张军伟 张杨
四川省能投美姑新能源开发有限公司，四川省成都市，611130
摘要：风电作为最有潜力的电源形式之一，具有天然绿色的属性，不会产生任何碳排放。如果用风电替代，则可极大减少碳排放，助力“碳中和”目标实现。在高湿度、高风速、高海拔、低温度的“三高一低”地区的风机叶片极为容易结冰，叶片结冰使得其叶片气动性能受损，降低机组发电效率，导致组件加速疲劳，降低使用寿命，严重时会导致风机被迫停机，叶片断裂，甚至危害人身安全。针对风机叶片结冰问题，为减少叶片结冰的损失以及提升叶片除冰的效率。本文重点阐述在“三高一低”地区风机叶片表面结冰的原因、叶片结冰的危害、叶片除冰系统的控制方法及叶片除冰效果评估方法，着力解决叶片除冰难题。
关键词：风力发电；叶片结冰；除冰系统；
一、 前言
中国电力总装机为21亿千瓦，其中火电占比为68.8%，占据绝对主导地位。而风电装机2.1亿千瓦，占比10%。如果风电发电量占比从实际的5%提升至10%的话，每年将进一步减少碳排放3.94亿吨。如果清洁绿色的风电替代火电的话，“碳中和”的贡献空间和潜力也将十分巨大。我国风力发电机组一般安装在高山及边远地区，气象环境极为复杂，风电叶片表面经常会出现结冰现象，导致叶片的性能以及风力发电机组功率输出无法达到设计要求。结冰问题已经成为影响风力发电机安全稳定运行的严重隐患之一。研究风电场叶片结冰的原因，采取与风电场实际环境相符的除冰方案，对除冰效果进行科学的评估，提升除冰系统工作效率是非常必要的。
二、叶片结冰的原因及危害
四川省美姑县井叶特西风电场项目属于高山型风电场，具有显著的“三高一低”特点：即一是海拔高，风场平均海拔3200-3900之间；二是风速高，多年平均风速8m/s，最高瞬时风速达30m/s；三是湿度高，年均相对湿度70%以上，风电场常年“泡”在雨雾中；四是温度低，多年年平均气温8.7℃，最低气温达零下22.1℃。自2020年底投运后，经历了多次严重的叶片结冰停机事件，“三高一低”的气候特点正是叶片结冰严重罪魁祸首，其表现在持续高湿度的情况下，当气温低至 0℃左右时，风机叶片表面会出现雨、雾凇。如气温继续下降并持续，出现雨雪天气，冻雨和雪在风机叶片原已有黏结强度很高的雨、雾上面迅速增长形成较厚冰层。随着结冻天气的持续，叶片结冰层越裹越厚。当前风电叶片涂层体系大多数为聚氨醋树脂体系，因此风电叶片在低温、高湿的环境中运行或静止时，叶片表面不可避免的会出现覆冰现象。
低温条件下，风电叶片表面覆冰已成为长期困扰风力发电机冬季正常运转的主要因素。首先，严重覆冰会导致风力发电机停机，降低发电机组的发电量，造成大量的能量损失。第二，叶片覆冰会导致风电叶片空气动力学的破坏， 导致叶片受风能力降低。第三，覆冰导致风力发电机使用寿命的降低。叶片表面额外冰层会增加叶片的载荷，并且冰层的不均匀分布会造成叶片受力的不均匀；此外覆冰还会造成叶片前缘震动频率的增加，震动频率的改变会导致共振现象的发生，覆冰状态下，叶片非平衡态运作会增加叶片整机各部件的额外载荷；疲劳载荷依然会对发电机组的使用寿命和安全造成很大的影响。第四，覆冰会造成人身安全问题。叶片表面覆冰在离心力的作用会发生自动脱落，覆冰的脱落会造成运维车辆损坏和人员伤亡等一系列安全问题。
三、叶片除冰技术方案
目前，国内各大风机整机厂家都有各自的叶片除冰方式，总结概括起来主要有以下几种：涂刷防结冰涂料、叶片表面直接（敷设加热元件）加热除冰、叶片腔体内间接（通热风）加热除冰以及使用无人机喷射融冰剂等除冰方式。介于井叶特西风电场 “三高一低”环境特点采用的是主动式电加热除冰系统，叶片生产过程中在叶片表面层下敷设高性能安全碳纤维加热层，通过独立电源供电的加热方式实现融冰。
叶片加热系统通过变流器将机组变的690V电源接入机舱的叶片除冰系统配电箱，再通过滑环由叶片除冰控制柜单独对叶片加热单元进行供电，如图1所示。
.png)
图1叶片除冰系统控制原理图
每支叶片均设有专门的光纤测温系统，将光波温度信息接入叶片除冰控制柜内的光纤解调仪，采集到叶片结冰情况（如图2所示），再结合机舱外环境温度、湿度信息，通过风机叶片除冰系统控制策略和主控系统的程序策略，实现叶片结冰机组安全保护措施和减少叶片结的冰除冰措施。叶片结冰安全保护措施可实现风机带冰运行，在非严重结冰状态，触发轻度结冰警告后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行。在严重结冰状态，触发严重结冰报警线，机组实现保护性停机。触发停机后，机组启动叶片电加热控制，电加热系统通过在叶片层内部敷设碳纤维加热层，将叶片本体温度加热至融冰温度实现融冰。
.png)
图2叶片温度测量系统
四、叶片除冰效果的评估及除冰控制逻辑的优化
