基于SCADA监控系统的风机叶片覆冰情况分析

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　　摘 要：我国风电场多分布于高山、丘陵地区，海拔较高，特别是在冬季容易产生叶片覆冰现象，严重影响风机的正常运行。本文以叶片覆冰为研究对象，以SCADA风电场远程监控系统为基础，通过监控信息判断叶片覆冰情况，对风机叶片覆冰的危害进行了全方位的分析，并提出具体的解决方案，从而提高风机的使用寿命，保证风电场安全稳定运行。
　　关键词：SCADA;叶片覆冰;风力发电
　　1 绪论
　　叶片是风力发电机组的重要组成部分，具有吸收风能的作用，其性能的好坏直接关系到风电机组的出力。但是在我国冬季，由于温度较低，许多地区容易产生叶片覆冰现象，对风电机组造成不利的影响，一方面增加了叶片静载荷，风电机组整体载荷平衡被改变，缩短机组使用寿命;另一方面改变叶片气动特性，导致机组出力急剧下降;同时高空覆冰容易滑落，对地面人员安全造成一定的危害。因此及时发现叶片覆冰，并做出合理应对措施，具有重要的现实意义[1]。
　　2 风电场概况
　　本次研究所选风电场为国电三门峡栗子坪风电场，该风电场位于三门峡市陕州区店子乡境内，是国家能源集团在河南省三门峡市首个获得核准并开工建设的风场。项目一期装机容量为49.5MW，安装25台UP2000-115-S双馈型风力发电机组，全场风机接入R2.2.1版本SCADA风电场远程监控系统。该风电场属于高海拔风电场，全场风机海拔均在1000m以上，冬季冰冻期较长，空气潮湿，容易产生叶片覆冰现象。
　　3 通过SCADA远程监控系统判断叶片覆冰
　　当风力发电机组在低温条件下运行时，运行人员要加强巡视，本文以SCADA远程监控系统为例，通过风速、风向、温度、功率曲线以及变桨速度等参数的变化，来判断风机叶片的覆冰情况：
　　第一，与临近的风机进行对比，风向和风速都相同的情况下，两者的输出功率差异较大，这种情况在风速较大时较为明显，风速较小时差异性不大[2]。
　　第二，风场风机均不同程度（根据覆冰量）出现功率下降，有些风电机组出现严重偏离风机设计功率曲线的情况，以国电联合动力UP2000-105-S双馈机型为例，设计功率曲线，满发风速为10米（标准空气密度下），风机功率均出现下降，特别是一些覆冰严重的风电机组，其风速、功率与理论功率曲线有严重偏差。
　　第三，观察风机变桨速度变化，正常情况下风机的变桨速度为9°/s，当叶片覆冰时，叶片静载荷增加，其变桨速度会有所降低。
　　第四，风机风速仪显示均正常，偏差小，所有风机类比均正常。风速测量正常。
　　第五，风机风向仪显示正常，检查风机偏航对风角度与风向角度均在10°以内（各机型控制死区不一样）。风机对风正常。
　　第六，风机参数均正常，无AGC、电能质量后台、手动等限制功率情况下，且风机叶片全开（0°）。
　　第七，风机机舱温度零下5℃以下，且伴随有大雪、大雾、大雨等高湿度天气，功率下降变化速度快。
　　通过上述七点基本可以判断为风机叶片覆冰，应及时停运风机（根据风机厂家给予的安全红线确定），最后前往就地确认风机覆冰情况。
　　4 叶片覆冰的应对措施
　　一般风机发生覆冰后，首先覆冰掉落容易对周围设备、人员造成直接落物伤害。其次风机叶片的空气动力学轮廓就会受到影响，叶片表面的大量覆冰会引起风机的附加载荷与额外的振动（不平衡），从而降低其使用寿命，在极端情况下，积冰甚至会造成风塔整体坍塌或局部破损[3]。最后覆冰后停运，风场电量也会相应受到损失。应对措施：
　　4.1 防止造成人身伤害
　　（1）风场进口、风机基座20米范围设置醒目警示标志，提醒人员注意落物伤害，并定期对标识进行检查。必要时考虑增设风机区域围栏。
　　（2）利用多种形式（安全月、开放日、扶贫等），对附近村落进行危险因素宣讲，并建立村政府通讯网络。进入冬季前做好提醒。
　　（3）对覆冰风机的检查必须等待风机停运后方能靠近，且车辆应停在距离风机20米范围之外。
　　（4）覆冰消失后风机重新启动时，必须确认风机200米范围内无人员、车辆后方能启动。
　　（5）制定高空落物伤害应急演练脚本，定期演练。
　　4.2 防止设备损坏
　　（1）定期对风机进行功率曲线一致性分析。并根据厂家资料，确定本场风机可接受覆冰安全運行红线，到达安全红线时，应立即停运风机。优化风机保护配置，增设覆冰报警、停机功能。
　　（2）风机停运后，将控制模式切换至“服务”模式，并解除操作权限，防止误启动。
　　（3）提前做好天气情况预警，当环境温度降至0℃以下，风场出现雨、雪、雾天时，启动应对措施。
　　（4）风机再次启动前，必须现场对风机片覆冰情况、设备是否损伤进行检查，覆冰消失后，且设备无异常后方能再次启动。
　　（5）对风机叶片技改，增加祛冰装置或者通过增加涂层来缓解、消除覆冰。箱变增加防护设施，防止落冰损坏箱变设备。
　　4.3 减少电量损失
　　大雾、雪天气消失，空气湿度降低，在上山道路允许的情况下，使用望远镜、无人机等手段，对叶片覆冰、叶片表面、轮毂进行检查，同时对箱变及汇集线路进行检查（是否冰掉落损伤）[4]。覆冰消失后，设备无异常后及时恢复风机运行。
　　5 结论
　　由于风电的装机容量不断增加，风机在冬季运行其叶片覆冰已经成为了一种常见现象，因此研究并掌握叶片覆冰的规律，合理的应对叶片覆冰措施有利于风机在低温条件下安全稳定运行，提高风机可利用小时数，保证风电场安全稳定运行。
　　参考文献：
　　[1]安凡华.风机叶片覆冰状况探析[J].湖北农机化，2019（15）：110-111.
　　[2]严敬川，郭朝晖，牟令.利川与齐岳山风电场冬季叶片覆冰应对策略分析[J].水电与新能源，2018，32（04）：75-78.
　　[3]王雪冬.浅谈风机叶片覆冰情况分析及运行监控[J].海峡科技与产业，2017（10）：75-76+82.
　　[4]许小明，梅鑫，郝玉官，秦洋洋，邹文才，黄宸武.我国南方风电场冬季风电叶片除冰方法探讨[J].宜春学院学报，2017，39（06）：8-11.
　　作者简介：卫振海（1984-），男，山西平陆人，大专，助理工程师，研究方向：风电场风机运行。
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