CN105298761B - 一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置，目的在于解决现有的风力机发电机组根据时间阈值来进行结冰后的控制，其存在过早停机导致风能浪费，或过晚停机导致风力机损坏的问题。本发明直接根据叶片的结冰分布信息（即实时结冰信息）以及对应的危害，来执行对运转中的风力发电机组叶片结冰时的控制操作。与当前仅仅通过时间阈值和环境参数间接的粗略估算结冰的控制方式相比，本发明可进一步提高机组在结冰气候下运行的经济性、安全性和可靠性。本发明能够根据结冰的危害进行合理的控制，有效提高风力发电机组在结冰气候下运行的经济性、安全性，有效保障风力发电机组的运行安全性，具有较高的应用价值。

Description

一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体为一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置。

背景技术

我国疆域辽阔，气象条件复杂，风资源蕴藏巨大。其中，高海拔、湿冷环境下运行的风力机在冬季经常出现严重的表面结冰现象，风力机叶片的结冰会严重影响风力机的气动性能和运行安全，给风力机带来极大危害。

严格来讲，安装在冰冻地区的风力发电机组需要附带叶片除冰功能，然而目前国内外还没有发展出成熟的风力机除冰技术。因此，如何降低叶片结冰带来的安全和性能影响，已成为风电行业亟需解决的重要问题。现阶段，通过实时监测与预警的方法，是解决这一问题的一种有效途径。

目前，美国goodrich公司、芬兰的Labkotec公司、中国的嘉瑞丰公司都已经可以对运行中的叶片结冰情况进行监测。其中，嘉瑞丰公司的产品已经可以实时检测到结冰的厚度和结冰的位置。基于检测到叶片的结冰状况后，必须进一步根据结冰情况进行预警，才能有效控制和消除结冰对风力机的危害。

对风机进行结冰预警，当前通常采用如下方法：通过结冰传感器实时探测风力发电机组各叶片的结冰情况，并且实时监测风力发电机组所处环境的环境参数和运行期间的运行参数；当探测结果显示，风力发电机组各叶片已结冰，且监测到的风力发电机组对应的环境参数满足结冰条件时，根据风力发电机组对应的运行参数触发结冰控制操作。该方法间接通过时间阈值和环境参数来进行结冰下的操纵控制，可以对风力机在结冰天气下的运行提供保护。

然而，该预警和控制方法不是直接通过结冰状况及其危害来预警。由于气候条件变化带有不确定性，时间阈值必须保留足够的安全裕度，往往必须在没有达到真正的警戒线时，就提前关机，经济性较差。另一方面，如果在极端气候条件下，若气候变化极其剧烈，甚至超过了制定时间阈值时的考虑范围，则有可能出现结冰状况超过了警戒线而没有关机，导致风力机损坏的情况。

综上所述，当前已经可以实时检测到风力机叶片结冰的厚度和结冰的位置，而当前的预警系统根据时间阈值来进行结冰后的控制，这种方式存在过早停机导致浪费风能，或过晚停机导致损坏风力机的可能性。因此，迫切需要一种新的风力发电机组结冰预警和控制方法或装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的风力机发电机组根据时间阈值来进行结冰后的控制，其存在过早停机导致风能浪费，或过晚停机导致风力机损坏的问题，提供一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置。与当前仅仅通过时间阈值和环境参数间接的粗略估算结冰的控制方式相比，本发明可进一步提高机组在结冰气候下运行的经济性、安全性和可靠性。本发明能够根据结冰的危害进行合理的控制，有效提高风力发电机组在结冰气候下运行的经济性、安全性，有效保障风力发电机组的运行安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机组结冰预警和控制方法，包括如下步骤：

(1)通过传感器实时探测风力发电机叶片的实时结冰信息，所述实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置；

(2)得到风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，所述实时环境参数包括风力发电机所在环境的风速、风力发电机所在环境的温度，所述实时运行参数包括风力发电机的叶片转速；

(3)根据步骤(1)得到的实时结冰信息、步骤(2)中得到的实时环境参数和实时运行参数，分别得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息；

(4)基于步骤(3)得到的结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，触发结冰控制操作。

所述步骤(3)中，采用数值仿真方法或建立冰型危害数据库插值的方法得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。

