一种基于冰冻环境大气参数的风机覆冰监测方法与流程

1.本发明属于风力发电机叶片覆冰监测技术领域，尤其涉及一种基于冰冻环境大气参数的风机覆冰监测方法。


背景技术：

2.近年来，包括风力发电在内的清洁能源迅速发展，但在高纬度高寒地区和一些低纬度的内陆山地，风力发电机易受到覆冰的影响，风力发电机覆冰问题阻碍了这些地区风电场的发展，破坏其气动性能，甚至停机。除此之外，风力机组覆冰将会增加叶片和塔筒结构的负荷，导致各叶片的质量分布不均，导致振幅加剧甚至叶片之间的共振，超出设计疲劳载荷。低温环境下运行会影响润滑油的低温流动性，导致机械磨损增大，影响变速箱的寿命和风电场发电量。
3.风力发电机覆冰是涉及流体力学，空气动力学和热力学等多门学科的复杂物理过程。目前缺乏对风机叶片覆冰在线方法，在冬季只能提前主动停机，给电网调度带来运行负担，同时增加经济损失。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于冰冻环境大气参数的风机覆冰监测方法，以解决现有技术缺乏对风机叶片覆冰在线监测方法，在冬季只能提前主动停机，给电网调度带来运行负担，同时增加经济损失等技术问题。
5.本发明技术方案是：
6.一种基于冰冻环境大气参数的风机覆冰监测方法，它包括：
7.步骤1、根据监测需求确定待测大气参数；
8.步骤2、测量实时大气参数；
9.步骤3、将风力发电机叶片三维模型转为二维模型；
10.步骤4、构建以大气参数为基础的风力发电机叶片覆冰质量监测函数；
11.步骤5、重构合成风力发电机叶片三维覆冰冰形；
12.步骤6、根据实时参数，更新风力发电机叶片覆冰质量函数。
13.所述待测大气参数包括：环境温度、环境风速、液态水含量和水滴中值体积直径。
14.测量实时大气参数的方法为：通过多圆柱体积冰器、六要素气象仪、云雷达和微波辐射计，完成对环境温度t(t)、环境风速v(t)、液态水含量w(t)和水滴中值体积直径a(t)的测量。
15.环境温度t的取值范围设定在-15～5℃，取值精度0.5℃；风速v的取值范围设定为0～20m/s，取值精度0.5m/s；液态水含量w范围设置为0.2～2.6g/m3，取值精度0.2g/m3；水滴中值体积直径a取值范围10～100μm，取值精度5μm；目标风力发电机转速n的范围设置为5～30r/min，取值精度为0.5r/min；水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s的范围设置为-0.05～0.30m，取值精度0.01m。
16.步骤3所述将风力发电机叶片三维模型转为二维模型的方法为：将风力发电机三维模型进行沿叶展方向的“切片”处理，将叶片分割出无数个微元控制体截面，对每个翼型截面分别进行冰形模拟；所述微元控制体截面数量大于10000个。
17.风力发电机叶片覆冰质量监测函数需要任意时间步内计算水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s(t)和风力发电机转速n(t)，分别由风机叶片翼型自身参数和实时转速测量装置获得。
18.构建以大气参数为基础的风力发电机叶片覆冰质量监测函数的方法包括：
19.根据环境风速v(t)、水滴中值体积直径a(t)和水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s(t)以及风力发电机转速n计算水滴碰撞系数α1(t)的函数；
20.α1(t)＝f(v(t),a(t),s(t),n)
21.根据环境温度t(t)、液态水含量w(t)、风速v(t)和水滴碰撞系数α1(t)得函数计算冻结系数α3(t)的函数；
22.α3(t)＝f(t(t),w(t),v(t),α1(t))
23.风力发电机叶片表面微元控制体覆冰质量增长的计算函数表示为：
24.δm(t)＝f(v(t),α1(t),α2(t),α3(t),w(t))
25.计算得到风力发电机叶片微元控制体实时覆冰重量m(t+δt)：
26.m(t+δt)＝m(t)+δm(t)。
27.重构合成风力发电机叶片三维覆冰冰形的方法为：将风力发电机叶片所有截面覆冰质量计算完成，最终将所有切片得到的二维冰形模拟结果重构得到整个风力发电机三维叶片覆冰结果。
28.本发明的有益效果：
29.本发明发明通过研究风力发电机叶片外部气流场，水滴运动轨迹及其碰撞过程，进一步研究了风力发电机叶片表面水滴的冻结特性，构建了风力发电机叶片覆冰数值计算模型
30.建立风力发电机叶片覆冰发展模型和叶片三维覆冰重构方法，实现风力发电机叶片覆冰质量和冰形的实时监测，对于覆冰期风力发电机的运行方案提供决策基础及提高电网调度稳定性具有重大意义。
