一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统与流程

本发明涉及风力发电机组叶片除冰领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统。

背景技术：

目前，我国的风资源基本分布在冰天雪地的北方以及湿气非常大的南方，环境均极其恶劣。风力发电机组在摄氏零度以下低温条件下运行时，如果遇到潮湿空气、雨水、盐雾、冰雪，特别是遇到过冷却水滴时，常常会发生冻冰现象。风力发电机组叶片覆冰后，会对风力发电机组的正常运行造成严重的危害。

叶片覆冰后会产生较大的冰载，大大降低叶片的使用寿命。同时，由于加载在每个叶片上的冰载荷不尽相同，使得风力发电组的不平衡载荷增大，若机组继续运行，对机组将产生极大的危害；若停机，则机组的利用率大大降低。

叶片表面覆冰后，在各个位置的翼型均有不同程度的变化，影响了翼型的升阻力系数，将极大地影响了机组的出力，降低了机组的发电效率。另一方面，叶片表面覆冰后，如果温度升高，冰块脱落，伴随着极高的叶尖转速，会对临近的机组和人员构成安全威胁。

风电场针对叶片覆冰采取的措施通常有两种方式，

其一，停运叶片覆冰的风力发电机组，待叶片表的覆冰融化情况重新启动风力发电机组。该种方式的缺点：需要人工判断覆冰情况，据此来判断是否需要停机和启动，人为因素干扰大，不准确，存在严重的安全隐患等。

其二，通过电阻式应变传感器等监测风力发电机组的叶片覆冰情况，然而由于风力发电机组自身结构及运行环境极其恶劣而无法正常运行，诸如在雷击，盐雾，昼夜高低温，强电磁干扰等状况下极易失效；同时，该类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种能快速且有效地除去叶片覆冰的风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统。

为实现上述目的，本发明之一的一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统，应用在水平轴风力发电机组上，适用于低温条件下叶片的除冰作业，包括：

步骤E1：

每一叶片上从叶根到叶尖取n个叶片截面，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板，且每一叶片截面均与叶根法兰面平行，叶尖不铺设传感器面板，取叶片任意截面i，由传感器面板获取应变量后计算叶片各截面上的挥舞弯矩及摆振弯矩；

步骤E2：

控制系统判断风速风向传感器送入的外界气温t₁是否大于预设温度罚值T₀，若t₁≤T₀且在风力发电机历史运行数据中的风速、叶片桨距角、叶片方位角与当前实测各对应数据之间的误差在误差范围允许条件下，对当前实测的叶根摆振弯矩与误差范围允许条件下的历史数据中叶根摆振弯矩进行对比，同时，以各截面摆振弯矩为基础，先计算叶片各分段的覆冰量再计算整个叶片的覆冰量m_ice，若t₁>T₀，则控制系统不动作；

步骤E3：

控制系统判断叶片覆冰量m_ice是否大于覆冰量罚值m，如大于控制叶片加热系统启动；

步骤E4：

控制系统根据预设温度罚值T₁、T₂、覆冰量罚值m与叶片温度t₂、叶片覆冰量m_ice之间的比较结果控制叶片加热系统的启停，若叶片 加热系统加热过程中叶片温度t₂超过预设温度罚值T₁，立即停止加热；若停止叶片加热系统后叶片温度t₂下降过程中，叶片覆冰量m_ice大于预设的覆冰量罚值m，待叶片温度t₂下降到预设温度罚值T₂后重新启动叶片加热系统，其中，叶片温度t₂是一个实际测量的变化的温度值，且t₁>t₂。

进一步地，叶片截面主轴由挥舞方向主轴及摆振方向主轴构成，挥舞方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量挥舞弯矩；摆振方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量摆振弯矩。

进一步地，第n个截面距离叶尖截面距离为d，即最后一个截面距离叶尖距离为d,且d>0.5m。

进一步地，计算叶片任意截面i处的挥舞弯矩M_yi的变化量ΔM_yi，通过

${\mathrm{\ΔM}}_{yi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{y\_ice\left(k\right)}*\[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)\]*sin\mathrm{\θ}$ (1)计算得出，

其中，Δm_{y_ice(k)}为根据式(1)计算的第k段叶片覆冰量，k＝i……n，1≤i≤n，且i为自然数，n≥1，且n为自然数，θ为叶片桨矩角，R_k为截面k的半径，即截面k与叶根的距离，R_i为截面i的半径，R_k+1为截面k+1的半径；

在误差范围允许条件下，计算叶片任意截面i处的摆振弯矩M_xi的变化量ΔM_xi通过

${\mathrm{\ΔM}}_{xi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{x\_ice\left(k\right)}*\[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)\]*cos\mathrm{\θ}$ (2)计算得出，

