CN107829889B - 一种用于风力发电机组的除冰控制方法及系统 - Google Patents

一种用于风力发电机组的除冰控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种用于风力发电机组的除冰控制方法，包括以下步骤：a)根据叶片结冰检测装置检测的数据传送给塔顶控制柜来判定叶片是否结冰，确定除冰装置是否启动；b)塔顶控制柜根据叶片结冰检测装置检测的数据分析结冰程度，判定除冰装置的加热模式；c)塔顶控制柜将判定的加热模式传输给除冰装置，除冰装置执行相应的加热模式；d)叶片结冰检测装置每隔一定时间进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式。以及提供一种用于风力发电机组的除冰控制系统。本发明能自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制策略对整个系统进行启动或停止，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。

Description

一种用于风力发电机组的除冰控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组叶片的除冰控制方法和系统。主要用于应对大型风力发电机组在高湿度、低温度的区域运行过程中产生的叶片表面结冰的现象，防止因叶片表面结冰而引起的功率下降和停机以及叶片结冰后的负载对叶片造成损伤，通过除冰装置对叶片加热除冰，提高风力发电机组的发电量以及保证风力发电机组的寿命和安全。
背景技术
如今，提高风力发电机组在工作中对恶劣环境的抵抗能力成为了风力机发展的趋势，我国南方多数风电场在冬季、初春都存在结冰现象，尤其是云贵高原、广西、湖北和湖南等地区，空气温度低、湿度大，经常由于叶片表面结冰而导致风力机效率低下或停机，而且覆冰还会导致叶片翼型几何形状改变导致的风轮严重不平衡，急剧增大了叶片运行载荷，导致叶片开裂、折断等严重故障，甚至激起整机固有频率，出现倒塌，严重影响了风力发电机组运行安全。因此，解决风力机叶片表面结冰的问题迫在眉睫。目前，还没有一套独立的自动化高效除冰系统能够实现风力发电机组整体从配电到通讯，从结冰检测到加热除冰。
发明内容
为了克服现有的风力发电机组的无除冰检测和加热除冰功能的不足，本发明提出一种用于风力发电机组的除冰控制方法及系统，其可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制策略对整个系统进行启动或停止，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种用于风力发电机组的除冰控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
a)根据叶片结冰检测装置检测的数据传送给塔顶控制柜来判定叶片是否结冰，确定除冰装置是否启动；
b)塔顶控制柜根据叶片结冰检测装置检测的数据分析结冰程度，判定除冰装置的加热模式；
c)塔顶控制柜将判定的加热模式传输给除冰装置，除冰装置执行相应的加热模式；
d)叶片结冰检测装置每隔一定时间进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式。
进一步，所述的加热模式分为防冰模式和除冰模式。
一种用于风力发电机组的除冰控制系统，包括塔底配电柜、塔顶控制柜、结冰检测装置、除冰装置和加热保护装置，所述的塔底配电柜用于为独立于机组的除冰系统进行供电的配电总柜；所述的塔顶控制柜是对除冰系统的数据采集进行分析处理并且做出执行策略的中央处理器；所述的结冰检测装置是对叶片表面结冰情况进行采集为系统控制策略提供数据支持的检测装置；所述的除冰装置是通过加热的方式除去叶片表面结冰保证风力发电机组正常运行的加热装置；所述的加热保护装置是通过对叶片加热温度的实时监测来保证除冰系统安全运行的保护装置；所述结冰检测装置与所述塔顶控制柜连接，所述塔顶控制柜与所述除冰装置连接。进一步，所述的塔顶控制柜安装在轮毂内或者安装在机舱内。
再进一步，所述的结冰检测装置包括环境参数检测装置、环境结冰探测装置和叶片结冰检测装置。
所述的环境参数检测装置包括能够测量温度和湿度等参数的传感器，主要通过温度和湿度对环境结冰情况进行判定。
所述的环境结冰探测装置可以选择具备谐振式结冰传感器、光纤结冰传感器、超声波式传感器或红外非接触式传感器的结冰探测装置。
