CN108425812A - 一种风力发电机组叶片结冰软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组叶片结冰软测量方法，包括：(a)获取参考风速‑参考功率曲线；(b)若满足检测条件则获取所述机组的运行模式，执行步骤(c)；否则重新执行步骤(a)；(c)根据所述参考风速‑参考功率曲线以及所述运行模式，判断所述机组叶片是否结冰。本发明实施例，不需要增加额外的硬件设备，实现叶片的结冰检测。

Description

一种风力发电机组叶片结冰软测量方法

技术领域

本发明属于风力发电机组领域，具体涉及一种风力发电机组叶片结冰软测量方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。近5年来，世界风能市场每年都以40％的速度增长。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25％。现在，风能发电成本已经下降到1980年的1/5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。随着电力行业竞争的不断加剧，国内优秀的电力企业越来越重视对行业市场的研究，特别是产业环境的深度研究。

我国具备风资源开发潜力的地区主要集中在“三北”地区(东北、西北、华北)以及东南部区域。其中“三北”地区通常冬季气温较低，结冰现象十分严重。目前各整机制造厂商开发的低温型机组其本身的电气部件及机械部件设计能够满足“三北”地区湿冷低温环境要求，但在设计初期未考虑到叶片结冰现象严重性，部分机组不具有叶片加热除冰系统，且机组外部未安装有叶片结冰检测传感器，无法对叶片结冰现象进行检测及加热除冰。湿冷的环境下极易出现叶片结冰现象，结冰现象严重时，一方面引起风力发电机组叶片气动性能的变化，导致叶片过载，叶片覆冰载荷分布不均，导致机组出力性能降低。另一方面，叶片旋转过程中，随着覆冰的黏着力下降，容易出现冰块脱落，造成人身安全的危害。

基于叶片结冰对机组运行稳定性、安全性的影响及对人身安全的危害，目前有采用在机舱外部/叶片上安装结冰检测传感器进行叶片结冰检测。考虑到传感器长期暴露在湿冷的空气中，受各种气候环境影响，传感器测量的精准性有待验证。另外在传感器出现故障时，维护人员进行传感器更换难度非常大。

因此，提出一种更加准确和可靠的结冰检测方法成为目前研究的热点问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种风力发电机组叶片结冰软测量方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种风力发电机组叶片结冰软测量方法，包括：

(a)获取参考风速-参考功率曲线；

(b)若满足检测条件则获取所述机组的运行模式，执行步骤(c)；否则重新执行步骤(a)；

(c)根据所述参考风速-参考功率曲线以及所述运行模式，判断所述机组叶片是否结冰。

在本发明的一个实施例中，检测条件包括：

所述外部环境温度低于预设结冰检测温度值、所述第一实时风速值高于预设结冰检测风速值、所述机组未触发故障停机并且所述机组的发电机转速值不在塔架共振区转速范围内。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)之前还包括：

获取所述机组的外部环境温度、第一实时风速值以及所述机组的发电机转速值。

在本发明的一个实施例中，所述机组的运行模式分为并网非限功率模式和并网限功率模式。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：

若所述机组的运行模式为并网非限功率模式，则根据所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰；否则若所述机组的运行模式为并网限功率模式，则根据所述机组实际输出功率值，功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰。

在本发明的一个实施例中，所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

所述机组实际输出功率值低于第二实时风速值对应的所述参考功率值与所述非限功率模式预设比例阈值的乘积则判断所述机组叶片结冰；否则判断所述机组叶片不结冰。

在本发明的一个实施例中，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与所述限功率模式预设比例阈值的乘积则判断所述机组叶片结冰；否则判断所述机组叶片不结冰。

在本发明的一个实施例中，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当第三实时风速值高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和时，若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与限功率模式预设第一比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第一比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

在本发明的一个实施例中，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和，并高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与限功率模式预设第二比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第二比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

在本发明的一个实施例中，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，若所述机组的实际输出功率值低于所述参考功率值与限功率模式预设第三比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第三比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明通过对已有风力发电机组运行数据的对比分析及控制算法优化，在不增加外部硬件设备的前提下，实现叶片结冰检测；