所述步骤(3)中，根据步骤(1)得到的实时结冰信息、步骤(2)中得到的实时环境参数和实时运行参数，采用数值仿真方法，分别得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。

所述步骤(3)中，针对不同的冰型，采用数值计算或实验的方法，得到不同冰型对风力机的气动力损失和结构危害信息，建立冰型危害数据库，根据步骤(1)得到的实时结冰信息、步骤(2)中得到的实时环境参数和实时运行参数，从冰型危害数据库中信息插值得到。

所述步骤(4)中，基于步骤(3)得到的结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，分别设立第一危害阈值、第二危害阈值，且所述第一危害阈值小于第二危害阈值；

当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第一危害阈值，且未超过第二危害阈

当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第二危害阈值，触发风力发电机执行结冰停机操作。

所述结冰运行操作包括增大风力发电机的最小桨矩角、减小风力发电机的转速扭矩系数中的一种或多种。

用于前述风力发电机组结冰预警和控制方法的装置，包括：

探测模块，用于探测风力发电机叶片的实时结冰信息，所述实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置；

信息处理模块，根据探测模块测定的实时结冰信息、风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，触发结冰控制操作。

针对前述问题，本发明提供一种风力发电机组结冰预警和控制方法及其装置，该方法包括如下四个步骤。

第一步，通过安装好的传感器实时探测风力发电机叶片的实时结冰信息，实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置。实时结冰信息可通过市场上现有的传感器直接得到，例如采用四川嘉瑞丰科技有限公司的结冰探测器就可以实现此项功能。

第二步，根据风力发电机自身的控制系统，得到风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，实时环境参数包括风力发电机所在环境的风速、风力发电机所在环境的温度，实时运行参数包括风力发电机的叶片转速。

由于结冰会使叶片外形发生改变，根据第一步探测到的实时结冰信息以及第二步得到的实时环境参数和实时运行参数，得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。

其中，结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息可采用数值仿真方法实时计算。也可通过如下方法得到：针对各种冰型，采用数值计算或实验的方法，分析具体冰型对风力发电机的气动力损失以及结构损害，建立相应的冰型危害数据库，根据实际叶片遭遇的冰型，从冰型危害数据库中信息插值得到。其中，风力机叶片在典型状态下的冰型及分布可通过结冰数值仿真或结冰风洞实验的方法得到。

最后，基于步骤(3)得到的结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，触发结冰控制操作。

在所监测到的风力发电机叶片的实时结冰信息以及风力发电机组对应的实时环境参数和实时运行参数条件下，当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第一危害阈值，且未超过第二危害阈值时，触发风力发电机执行结冰运行操作；当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第二危害阈值，触发风力发电机执行结冰停机操作，即风力发电机组对风停机。其中，所述第一危害阈值小于所述第二危害阈值。结冰运行操作包括增大风力发电机的最小桨矩角、减小风力发电机的转速扭矩系数，

基于前述方法，本发明同时提供用于前述风力发电机组结冰预警和控制方法的装置。

本发明中，直接根据叶片的结冰分布信息(即实时结冰信息)以及对应的危害，来执行对运转中的风力发电机组叶片结冰时的控制操作。与当前仅仅通过时间阈值和环境参数间接的粗略估算结冰的控制方式相比，本发明可进一步提高机组在结冰气候下运行的经济性、安全性和可靠性。采用本发明，能够避免提前关机所导致的经济性较差的问题，同时也能有效避免极端情况下，气候变化及其剧烈所导致的风力机损坏问题。同时，本发明中采用信息插值方法，能够极大提高系统的相应速度，对于保障风力发电机的安全，具有重要的进步意义。

综上，本发明对于提高风力发电机组的经济性，保障其安全性，具有重要的意义，值得大规模推广和应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为风力机叶片不同展向位置的结冰状况图。

图2为叶片距离中心4m处结冰前后的压力分布对比图。

图3为叶片距离中心22m处结冰前后的压力分布对比图。

图4为叶片距离中心31m处结冰前后的压力分布对比图。

图5为叶片距离中心40m处结冰前后的压力分布对比图。

图6为三种不同水滴平均当量直径的冰型。

图7为不同时间下的冰型。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

第一步、通过传感器实时探测风力发电机组各叶片的结冰情况，包含实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置。

