+ΔC]（风机风能利用率系数[CP]，在不改变翼型情况下实际并未发生改变，此处仅为数据推算值;风的阻力与相对速度V的2次方成正比，故风机轮毂转速由[V1]变至[V2]，轮毂所受阻力也相应发生改变，本文暂不考虑轮毂阻力变化情况）[4]。

因此可知，风速由[V1]变至[V2]的情况下，对应风速下发电机的实际输出功率与设计功率的变化量[ΔP]和数据推算风能利用率系数变化量[ΔC]计算如下：

（2）

（3）

覆冰情况下风机长时间运行，风机风轮质量持续增加，造成风轮转动惯量不断加大，因此，在风速不断变化的情况下，由10min平均风速数值推算的风能利用率参数波动较大[5]。故风机覆冰运行的停机边界条件为：①风机叶片覆冰运行情况下，风能利用率降至18%以下;②因风机叶片覆冰，造成风机振动情况加剧，振动SSD最大值冰达0.6m2/s，振动1A最大值达0.3m2/s，振动2B最大值达0.3m2/s。

4 风电运行人员对覆冰机组的处理方案

针对湿冷天气预测的天气情况，严密监视风机室外环境温度，通过SCADA监视风机风速、功率和振动数据，时刻监视是否达到风机叶片的覆冰运行的边界条件。达到表2对应风速下输出功率及振动情况时，及时停运覆冰风机，待风机覆冰融化后再启动[6]。

重点检查风机叶片、箱变箱体外壳的实际覆冰情况。检查风电机组及箱变的覆冰情况时，覆冰随着温度升高，冰块会随时脱落，运行及维护人员应做好安全防范措施。针对邻路风机分布情况，实时观察风功率预测系统，风向为东、西风时叶片覆冰更容易甩到道路上，安全危害更大。所以、当风向为东、西风时，风机叶片有覆冰情况，禁止盲目启动风机[7，8]。

晚上风速低时，手动停止风机，防止叶片有覆冰情况，发生甩飞伤人事故;白天观察视频监控系统，查看路面无行人并且风速大于4m/s，持续5min后再决定是否启动风机。重启覆冰条件下风机，根据风速检查风机运转是否正常，如发现异常情况将风机立即停机。

5 结论

风电运行人员可以通过监控风机SCADA系统，通过输出功率以及振动参数边界数值直观发现覆冰运行的机组时立即停机，既保证了机组的安全，又争取了最大的发电量，为河南区域普遍存在的无除冰措施的风机提供了高安全度、争取发电量的可行措施。不同的机型所对应的功率及振动参数必然不同，可采用本研究方法计算分析。

参考文献：

[1]任晓凯.小型风力发电机组叶片覆冰的气动力学特性研究[D].重慶：重庆大学，2016.

[2]吴晓东.风力发电机覆冰条件下的功率特性研究[D].重庆：重庆大学，2017.

[3]王鹏.基于超声波方法的风机叶片覆冰检测[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[4]卢方.风机叶片覆冰检测与防冰除冰试验研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[5]黄治娟，胡志光，张秀丽.风机叶片防覆冰技术研究[J].华北电力技术，2014（6）：201-206.

[6]杨爽.风力发电机叶片覆冰的仿真分析及试验验证[D].重庆：重庆大学，2015.

[7]熊雪露.风机叶片启动特性的数值研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[8]舒立春，邱刚，胡琴.风力发电机叶片临界除冰功率的数值计算模型及自然环境实验研究[J].中国电机工程学报，2018（13）：141-148.