CN216111128U - 一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统 - Google Patents

一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统 Download PDF

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CN216111128U CN202122504704.0U CN202122504704U CN216111128U CN 216111128 U CN216111128 U CN 216111128U CN 202122504704 U CN202122504704 U CN 202122504704U CN 216111128 U CN216111128 U CN 216111128U
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蔺雪峰
郑磊
许扬
李媛
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Abstract

本实用新型公开的一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，属于风力发电技术领域。包括正弦信号电源、数据处理系统、计算机、至少1个第一电容器和第二电容器。通过在叶片表面的同一平面分别沿叶片弦向和展向贴附设置电容器，基于每个电容器，使用同一个正弦信号电源构建了独立的RC谐振电路，电容器的电容值的变化与电极板间介质的变化直接相关，当电极板上方及两块电极板间的准圆弧电力线区域出现覆冰时，电容器的端电压发生变化。本实用新型实现了对目标区域内叶片表面的覆冰的有效监测，并为覆冰的发展特性提供了有效的数据，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。

Description

一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统
技术领域
本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统。
背景技术
南方低风速地区与部分高风速地区的风电场中，在冬季及春季普遍存在着较为严重的冰冻问题。风电机组出现覆冰的普遍特点是气温在-10℃以上，在南方地区的冬季，当温度降到0℃时在风电机组及风机叶片上都会出现结冰情况。叶片覆冰改变了叶片的气动外形与重量分布及频率，打破了叶片载荷平衡，将导致叶片及风轮的振动等问题，对风电机组的运行、风电机组的经济性与安全性产生直接影响。
当风电机组叶片出现覆冰，需借助于热鼓风除冰、电加热除冰等方法除去叶片表面覆冰，保证风电机组在低温气象条件下的正常运行。而风机叶片的智能除冰系统需要建立在对叶片覆冰的准确预测与监测上，比如，若能检测到叶片表面的薄覆冰，除冰系统即以较小功率启动运行，既能有效除冰，又降低了除冰系统的能耗，对于整个除冰系统的智能化运行与经济性的提升具有明显作用。而目前的叶片覆冰监测系统，虽然在一定程度上能够实现对目标区域内叶片表面的覆冰监测，但是对覆冰形成与发展趋势的分析和预测，还是达不到理想的效果。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，系统构建简单，实现了对目标区域内叶片表面的覆冰的有效监测，并为覆冰的发展特性提供了有效的数据，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，包括正弦信号电源、数据处理系统、计算机、至少1个第一电容器和至少1个第二电容器；
第一电容器包括尺寸相同的第一电极板和第二电极板，第一电极板和第二电极板相互平行地贴附在叶片表面，且长度方向与叶片的弦向平行；第二电容器包括尺寸相同的第三电极板和第四电极板，第三电极板和第四电极板相互平行地贴附在叶片表面，且长度方向与叶片的展向平行；
第二电极板和第四电极板分别接地；正弦信号电源分别与数据处理系统、第一电极板和第二电极板连接，正弦信号电源与第一电极板之间设有第一分压电阻，正弦信号电源与第三电极板之间设有第二分压电阻；第一分压电阻与第一电极板之间设有第一电压测点，第二分压电阻与第三电极板之间设有第二电压测点；第一电压测点和第二电压测点分别与数据处理系统连接，数据处理系统与计算机连接；计算机与风电机组叶片防除冰控制系统通信互联。
优选地，数据处理系统包括整流检波器、低通滤波器和信号采集转化器，整流检波器的一端分别与第一电压测点和第二电压测点连接，另一端与低通滤波器连接，低通滤波器与信号采集转化器连接，信号采集转化器与计算机连接。
优选地，第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板的厚度小于1mm。