(2)与现有的采用安装叶片结冰传感器的方法相比，具有免维护，降低硬件成本的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组叶片结冰软测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种风力发电机组叶片结冰软测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组叶片结冰软测量方法的流程示意图。一种风力发电机组叶片结冰软测量方法，包括：

(a)获取参考风速-参考功率曲线；

(b)若满足检测条件则获取所述机组的运行模式，执行步骤(c)；否则重新执行步骤(a)；

(c)根据所述参考风速-参考功率曲线以及所述运行模式，判断所述机组叶片是否结冰。

本实施例，通过形成参考风速-参考功率曲线，同时根据风力发电机组的运行模式，判断叶片结冰的可能性，在不增加外部硬件设备的前提下，实现了叶片的结冰检测。

实施例二

请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种风力发电机组叶片结冰软测量方法的流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对风力发电机组叶片结冰的测量方法进行详细描述。具体地，

一种风力发电机组叶片结冰软测量方法，包括：

(S10)在机组叶片不结冰的情况下，获取参考风速-参考功率曲线；

在非限功率模式下，所述机组运行的风速值与其输出功率值一一对应，形成一系列参考风速-参考功率值，并存储在控制系统中。其中运行的风速值为参考风速值，与其对应的输出功率值为参考功率值。

优选地，所述控制系统为PLC控制系统。

(S11)获取所述机组的外部环境温度、第一实时风速值以及所述机组的发电机转速值。

(S12)若满足检测条件则获取所述机组的运行模式，执行步骤(c)；否则重新执行步骤(a)；

若所述外部环境温度低于预设结冰检测温度值、所述第一实时风速值高于预设结冰检测风速值、所述机组未触发故障停机并且所述机组的发电机转速值不在塔架共振区转速范围内，则获取所述机组的运行模式，执行下一步骤；否则重新执行步骤(a)。

当所述机组的发电机转速值处于塔架共振区间的转速范围内，不需要检测所述机组的叶片结冰情况，因为此时所述机组与所述塔架存在共振情况，需快速通过所述塔架，此时，所述机组的转矩降低和功率都降低，因此所述控制系统可能存在误判情况，因此不需要检测所述机组的叶片结冰情况。

进一步地，所述机组的运行模式分为并网非限功率模式和并网限功率模式。

进一步地，根据所述机组的功率给定值来判断所述机组的运行模式，所述功率给定值为所述控制系统或功率管理系统向所述机组发送的功率限定值。若所述功率给定值等于所述机组额定功率值，则判断是并网非限功率模式，若所述功率给定值小于所述机组额定功率值，则判断是并网限功率模式。

若判断所述机组不属于任何一种模式，表示所述机组故障停机或所述风力发电机组未并网运行，则重新执行步骤(a)。

(S13)根据所述参考风速-参考功率曲线以及所述运行模式，判断所述机组的叶片是否结冰。

在一个小时内，每间隔固定时间进行一次叶片结冰检测，重复执行步骤(S11)，获取所述机组的运行模式，并分别在不同的所述运行模式下进行所述叶片的结冰检测。其中，所述固定时间优选为5分钟。

若所述机组的运行模式为并网非限功率模式，则在所述并网非限功率模式下进行所述叶片的结冰检测；若所述机组的运行模式为并网限功率模式，则在所述并网限功率模式下进行所述叶片的结冰检测。

若第一结冰判定条件、第二结冰判定条件、第三结冰判定条件、第四结冰判定条件满足任意其中之一，则可判定叶片结冰。

其中，第一结冰判定条件、第二结冰判定条件、第三结冰判定条件、第四结冰判定条件如下：

第一种情况，若所述机组的运行模式为并网非限功率模式，所述控制系统每隔固定时间，读取所述机组第二实时风速值以及实际输出功率值，并与所述第二实时风速值对应的所述参考功率值进行对比，所述参考功率值为第二实时风速值通过所述参考风速-参考功率曲线得出的功率值。根据所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰。