31.解决了现有技术缺乏对风机叶片覆冰在线监测方法，在冬季只能提前主动停机，给电网调度带来运行负担，同时增加经济损失等技术问题。
附图说明
32.图1为本发明流程图；
33.图2为风力发电机叶片覆冰计算流程图。
具体实施方式
34.本发明提供一种基于冰冻环境大气参数的风机覆冰监测方法(见图1)，包括如下步骤：
35.s1.根据监测需求确定待测大气参数；
36.具体地：本发明依据风机叶片覆冰发展的物理模型，首先通过计算水滴碰撞系数
以及冻结系数，进而构建风机叶片覆冰质量监测模型；而计算水滴碰撞系数及冻结系数，至少需要4个强相关的环境参数，包括环境温度、风速风向、液态水含量、水滴中值体积直径、空气动粘滞系数等。由于部分参数对监测结果影响相对较小，为加快计算速度，在一些情况下可做一定简化，如空气动粘滞系数在不考虑温升引起边界层定性温度变化的条件下可近似为定值。
37.此外，构建覆冰函数还需要任意时间步内计算水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s(t)和风力发电机转速n(t)。在将风机从三维模型转换位二维模型时，从驻点开始开始均匀“切片”，每一个“切片”对应一个以驻点原点的坐标来表示驻点距离，将每一个坐标记录，从而得到水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s(t)。风力发电机转速n(t)可通过实时转速测量装置获得。
38.进一步地，可以通过不同的测量设备组合，测量得到覆冰监测所需要的不同大气参数。进一步地，测量设备不仅限于：六要素气象仪、云雷达、微波辐射计等。以六要素气象仪为例。将六要素气象仪安装固定在风电场中的测风塔或目标风机塔顶。由风机自身供电、测风塔配备电源或在并网前端供电。
39.s2.测量实时大气参数；
40.具体地：分别对实际完成测量的环境温度t(t)、环境风速v(t)、液态水含量w(t)、水滴中值体积直径a(t)进行收集。
41.对大部分风力发电地区气象参数进行统计考察，结合风力发电机覆冰的实际情况，为减少计算冗余，将环境温度t、环境风速v、液态水含量w、水滴中值直径a取值范围进行以下设定，环境温度t的取值范围设定在-15～5℃，取值精度0.5℃；风速v的取值范围设定为0～20m/s，取值精度0.5m/s；液态水含量w范围设置为0.2～2.6g/m3，取值精度0.2g/m3；水滴中值体积直径a取值范围10～100μm，取值精度5μm。目标风力发电机转速n的范围设置为5～30r/min，取值精度为0.5r/min；水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s的范围设置为-0.05～0.30m，取值精度0.01m。
42.s3.将风力发电机叶片三维模型转为二维模型；
43.具体地：本发明将风力发电机三维模型进行沿叶展方向的“切片”处理，根据计算精度和叶片尺寸的不同，将叶片平均分割出超过10000个微元控制体截面，精度要求越高，截面数越多，并对每个翼型截面分别进行冰形模拟。
44.s4.构建以大气参数为基础的风力发电机叶片覆冰质量监测函数；
45.根据环境风速v(t)、水滴中值体积直径a(t)和水滴碰撞点距目标风力发电机叶片驻点距离s(t)以及风力发电机转速n计算水滴碰撞系数α1(t)的函数。
46.α1(t)＝f(v(t),a(t),s(t),n)
47.根据环境温度t(t)、液态水含量w(t)、风速v(t)和水滴碰撞系数α1(t)得函数计算冻结系数α3(t)的函数。
48.α3(t)＝f(t(t),w(t),v(t),α1(t))
49.风力发电机叶片表面微元控制体覆冰质量增长的计算函数可表示为：
50.δm(t)＝f(v(t),α1(t),α2(t),α3(t),w(t))
51.在过冷却水滴碰撞到风力发电机叶片表面的过程中，忽略水滴飞溅的影响，因此捕获系数α2≈1。
52.进一步计算得到风力发电机叶片微元控制体实时覆冰重量m(t+δt)：
53.m(t+δt)＝m(t)+δm(t)
54.s5.重构合成风力发电机叶片三维覆冰冰形；
55.具体地：将风力发电机叶片所有截面覆冰质量计算完成，最终将所有切片得到的二维冰形模拟结果重构得到整个风力发电机三维叶片覆冰结果。
56.s6.根据实时参数，更新风力发电机叶片覆冰质量函数。
57.具体地：根据实时测量的上述数据参数，环境温度t(t)、环境风速v(t)、液态水含量w(t)、水滴中值体积直径a(t)，并根据上述流程，实时监测风力发电机叶片覆冰质量。