优选地，第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板的长度为2～5cm，宽度为1～2cm
优选地，第一电极板与第二电极板的间距为第一电极板宽度的1～1.5倍。
优选地，第三电极板与第四电极板的间距为第三电极板宽度的1～1.5倍。
优选地，计算机通过无线通信模块与风电机组叶片防除冰控制系统通信互联。
优选地，正弦信号电源、数据处理系统、计算机、第一分压电阻、第二分压电阻第一电压测点和第二电压测点均设在叶根内。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，通过在叶片表面的同一平面分别沿叶片弦向和展向贴附设置电容器，基于每个电容器，使用同一个正弦信号电源构建了独立的RC谐振电路，通过同平面电容器的电容分析计算，当电极板上方及两块电极板间的准圆弧电力线区域出现覆冰时，将引起电极板间电场强度的变化，即介质的相对介电常数的变化将影响感应电容值，电容器的电容值的变化与电极板间介质的变化直接相关。由于空气与冰的相对介电常数差别较大，电极板内出现覆冰后对电容值的变化影响较明显，提升了系统下游进行覆冰监测判断的准确性。通过监测各个电容器的端电压，根据端电压的变化趋势进行覆冰的形成与生长判断。本实用新型的整套监测系统构建简单，可以根据实际需求，在叶片弦向与展向上设置多个电容器，可监测长叶片不同区域的覆冰生长情况，系统监测到覆冰信号后，可与风电机组叶片防除冰控制系统进行通信，为系统的启动或停止提供控制信号。
进一步地，第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板的厚度小于1mm，易于安装，可直接粘附在叶片表面，对叶片表面结构及气动性能的影响可以忽略。
进一步地，长度为2～5cm，宽度为1～2cm，由于叶片表面形状不平整，电极片尺寸相对较小，易于在叶片表面贴附并形成同平面电容器。
进一步地，第一电极板与第二电极板的间距为第一电极板宽度的1～1.5倍，使得同平面电容器的电容值变化能被电路系统有效捕捉，且能具备一定的覆冰检测范围。若间距太大，电容值较小，不容易监测，而间距太小，覆冰检测范围也对应变小。
进一步地，第三电极板与第四电极板的间距为第三电极板宽度的1～1.5倍，使得同平面电容器的电容值变化能被电路系统有效捕捉，且能具备一定的覆冰检测范围。若间距太大，电容值较小，不容易监测，而间距太小，覆冰检测范围也对应变小。
进一步地，系统内除了若干电容器布设在叶片表面，其余均布设在叶根内的较大空间处，不会增加叶片的重量，不会影响叶片的性能。
附图说明
图1为本实用新型的系统整体结构示意图；
图2为同平面贴附式电容器的电极板尺寸与电场线示意图。
图中：1为正弦信号电源；2为第一分压电阻；3为第二分压电阻；4为第一电极板；5为第二电极板；6为第一电容器；7为第三电极板；8为第四电极板；9为第二电容器；11为叶片；12为叶根；13为整流检波器；14为低通滤波器；15为信号采集转化器；16为计算机；。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
如图1，本实用新型的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，在风电机组的叶片11需要进行覆冰检测与监测的叶片表面构建叶片贴附式电容器。在本实施例中，分别以叶片11的弦向与展向两个方向上列举两个叶片贴附式电容器进行说明。在实际应用中，可结合实际覆冰监测需求在叶片的弦向或展向上设计并布置不同数量的电容器及监测电路，其原理相似。
第一电容器6的两个电极板(第一电极板4和第二电极板5)的尺寸相同，其长度方向平行于叶片11的弦向。第二电容器9的两个电极板(第三电极板7和第四电极板8)的尺寸相同，其长度方向平行于叶片11的展向。
以第一电容器6为例，如图2所示，两个电容器的电极板的尺寸相同(长度L，宽度W和厚度T)，其厚度T在1mm左右。电极板的长度L与宽度W可结合叶片覆冰检测的需求区域等具体设计确定，通常地，其长度L可选在2～5cm，宽度W在1～2cm，两个电极板的间距d选为宽度W的1～1.5倍。较薄的电容器电极板可直接粘附在叶片表面，对叶片表面及气动性能的影响可以忽略。
基于第一电容器6和第二电容器9构建2个独立的RC串联谐振电路，对于第一电容器6，导线分别连接第一电极板4和第二电极板5后穿过叶片11并沿着叶片11的内表面固定并引导至叶片11的叶根12处。第二电极板6的连接导线做接地处理，在叶根12内固定以正弦信号电源1，在第一电容器6与正弦信号电源1之间合适位置用导线连接以第一分压电阻2，将第一分压电阻2固定在叶根12处内表面。同样地，在第三电极板7、第四电极板8、第二分压电阻3与正弦信号电源1间构建RC串联电路，第四电极板8的连接导线做接地处理。
在第一分压电阻2与第一电极板4之间靠近叶根12的合适位置设置第一电容器6的第一电压监测点，在第二分压电阻3与第三电极板7之间设置第二电容器9的第二电压监测点，连同正弦信号电源1非接地端的电压输出端，分别连接至整流检波器13的不同通道，监测电压信号经过低通滤波器14及信号采集转化器15后进入计算机16进行存储并分析。