评估叶片除冰效果，首先需要获取风机运行的样本数据，根据获取的样本数据，计算所述风机在发电过程中因叶片结冰导致的结冰发电量损失；根据获取样本数据和预存的风机运行维护记录，计算所述风机在发电过程中因结冰停机导致的停机发电量损失；根据结冰发电量损失和所述停机发电量损失，计算所述风机在预设的评估时段内因叶片结冰导致的总发电量损失；根据预设的评估规则以及所述总发电量损失对需要评估的风机叶片除冰方案进行评估，得到评估结果。
井叶特西风电场经过秋季、冬季和春季三个季节的运行，对结冰期间风机运行数据进行收集、整理、分析和研究，着力对叶片除冰控制关键技术问题进行攻关，取得了初步的阶段性进展。从结冰时间及气象条件、结冰与风速的关系等因素进行了分析总结，通过数据分析初步摸索出一些规律和结论：
1、电场风机叶片结冰的气象特征：风速区间为 0.55－19.63m/s，温度区间为-4.13－4.76℃；风电场海拔较高，气压低于标准大气压，导致结点偏高，即部分风机在气温未降至 0℃就出现结冰现象。
2、风电场风机叶片结冰先后顺序与海拔高度呈现一定的相关性。高海拔地区风机结冰时间较早，低海拔地区风机结冰时间较晚。
3、风电场风机叶片结冰点与海拔高度呈正相关关系。高海拔地区风机结冰点高，低海拔地区风机结冰点低。
4、风电场风机叶片结冰与地形成相关性，海拔较低地形低洼区域易堆积云雾的区域结冰时间早结冰时间短，反之海拔较高地形较空旷的区域云雾不易聚集不易结冰。
4、风电场风机结冰时间与风速呈负相关关系。风速越大，结冰时间越短；反之，则结冰时间越长。
5、海拔较低地形低洼的区域夜间云雾集聚，长时间不易消散，叶片除冰效果最差难度最大，多数情况只能等太阳升起后除冰系统结合光照加速融冰。
6、风机叶片除冰系统控制策略为保护叶片及机组安全，不允许长时间加热，当叶片温度监测到经过长时间加热（一般不超过1小时）叶片本体温度未达到除冰温度时，控制系统会主动关断加热供电停止加热。
针对以上规律，结合项目现场实际，考虑足够安全阈值、确保机组安全的前提下，实施叶片除冰系统优化的风机运行控制策略。
1、优化风电机组对环境温度和叶片温度的采集准确度，准确的了解叶片当前的结冰状态，以便及时自动开启除冰加热使能。
2、积极关注气象信息，寒潮来临前人为干预除冰系统启动使能，提前预防叶片因短时间无法达到除冰温度而导致叶片结冰停运，增大除冰难度。
3、风电机组在夜间雨雾严重的区域，可以尝试进行加热除冰，在达不到除冰效果时可以自动关闭加热使能，节省电能损耗；当温度监测系统监测到温度有所升高时，可以再次自动开启加热使能进行除冰。
4、根据人为对不同海拔高度不同地形特点的机组结冰及融冰情况进行观察分析，个性化定制叶片除冰系统参数设置，使除冰系统达到最高效率。
结束语
风电场气候环境复杂，运维难度大，尤其在“三高一低”的地区叶片结冰问题严重影响风电机组的安全稳定性和发电效益，在很多南方高海拔高湿度的确已成为不必避免的影响风机正常运转的主要因素，目前在运行的叶片除冰技术都不够成熟都无法满足特殊环境下实现高效除冰的目的，这就需要风电场运维方和整机厂家联合起来，应用大数据分析方式不断完善除冰系统的控制策略，多方面验证除冰效果，从硬件设计和软件优化两个方面迭代升级，从而实现应对各种复杂气候环境的风场个性化除冰方案定制，以最高效的除冰方式实现风力发电机发电效益的最大化。
参考文献：
[1]王伟, 侯学杰, 管晓颖,等. 风电叶片除冰技术的研究进展[J]. 玻璃钢/复合材料, 2014, 000(001):90-93,7.
[2]陈阳, 薛浩鹏, 郝志勇. 风电叶片除冰方法理论研究[J]. 天津科技, 2015, 042(007):27,30.
[3]袁兴德, 王铁强, 葛文涛,等. 一种用于评估风机叶片除冰投资方案的方法及装置:, CN109236589A[P]. 2019.
[4]戚家浩. 风机叶片电阻加热防除冰原理与方法研究[D]. 重庆大学, 2016.
[5]卢方. 风机叶片覆冰监测与防冰除冰试验研究[D]. 湖南大学.
[6]李保平. 一种包括风机叶片除冰系统的除冰方法:, CN108799018A[P].
[7]"风力发电机组叶片电加热防/除冰控制系统技术规范".NB/T 10211-2019.0.
[8]钟瑶冰, 杨建军, 陈秋华. 风力发电机叶片,风力发电机以及叶片除冰系统:, CN103437949B[P]. 2016.
[9]史晓锋, 李铮, 蔡志权. 分布式光纤测温系统及其测温精度分析[J]. 测控技术, 2002(01):9-12.
[10]张向东, 李育林, 彭文达,等. 光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J]. 光子学报, 2003.
作者简介：张军伟、1987年、男、汉族、甘肃省通渭县、本科、助理工程师、风力发电运维。
张杨、1991年、男、汉族、四川省绵阳市三台县、本科、助理工程师、风电运维。