进一步地，所述非限功率模式预设比例阈值的可调范围为所述机组额定功率值的50％～90％。

优选地，所述非限功率模式预设比例阈值的设定值为所述机组额定功率值的65％。

进一步地，所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

若所述机组实际输出功率值低于所述第二实时风速值对应的所述参考功率值与所述非限功率模式预设比例阈值的乘积，可初步判断所述机组的叶片存在结冰可能性。

具体地，第一结冰判定条件为：若在一个小时内重复出现第一种情况下所述机组实际输出功率值低于所述第二实时风速值对应的所述参考功率值与所述非限功率模式预设比例阈值的乘积的次数超过3次，可判断所述机组的叶片已结冰，反之则判断所述机组的叶片未结冰。

第二种情况，若所述机组的运行模式为并网限功率模式，在所述并网限功率模式下所述机组的叶片结冰检测引入预设偏差风速值。所述预设偏差风速值的引入在于避免所述并网限功率模式下所述机组误报叶片结冰，尤其是在实际风速值高于当前所述功率给定值通过所述参考风速-参考功率曲线得出的对应参考风速情况下，同时用于进行所述并网限功率模式下的区间划分。则根据所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰，所述参考功率值为所述功率给定值或第三实时风速值通过所述参考风速-参考功率曲线得出的功率值。

进一步地，所述限功率模式预设比例阈值的可调范围为所述机组功率给定值的50％～90％。

进一步地，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与所述限功率模式预设比例阈值的乘积则判断所述机组叶片结冰；否则判断所述机组叶片不结冰。

进一步地，所述控制系统每隔固定时间，读取所述机组第三实时风速值与实际输出功率值，根据当前功率给定值得出所述参考风速值，同时根据所述机组的第三实时风速值、功率给定值得出的参考风速值、预设偏差风速值三者之间的关系将所述并网限功率模式的检测划分为第一区间、第二区间和第三区间并进行相应的叶片结冰检测。

进一步地，当第三实时风速值高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和时，则划分为所述第一区间，若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与所述限功率模式预设第一比例阈值的乘积，可初步判断叶片存在结冰可能性，其中，所述限功率模式预设第一比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

优选地，所述限功率模式预设第一比例阈值的设定值为所述机组功率给定值的80％。

具体地，第二结冰判定条件为：若在一个小时内重复出现第二种情况下所述第一区间所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与所述限功率模式预设第一比例阈值的乘积的次数超过3次，可判断所述机组的叶片已结冰，反之则判断所述机组的叶片未结冰。

进一步地，当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和，并高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，则划分为所述第二区间，若得到在所述第二区间所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与所述限功率模式预设第二比例阈值的乘积，可初步判断叶片存在结冰可能性，其中，所述限功率模式预设第二比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

优选地，所述限功率模式预设第二比例阈值的设定值为所述机组功率给定值的70％。

具体地，第三结冰判定条件为：若在一个小时内重复出现第二种情况下所述第二区间所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与所述限功率模式预设第二比例阈值的乘积的次数超过3次，可判断所述机组的叶片已结冰，反之则判断所述机组的叶片未结冰。

进一步地，当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，则划分为所述第三区间，若所述机组的实际输出功率值低于所述参考功率值与所述限功率模式预设第三比例阈值的乘积，可初步判断叶片存在结冰可能性，其中，所述限功率模式预设第三比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

优选地，所述限功率模式预设第三比例阈值的设定值为所述机组功率给定值的65％。

具体地，第四结冰判定条件为：若在一个小时内重复出现第二种情况下所述第三区间所述机组的实际输出功率值低于所述参考功率值与所述限功率模式预设第三比例阈值的乘积的次数超过3次，可判断所述机组的叶片已结冰，反之则判断所述机组的叶片未结冰。