对于第一电容器6的监测电路，第一电容器6的端电压U1c有：
Figure BDA0003309242150000051
Figure BDA0003309242150000061
其中：X1c为第一电容器6的阻抗，w和
Figure BDA0003309242150000062
分别为电源输出电压的频率和初相位。
对于叶片贴附式电容器，如图2所示(用近似半圆弧代替实际电场线)，第一电容器17的电容C1有
Figure BDA0003309242150000063
其中：εr1为第一电极板4和第二电极板5间介质的相对介电常数，k为静电力常量。由公式6可知，在本实施例中，当同平面贴附式电容器的电极板尺寸与相对位置确定后，其电容值仅随相对介电常数εr变化。
对于第二电容器9，亦有：
Figure BDA0003309242150000064
其中，εr2为第三电极板7和第四电极板8间介质的相对介电常数。两个分压电阻的电阻值相同，即R1＝R2。
从上述公式可知，当电容器的电极板上出现覆冰或是电极板间的电力线区域出现覆冰后，介质的相对介电常数将会从纯空气(εr＝1)过渡到纯冰(εr＝3～4)，覆冰的出现增加了电容值，导致端电压(U1c或U2c)减小，与电源输出电压
Figure BDA0003309242150000071
的相位差(
Figure BDA0003309242150000072
或
Figure BDA0003309242150000073
)变小。
结合图1可知，计算机16采集并记录了正弦信号电源1的输出电压
Figure BDA0003309242150000074
第一电容器6的端电压
Figure BDA0003309242150000075
和第二电容器9的端电压
Figure BDA0003309242150000076
将这3个信号分别绘制时间发展曲线，并提取
Figure BDA0003309242150000077
与
Figure BDA0003309242150000078
的曲线每个正弦波的幅值(A1c与A2c)，以及
Figure BDA0003309242150000079
与
Figure BDA00033092421500000710
曲线与
Figure BDA00033092421500000711
曲线的相位差(
Figure BDA00033092421500000712
与
Figure BDA00033092421500000713
)，综合进行叶片表面覆冰情况的监测(由于弦向布置的第一电容器6和展向布置的第二电容器9功能一样，下文更多地以第一电容器6为例进行覆冰监测说明)：
1.若
Figure BDA00033092421500000714
和
Figure BDA00033092421500000715
的时间发展曲线各自保持不变，即幅值A1c与A2c以及相差
Figure BDA00033092421500000716
与
Figure BDA00033092421500000717
保持不变，且两条曲线近乎重合，说明两个同平面贴附式电容器的两个电极板的上方介质保持不变(为空气)，叶片上无覆冰形成；
2.若
Figure BDA00033092421500000718
的时间发展曲线出现了波形的变化，即
Figure BDA00033092421500000719
曲线的A1c和
Figure BDA00033092421500000720
分别变小，说明第一电容器6电极板上方出现了覆冰。同样地，结合
Figure BDA00033092421500000721
曲线的波形变化(即
Figure BDA00033092421500000722
曲线出现A2c和
Figure BDA00033092421500000723
分别变小的情况)对第二电容器9的电极板所在区域进行覆冰判断；
若
Figure BDA00033092421500000724
与
Figure BDA00033092421500000725
的时间发展曲线如上所述均出现了覆冰：
2.1若
Figure BDA00033092421500000726
与
Figure BDA00033092421500000727
曲线的幅值(A1c与A2c)和相位差(
Figure BDA00033092421500000728
与
Figure BDA00033092421500000729
)都出现持续下降的变化趋势，说明两个电容器的电极板所在区域覆冰处于生长情况，即覆冰不断增加。
2.2对比
Figure BDA00033092421500000730
与
Figure BDA00033092421500000731
的曲线，即综合对比幅值(A1c与A2c)和相位差(
Figure BDA00033092421500000732
与
Figure BDA00033092421500000733