第二步、根据风力发电机自身的控制系统，得到风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，实时环境参数包括风力发电机所在环境的风速、风力发电机所在环境的温度，实时运行参数包括风力发电机的叶片转速。

第三步、结冰将会使叶片外形发生改变，根据第一步探测到的实时结冰信息以及第二步得到的实时环境参数和实时运行参数，采用数值仿真方法或建立冰型危害数据库插值的方法得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。采用数值计算方法或数据库插值方法分别得到结冰改变叶片外形前、后的气动力，并得到结冰对气动力的损失，这两种方法具体如下。

(1)数值计算方法

结冰对气动力的损失，需要计算风力机的空气流场，我们采用多参考坐标系方法(MRF)计算风力机流场，这是一种当前成熟的计算方法，简述如下：

①控制方程

将风力机流场区域分为非旋转区域和旋转区域，非旋转区域空气流场控制方程为低速粘流的时均N-S方程：

ρ_a为空气密度，为空气速度，φ、Γ_φ和q_φ取不同的值，可分别代表空气流场的连续性方程、动量方程和湍动能等其他标量的输运方程。

在旋转区域内，控制方程也可以写成输运方程的形式：

在旋转区域和非旋转区域的交界面上要求流场参数一致。

②控制方程的离散方法

采用有限体积法离散求解方程，分别对方程中的对流项和源项进行离散。

I对流项的离散

对流项的离散可根据高斯散度定理得到：

nb＝e,w,n,s,t,b，分别代表以P点为中心的控制体的六个面，为各面对应的面积。

非旋转区域的流场控制方程如下：

旋转区域的流场控制方程如下：

控制体界面上的变量值采用迎风插值和线性插值相结合的方法计算，以边界面“e”为例，具体方法为：

其中，为迎风插值的量，为线性插值的量，ε为混合因子，0≤ε≤1。

II源项的离散

源项的离散形式为：

其中δV为控制体的体积。

III时间项离散

采用如下二阶精度格式进行离散

其中，上标n+1、n和n-1分别代表t+Δt时刻、t时刻和t-Δt时刻的值。

非旋转区域和旋转区域对应的控制方程(1)和(2)为偏微分方程，通过上述方法，结合有限体积方法，可以求得风力机叶片的气动性能。根据结冰导致的风力机气动力损失，即结冰对风力机的危害程度，可以进一步根据气动力损失的具体情况调整控制策略，降低结冰对风力机的损害，提高发电效率。

其中，图1给出了某状态下风力机叶片不同展向位置的结冰状况，图2到图5叶片不同展向位置处结冰前后的压力分布对比图，根据整个叶片的空气压力分布，可以得到结冰后导致的气动力损失。同时，表1中给出了该状态冰型条件下，等比得到的不同厚度的冰带来的气动力损失导致的能量降低百分比。

表1风能利用系数和轴功率随冰厚度变化情况

冰厚度(cm)	风能利用系数	轴功率(kw)	能量降低百分比
				0	0.371	1615.2	0
2.7	0.327	1421.8	11.9％
				5.4	0.295	1286.3	20.4％
8.1	0.251	1096.6	32.1％
				10.7	0.192	837.5	48.2％

(2)数据库插值的方法

上述数值计算方法能保证较好的精度，达到预警的目的，但是，数值计算存在计算量大、计算时间较长等缺点，一个状态的计算分析往往需要数十分钟甚至数个小时，结了冰后，服务器需要这么长时间的分析才能给出结果，显然是工程上不能接受的，一套有效的结冰预警系统需要快速的反应时间。针对数值方法的缺陷，可以采用数据库插值的方法，这是通过对冰形进行分类，提前进行大量的结冰危害数值分析，使用过程中采用快速插值的方法就能对结冰的危害进行实时快速的分析，显著的提高了预警系统的反应时间，可满足工程需求。具体步骤如下。