所述的叶片结冰检测装置包括两种，一种是安装在叶片内部安装二维光纤光栅加速度传感器，根据反射光波长的变化测量应变的变化来测量叶片表面结冰的质量。另一种是通过安装在叶片表面的光纤贴片测量结冰厚度，利用太阳能供电和无线通信传输数据的检测装置。
更进一步，所述的除冰装置可以通过热鼓风式、电热膜式或者热鼓风电热膜混合式的方法进行加热。所述的热鼓风式是利用电热管或电热丝加热，通过鼓风机吹出热空气对叶片内腔加热从而除去叶片表面结冰。电热膜式是在叶片铺层中铺设电热膜，通过加热电热膜除冰。热鼓风电热膜混合式是将热鼓风式和电热膜式组合的除冰方法。
所述的保护装置包括叶片温度传感器和浪涌保护模块。
本发明的有效效果为：可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制策略对整个系统进行启动或停止，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。
附图说明
图1是本发明一种用于风力发电机组的除冰控制方法的加热控制结构框图。
图2是本发明一种用于风力发电机组的除冰控制方法的实施例加热控制流程图。
图3是本发明一种用于风力发电机组的除冰控制系统的第一实施例结构示意图。
图4是本发明一种用于风力发电机组的除冰控制系统的第二实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图4，一种用于风力发电机组的除冰控制方法，包括以下步骤：
a)根据叶片结冰检测装置检测的数据传送给塔顶控制柜来判定叶片是否结冰，确定除冰装置是否启动；
b)塔顶控制柜根据叶片结冰检测装置检测的数据分析结冰程度，判定除冰装置的加热模式；
c)塔顶控制柜将判定的加热模式传输给除冰装置，除冰装置执行相应的加热模式；
d)叶片结冰检测装置每隔一定时间进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式。
进一步，所述的加热模式分为防冰模式和除冰模式。
具体实施例加热控制流程图参阅图1，环境参数检测装置通过温湿度传感器获得温度T1和湿度RH1。若T1≤2℃、RH1≥80％则对环境和叶片结冰情况进行检测，否则继续检测环境参数。通过环境结冰探测装置检测环境是否结冰(未结冰＝0；结冰＝1)，通过叶片结冰检测装置检测叶片表面是否结冰(未结冰＝0；结冰＝1)。如果环境和叶片都未结冰(环境＝0；叶表＝0)，则不开启除冰系统。如果环境结冰叶片表面未结冰(环境＝1；叶表＝0)，除冰装置则执行防冰模式。如果叶表结冰(环境＝0；叶表＝1)或(环境＝1；叶表＝1)，除冰装置则执行除冰模式。叶片结冰检测装置每隔5分钟进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式。防冰模式的运行功率为15KW，除冰模式的功率为25KW，为了能够节省除冰系统的能量消耗，除冰模式具备变功率运行模式，根据叶片表面温度进行调整功率的应用情况，若叶片表面温度满足除冰要求，则调整降低功率维持除冰能力，通过小功率的加热模块的启停保证除冰的功能性和节能性。除冰装置根据系统所判定的加热模式进行选择防冰还是除冰模式进行。
具体的实施例结构示意图参阅图3、4，一种用于风力发电机组的除冰控制系统，包括塔底配电柜1，塔基柜2，叶片温度传感器3，除冰装置4，叶表结冰检测装置5，塔顶控制柜6，滑环7，环境结冰探测装置8，主控柜9，环境参数检测装置10，变流器11和箱变12。
塔顶控制柜6安装在轮毂内，塔顶控制柜6也可以安装在机舱内。参阅图3、4，除冰系统的供电通过箱变12的提供的电经过变流器11提供给安装在塔底的塔底配电柜1，配电柜是用于为独立于机组的除冰系统进行供电。除冰系统塔底与塔顶之间的配电传输通过专用的电缆进行传输，主控柜9和塔基柜2都能够对除冰系统进行启停控制，塔上配电和通信通过滑环进入到轮毂中。
结冰检测装置是对结冰情况进行采集的检测装置，主要是对结冰环境以及叶片结冰情况进行探测，主要由三个装置组成，分别为环境参数检测装置10、环境结冰探测装置8、叶表结冰探测装置5。环境参数检测装置10安装在机舱尾部下方，通过温湿度传感器检测环境的温湿度。环境结冰探测装置8安装在机舱上方靠近尾部用于检测环境是否存在结冰，叶表结冰探测装置5则安装在叶片内部或者叶片外表面，用来检测叶片表面是否存在结冰。
塔顶控制柜6是对采集数据进行分析处理作出执行策略的中央处理器，并兼备配电和信息传输的作用，浪涌保护模块集成在塔上控制柜中，对整个系统进行保护。叶片温度传感器3布置在叶片上，用来监测叶片的温度变化，防止温度过高对叶片加热造成材料的损伤或者老化，保护机组安全运行。