)的数值，可以对两个电容器所处的不同叶片区域的覆冰情况展开对比。
2.3若
Figure BDA00033092421500000734
曲线的幅值A1c和相位差
Figure BDA00033092421500000735
在持续下降后趋于稳定，说明第一电容器6的电极板上方以及两个电极板间的电力线区域充满了覆冰。由于本实施例中设计的同平面贴附式电容器的物理结构，可认为在电极板和电极板间的叶片表面都出现了覆冰，且覆冰充满了电极板间电力线的空间。同样地，若
Figure BDA0003309242150000081
曲线的幅值A2c和相位差
Figure BDA0003309242150000082
在持续下降后趋于稳定，说明第二电容器9的电极板和电极板间的叶片表面都出现了覆冰，且覆冰充满了电极板间电力线的空间。此时，
Figure BDA0003309242150000083
与
Figure BDA0003309242150000084
曲线重新接近于重合。
计算机16分析并监测到覆冰形成与发展的信号后，可以通过无线传播的方式将相关数据传输至风电机组的防除冰系统，为系统的启动或停止提供启停信号。
该方法自动化程度高，实现了对目标区域内叶片表面的覆冰形成与发展的有效监测，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。通过电容器的端电压正弦函数的幅值和该函数与正弦电源函数的相差的时间发展特性进行覆冰判断，监测电容器两端电压的幅值与相差的变化，可直接进行覆冰判断且灵敏度高。
需要说明的是，以上所述仅为本实用新型实施方式的一部分，根据本实用新型所描述的系统所做的等效变化，均包括在本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，包括正弦信号电源(1)、数据处理系统、计算机(16)、至少1个第一电容器(6)和至少1个第二电容器(9)；
第一电容器(6)包括尺寸相同的第一电极板(4)和第二电极板(5)，第一电极板(4)和第二电极板(5)相互平行地贴附在叶片(11)表面，且长度方向与叶片(11)的弦向平行；第二电容器(9)包括尺寸相同的第三电极板(7)和第四电极板(8)，第三电极板(7)和第四电极板(8)相互平行地贴附在叶片(11)表面，且长度方向与叶片(11)的展向平行；
第二电极板(5)和第四电极板(8)分别接地；正弦信号电源(1)分别与数据处理系统、第一电极板(4)和第二电极板(5)连接，正弦信号电源(1)与第一电极板(4)之间设有第一分压电阻(2)，正弦信号电源(1)与第三电极板(7)之间设有第二分压电阻(3)；第一分压电阻(2)与第一电极板(4)之间设有第一电压测点，第二分压电阻(3)与第三电极板(7)之间设有第二电压测点；第一电压测点和第二电压测点分别与数据处理系统连接，数据处理系统与计算机(16)连接；计算机(16)与风电机组叶片防除冰控制系统通信互联。
2.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，数据处理系统包括整流检波器(13)、低通滤波器(14)和信号采集转化器(15)，整流检波器(13)的一端分别与第一电压测点和第二电压测点连接，另一端与低通滤波器(14)连接，低通滤波器(14)与信号采集转化器(15)连接，信号采集转化器(15)与计算机(16)连接。
3.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，第一电极板(4)、第二电极板(5)、第三电极板(7)和第四电极板(8)的厚度小于1mm。
4.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，第一电极板(4)、第二电极板(5)、第三电极板(7)和第四电极板(8)的长度为2～5cm，宽度为1～2cm。
5.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，第一电极板(4)与第二电极板(5)的间距为第一电极板(4)宽度的1～1.5倍。
6.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，第三电极板(7)与第四电极板(8)的间距为第三电极板(7)宽度的1～1.5倍。
7.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，计算机(16)通过无线通信模块与风电机组叶片防除冰控制系统通信互联。
8.根据权利要求1所述的基于同平面电容器的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，正弦信号电源(1)、数据处理系统、计算机(16)、第一分压电阻(2)、第二分压电阻(3)第一电压测点和第二电压测点均设在叶根(12)内。
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