①采用数值仿真或冰风洞实验的方法，得到具体的风力机叶片在典型状态下(至少3个不同的温度、液态水含量、水滴平均当量直径)的结冰的外形，由于结冰时间的不同，结冰外形会与基本的外形具有接近按照时间成正比的关系。针对这些具体的冰型，进一步采用等比的方法得到不同结冰时间下的对应冰型。以水滴平均当量直径(MVD)为例，图6为三种不同水滴平均当量直径的冰型；若其他条件不变，仅仅是结冰时间不一样，图7为不同结冰时间下的冰型，从图中可看出，冰型具有等比关系，可以直接按照等比扩大或缩小结冰量的方法得到对应的冰型。图6和图7中，最里面的实线为没有结冰的原始翼型。

②针对不同的冰型，采用数值仿真的方法，具体方法如上述数值计算方法中所述，分析对应的气动力损失以及结构危害，并建立对应的冰型及危害数据库。

③通过结冰传感器实时探测风力发电机组各叶片的结冰情况，包含所述结冰的厚度和结冰的位置。

④搜索、对比数据库中冰型的特征点，得到数据库中与实际冰型最接近的两个对应冰型，采用插值的方法得到其对应的气动力损失以及结构危害，这种插值方法可以快速得到结冰的危害。例如，如果探测到的冰型与图6中MVD＝20和MVD＝30最接近，且介于两者之间，则可以按照相似度，用数据库中这两种冰的危害值插值得到是实际冰型近似的危害值。

第四步、上述数值计算方法或数据库插值方法得到实时的结冰情况对风力机结冰的危害后，根据结冰的具体危害程度，触发结冰控制操作。依据风力发电机的具体情况，分别设定第一危害阈值、第二危害阈值，且第一危害阈值小于第二危害阈值。在所监测到的风力发电机叶片的实时结冰信息以及风力发电机组对应的实时环境参数和实时运行参数条件下，若结冰对风力机叶片气动性能和结构性能的影响(即结冰对风力机结构的损害)超过第一危害阈值且未超过第二危害阈值，则触发风力发电机组执行结冰运行操作；或者，若监测到的风力发电机叶片的结冰情况以及风力发电机组对应的实时环境参数和实时运行参数条件下，若结冰对风力机叶片气动性能和结构性能的影响超过第二危害阈值，则触发风力发电机组执行结冰停机操作。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过传感器实时探测风力发电机叶片的实时结冰信息，所述实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置；

（2）得到风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，所述实时环境参数包括风力发电机所在环境的风速、风力发电机所在环境的温度，所述实时运行参数包括风力发电机的叶片转速；

（3）根据步骤（1）得到的实时结冰信息、步骤（2）中得到的实时环境参数和实时运行参数，分别得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息；

（4）基于步骤（3）得到的结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，触发结冰控制操作。

2.根据权利要求1所述风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，采用数值仿真方法或建立冰型危害数据库插值的方法得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。

3.根据权利要求1所述风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，根据步骤（1）得到的实时结冰信息、步骤（2）中得到的实时环境参数和实时运行参数，采用数值仿真方法，分别得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息。

4.根据权利要求1所述风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，针对不同的冰型，采用数值计算或实验的方法，得到不同冰型对风力机的气动力损失和结构危害信息，建立冰型危害数据库，根据步骤（1）得到的实时结冰信息、步骤（2）中得到的实时环境参数和实时运行参数，从冰型危害数据库中信息插值得到。

5.根据权利要求1所述风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，所述步骤（4）中，基于步骤（3）得到的结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，分别设立第一危害阈值、第二危害阈值，且所述第一危害阈值小于第二危害阈值；

当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第一危害阈值，且未超过第二危害阈值时，触发风力发电机执行结冰运行操作；

当结冰对风力机叶片气动力损失和损害信息超过第二危害阈值，触发风力发电机执行结冰停机操作。

6.根据权利要求1所述风力发电机组结冰预警和控制方法，其特征在于，所述结冰运行操作包括增大风力发电机的最小桨矩角、减小风力发电机的转速扭矩系数中的一种或多种。

7.用于权利要求1~6任一项所述风力发电机组结冰预警和控制方法的装置，其特征在于，包括：

探测模块，用于探测风力发电机叶片的实时结冰信息，所述实时结冰信息包括叶片结冰厚度、结冰具体位置；

信息处理模块，根据探测模块测定的实时结冰信息、风力发电机的实时环境参数和实时运行参数，得到结冰导致风力机气动力损失、结冰对风力机结构的损害信息，触发结冰控制操作。