本发明通过这种方法，可以达到以下有益效果：

1.本发明的方法可以不需要增加额外的硬件设备，实现了风力发电机组叶片的结冰检测。

2.本发明的方法可以使叶片结冰检测的结果更准确。

3.本发明的方法可以避免维护人员进行传感器更换，减少了维护人员的工作量。

4.本发明的方法降低了硬件成本。

实施例三

请再次参见图2，本实施例在上述实施例的基础上，重点对风力发电机组叶片结冰测量的步骤实施进行了详细说明。

(S20)控制系统检测并存储运行工况风速，风速值。

(S21)外部环境温度/风速条件/机组故障等级判断是否满足结冰检测要求，是则执行下一步，否则重新执行步骤(S20)。

(S22)机组发电机转速不在塔架共振区范围内，是则执行下一步，否则重新执行步骤(S20)。

(S23)获取所述机组是否处于运行模式，是则执行下一步，否则重新执行步骤(S20)。

(S24)判断所述机组的运行模式是否为并网非限功率模式，是则判断当前风速下所述机组实际功率值是否小于参考功率值与非限功率模式预设比例阈值乘积，若所述机组实际功率值小于参考功率值与非限功率模式预设比例阈值乘积的结果为是，则进行重复判断，多次重复判断结果为是，则判断所述叶片结冰，多次重复判断结果为否，则重新执行步骤(S20)；若所述机组实际功率值小于参考功率值与非限功率模式预设比例阈值乘积的结果为否，则进行重复判断，多次重复判断结果为是，则判断所述叶片未结冰。

(S25)若判断所述机组的运行模式为并网非限功率模式的结果为否，则判断所述机组的运行模式是否为并网限功率模式，是则执行下一步，否则重新执行步骤(S20)。将所述并网限功率模式下的检测划分为三个区间进行分别检测，在实施例二中已经详细描述过，此处不再赘述。

(S26)判断当前风速下机组实际功率值是否小于参考功率值/给定功率值与限功率模式预设比例阈值乘积，若所述机组实际功率值小于参考功率值/给定功率值与限功率模式预设比例阈值乘积的结果为是，则进行多次重复判断，多次重复判断结果为是，则判断所述叶片结冰；多次重复判断结果为否，则重新执行步骤(S20)；若所述机组实际功率值小于参考功率值/给定功率值与限功率模式预设比例阈值乘积的结果为否，则进行多次重复判断，多次重复判断结果为否，则判断所述叶片未结冰。

本发明实施例，不需要增加额外的硬件设备，实现了风力发电机组叶片的结冰检测，降低了硬件成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组叶片结冰软测量方法，其特征在于，包括：

(a)获取参考风速-参考功率曲线；

(b)若满足检测条件则获取所述机组的运行模式，执行步骤(c)；否则重新执行步骤(a)；

(c)根据所述参考风速-参考功率曲线以及所述运行模式，判断所述机组叶片是否结冰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测条件包括：

所述外部环境温度低于预设结冰检测温度值、所述第一实时风速值高于预设结冰检测风速值、所述机组未触发故障停机并且所述机组的发电机转速值不在塔架共振区转速范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)之前还包括：

获取所述机组的外部环境温度、第一实时风速值以及所述机组的发电机转速值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机组的运行模式分为并网非限功率模式和并网限功率模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括：

若所述机组的运行模式为并网非限功率模式，则根据所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰；否则若所述机组的运行模式为并网限功率模式，则根据所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述机组实际输出功率值、第二实时风速值对应的所述参考功率值与非限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

若所述机组实际输出功率值低于所述第二实时风速值对应的所述参考功率值与所述非限功率模式预设比例阈值的乘积则判断所述机组叶片结冰；否则判断所述机组叶片不结冰。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值或所述第三实时风速值对应的所述参考功率值与所述限功率模式预设比例阈值的乘积则判断所述机组叶片结冰；否则判断所述机组叶片不结冰。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当第三实时风速值高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和时，若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与限功率模式预设第一比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第一比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之和，并高于或等于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，若所述机组的实际输出功率值低于所述功率给定值与限功率模式预设第二比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第二比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机组实际输出功率值、功率给定值或第三实时风速值对应的所述参考功率值与限功率模式预设比例阈值之间的关系判断是否结冰包括：

当所述第三实时风速值小于所述功率给定值得出的参考风速值与预设风速偏差之差时，若所述机组的实际输出功率值低于所述参考功率值与限功率模式预设第三比例阈值的乘积，则判断所述机组叶片结冰，其中，所述限功率模式预设第三比例阈值属于所述限功率模式预设比例阈值范围内。