其中，Δm_{x_ice(k)}为根据式(2)计算的第k段叶片覆冰量。

进一步地，风速、叶片方位角、叶片桨距角各历史运行数据与当前实测对应数据的误差小于5％。

进一步地，由叶尖向叶根方向逐段计算叶片各分段的覆冰量，根据最后一个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，即第n个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，可以计算第n段的覆冰量Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}，然后将Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}分别代入公式(1)及(2)中求得第n-1段的覆冰量Δm_{y_ice(n-1)}和Δm_{x_ice(n-1)}，以此类推，可求得同一叶片所有叶片分段的覆冰量。

进一步地，利用挥舞弯矩和摆振弯矩求得的叶片覆冰量应相等且可相互验证，对m_{y_ice}和m_{x_ice}之和求平均获取整个叶片的覆冰量m_ice，即通过

m_ice＝(m_{y_ice}+m_{x_ice})/2 (5)求取整个叶片的覆冰量m_ice。

进一步地，预设温度罚值T₀的取值范围为0≤T₀≤1中的任意一个温度值。

本发明之二提供的一种风力发电机组叶片除冰系统，应用在水平轴风力发电机组上，适用于低温条件下风力发电机组叶片的除冰作业，其包括一控制系统；

一叶片加热系统，该叶片加热系统至少包括设置在叶片前缘的用于融化覆盖在叶片前缘的冰的加热膜，且加热膜为碳膜电阻材料；

一风速风向采集器，用于采集风速、风向、外界气温数据并反 馈给控制系统；

一编码器，用于采集叶片方位角及叶片桨距角信号并反馈给控制系统；

一供电系统，用于至少向控制系统、叶片加热系统、风速风向传感器、编码器供应电能；

若干固定在风力发电机组叶片上的传感器面板，用于采集并向控制系统反馈叶片的应变量变化情况；

控制系统用于接收风速风向气温信号、传感器面板反馈的应变测量结果、编码器采集叶片方位角及桨距角信号，控制叶片加热系统进行可控的加热动作；

每一光纤光栅应变传感器和一温度传感器构成一传感器面板。光纤光栅应变传感器及温度传感器由若干光纤串联后通过玻纤封装的方式组成传感器面板，且温度传感器用于消除光纤光栅应变传感器由于温度影响造成的应变量误差。

综上所述，本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统，可以有效且准确地计算风力发电机组叶片的覆冰量的基础上，快速有效地进行叶片的除冰作业，同时，可以根据覆冰量情况及当前测量的温度情况实时开启叶片加热系统进而在达到融冰的目的同时，避免因加热时间过长而造成的温度过高致使叶片性能。

附图说明

图1为应用本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统的水平轴风力发电机组的示意图。

图2为本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统的传感器面板在三个叶片中的安装位置分布示意图，图中黑色小方块表示传感器面板的安装位置。

图3为本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统中的传感器面板在同一叶片上的安装位置示意图，图中小黑点表示传感器面板在叶片上的安装位置，根据传感器面板测量得到的应变量计算各个截面的挥舞弯矩M_y和摆振弯矩M_x。

图4为本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰 系统述及的传感器面板简要结构示意图。

图5应用于本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统的叶片任意截面i上的传感器面板安装位置示意图，图中黑色小方块表示传感器面板在截面i上的安装位置，图中小黑点表示中性轴。

图6为本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统的叶片的局部示意图，该图中长方条形表示加热膜。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图6，本发明之一的一种风力发电机组叶片覆冰的除冰系统，应用在水平轴风力发电机组上，适用于低温条件下风力发电机组叶片的除冰作业，其包括：

一控制系统；

一叶片加热系统，该叶片加热系统至少包括设置在叶片前缘的用于融化覆盖在叶片前缘的冰的加热膜，且加热膜为碳膜电阻材料；

一风速风向采集器，用于采集风速、风向、外界气温数据并反馈给控制系统；

一编码器，用于采集叶片方位角及叶片桨距角信号并反馈给控制系统；

一供电系统，用于至少向控制系统、叶片加热系统、风速风向传感器、编码器供应电能；

若干固定在风力发电机组叶片上的传感器面板，用于采集并向控制系统反馈叶片的应变量变化情况；

控制系统用于接收风速风向气温信号、传感器面板反馈的应变测量结果、编码器采集叶片方位角及桨距角信号，控制叶片加热系统进行可控的加热动作；

每一光纤光栅应变传感器和一温度传感器构成一传感器面板。光纤光栅应变传感器及温度传感器由若干光纤串联后通过玻纤封 装的方式组成传感器面板，且温度传感器用于采集叶片温度及消除光纤光栅应变传感器由于温度影响造成的应变量误差。

在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板。叶片截面主轴由挥舞方向主轴及摆振方向主轴构成，挥舞方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量挥舞弯矩；摆振方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量摆振弯矩。挥舞方向和摆振方向均各自独立。挥舞方向和摆振方向均各自独立，即挥舞方向上的弯矩不会导致摆振方向上的应变响应，摆振方向上的弯矩不会导致挥舞方向上的应变响应。