除冰装置4可以通过热鼓风式、电热膜式或者热鼓风电热膜混合式的方法进行加热。热鼓风式是利用电热管或电热丝加热，通过鼓风机吹出热空气对叶片内腔加热从而除去叶片表面结冰。电热膜式是在叶片铺层中铺设电热膜，通过加热电热膜除冰。热鼓风电热膜混合式是将热鼓风式和电热膜式组合的除冰方法。
本发明实施例提供了一种用于风力发电机组的除冰控制方法及系统，通过三种检测手段精准地对风电机组的结冰环境以及结冰状况进行检测，获得环境情况和叶片结冰情况，获得的参数数据通过塔上控制柜进行处理分析数据，根据相应的控制策略进行执行动作，输出给除冰装置，精确地控制加热模式，减少不必要的用电量，提高除冰整体系统的利用率。同时通过叶片温度传感器和浪涌保护模块对整个独立系统进行保护，增强了除冰系统的安全性和可靠性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所述的技术方案进行修订，或者对其中部分技术特性进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修订、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机组的除冰控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：
a) 根据叶片结冰检测装置检测的数据传送给塔顶控制柜来判定叶片是否结冰，确定除冰装置是否启动；
b）塔顶控制柜根据叶片结冰检测装置检测的数据分析结冰程度，判定除冰装置的加热模式；
c）塔顶控制柜将判定的加热模式传输给除冰装置，除冰装置执行相应的加热模式；
d）叶片结冰检测装置每隔一定时间进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式；
所述的加热模式分为防冰模式和除冰模式；
加热控制流程为：环境参数检测装置通过温湿度传感器获得温度T1和湿度RH1，若T1≤2℃、RH1≥80%则对环境和叶片结冰情况进行检测，否则继续检测环境参数，通过环境结冰探测装置检测环境是否结冰：未结冰=0、结冰=1，通过叶片结冰检测装置检测叶片表面是否结冰：未结冰=0、结冰=1；如果环境和叶片都未结冰，即环境=0、叶表=0，则不开启除冰系统；如果环境结冰叶片表面未结冰，即环境=1、叶表=0，除冰装置则执行防冰模式；如果叶表结冰，即环境=0、叶表=1或环境=1、叶表=1，除冰装置则执行除冰模式；叶片结冰检测装置每隔5分钟进行数据刷新，进行重新判定是否加热以及加热模式；防冰模式的运行功率为15KW，除冰模式的功率为25KW，为了能够节省除冰系统的能量消耗，除冰模式具备变功率运行模式，根据叶片表面温度进行调整功率的应用情况，若叶片表面温度满足除冰要求，则调整降低功率维持除冰能力，通过小功率的加热模块的启停保证除冰的功能性和节能性；除冰装置根据系统所判定的加热模式进行选择防冰还是除冰模式进行；
所述的环境结冰探测装置为具备谐振式结冰传感器、光纤结冰传感器、超声波式传感器或红外非接触式传感器的结冰探测装置。
2.一种如权利要求1所述的用于风力发电机组的除冰控制方法实现的除冰系统，其特征在于：所述的系统包括塔底配电柜、塔顶控制柜、结冰检测装置、除冰装置和加热保护装置，所述的塔底配电柜用于为独立于机组的除冰系统进行供电的配电总柜；所述的塔顶控制柜是对除冰系统的数据采集进行分析处理并且做出执行策略的中央处理器；所述的结冰检测装置是对叶片表面结冰情况进行采集为系统控制策略提供数据支持的检测装置；所述的除冰装置是通过加热的方式除去叶片表面结冰保证风力发电机组正常运行的加热装置；所述的加热保护装置是通过对叶片加热温度的实时监测来保证除冰系统安全运行的保护装置；所述结冰检测装置与所述塔顶控制柜连接，所述塔顶控制柜与所述除冰装置连接。
3.如权利要求2所述的除冰系统，其特征在于：所述的塔顶控制柜安装在轮毂内或者安装在机舱内。
4.如权利要求2或3所述的除冰系统，其特征在于：所述的结冰检测装置包括环境参数检测装置、环境结冰探测装置和叶片结冰检测装置。
5.如权利要求4所述的除冰系统，其特征在于：所述的环境参数检测装置包括能够测量温度和湿度的传感器。
6.如权利要求4所述的除冰系统，其特征在于：所述的叶片结冰检测装置包括安装在叶片内部安装二维光纤光栅加速度传感器，或安装在叶片表面的光纤。
7.如权利要求2或3所述的除冰系统，其特征在于：所述的除冰装置的加热方式为热鼓风式、电热膜式或者热鼓风电热膜混合式。
8.如权利要求2或3所述的除冰系统，其特征在于：所述的加热保护装置包括叶片温度传感器和浪涌保护模块。
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