请参阅图2至图5，示意出了本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统由叶根到叶尖方向的叶片各个截面内传感器面板的安装位置，即每一叶片由叶根到叶尖取n(n≥1，且n为自然数)个截面，叶尖截面不铺设传感器面板。进一步地，第n个截面距离叶尖距离为d,且d>0.5m。

每一叶片内由包括n个传感器面板，且同一叶片内的所有传感器面板构成一传感器组。

本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法，应用在水平轴风力发电机组上，适用于低温条件下叶片的除冰作业，包括：

步骤E1：每一叶片上从叶根到叶尖取n个叶片截面，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板，且每一叶片截面均与叶根法兰面平行，叶尖不铺设传感器面板，取叶片任意截面i，由传感器面板获取应变量后计算叶片各截面上的挥舞弯矩及摆振弯；

步骤E2：控制系统比较风速风向传感器送入的外界气温t₁是否大于预设温度罚值T₀，若t₁≤T₀且风力发电机组历史运行数据中的风速、叶片桨距角、叶片方位角与当前实测各对应数据之间的误差在误差允许范围内，对当前实测的叶根摆振弯矩与误差允许范围内的历史数据中叶根摆振弯矩进行对比，同时，以各截面摆振弯矩为基础，先计算叶片各分段的覆冰量再计算整个叶片的覆冰量m_ice，若 t₁>T₀，则控制系统不动作；

步骤E3：控制系统判断叶片覆冰量m_ice是否大于覆冰量罚值m，如大于控制叶片加热系统启动；

步骤E4：控制系统根据预设温度罚值T₁、T₂、覆冰量罚值m与叶片温度t₂、叶片覆冰量m_ice之间的比较结果控制叶片加热系统的启停，具体地，若叶片加热系统加热过程中叶片温度t₂超过预设温度罚值T₁，立即停止加热，若停止叶片加热系统后叶片温度t₂下降过程中，叶片覆冰量m_ice大于预设的覆冰量罚值m，待叶片温度t₂下降到预设温度罚值T₂后重新启动叶片加热系统，其中，叶片温度t₂是一个实际测量的变化的温度值，且t₁>t₂。

计算叶片任意截面i处的挥舞弯矩M_yi的变化量ΔM_yi，通过

${\mathrm{\ΔM}}_{yi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{y\_ice\left(k\right)}*\[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)\]*sin\mathrm{\θ}$ (1)计算得出，

其中，Δm_{y_ice(k)}为根据式(1)计算的第k段叶片覆冰量，k＝i……n，1≤i≤n，且i为自然数，n≥1，且n为自然数，θ为叶片桨矩角，R_k为截面k的半径，即截面k与叶根的距离，R_i为截面i的半径，R_k+1为截面k+1的半径；

在误差允许条件下，计算叶片任意截面i处的摆振弯矩M_xi的变化量ΔM_xi通过

${\mathrm{\ΔM}}_{xi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{x\_ice\left(k\right)}*\[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)\]*cos\mathrm{\θ}$ (2)计算得出，

其中，Δm_{x_ice(k)}为根据式(2)计算的第k段叶片覆冰量。

由叶尖向叶根方向逐段计算叶片各分段的覆冰量

根据最后一个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，即第n个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，可以计算第n段的覆冰量Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}，然后将Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}分别代入公式(1)和(2)中求得第n-1段的覆冰量Δm_{y_ice(n-1)}和Δm_{x_ice(n-1)}，以此类推，可以求得所有叶片分段的覆冰量。

通过$m_{y\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{y\_ice\left(k\right)}---\left(3\right)$

$m_{x\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Σ}}{\mathrm{\Δm}}_{x\_ice\left(k\right)}---\left(4\right)$计算任意截面i到叶尖的覆冰量。

利用挥舞弯矩和摆振弯矩求得的叶片覆冰量m_ice应该接近且可相互验证，对两者求平均值作为输出值m_ice，即

m_ice＝(m_{y_ice}+m_{x_ice})/2 (5)求取整个叶片的覆冰量m_ice。

预设温度罚值T₀的取值范围为0≤T₀≤1中的任意一个温度值。

所述的误差范围允许条件至少应包含风力发电机组在风速、叶片桨距角、叶片方位角三个数据，且要求风速、叶片方位角、叶片桨距角各历史运行数据与当前实测数据的误差小于5％。

综上所述，本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统，可以有效且准确地判断风力发电机组叶片的覆冰量的基础上，快速有效地进行叶片的除冰作业，同时，可根据覆冰量情况 及当前测量的温度情况实时开启叶片加热系统进而达到融冰的目的同时，避免因加热时间过长而造成的温度过高损伤叶片性能。

以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统的较佳实施例，任何在本发明一种风力发电机组叶片覆冰的除冰方法及其除冰系统基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。