成都阜特科技股份有限公司副总苗强：风电控制系统在结冰地区应用

　　

 

　　苗强：非常高兴组委会给我们这个机会把我们的主题汇报一下。我的标题是“风电控制系统在结冰地区应用”，我们简单的说一下，因为我们公司在西南地区的业务比较多，实际上除了高山、山地环境、高原环境比较多以外，其实结冰是遇到的一个很大的问题，我们公司的产品是主控变桨，我们第三电器的产品就是做除冰控制，现在言归正传。

 

　　我这个题目分为四个部分，因为我们做主控变桨有很长一段时间了，到目前为止今年是第十个年头，我们主控变桨能做得东西，包括标准的参与等等这些东西都做得比较多，实际上我们就开始在三年前做除冰的控制，但是这个除冰控制在国内发展相对比较缓慢。我们第一台样机做完以后三年之内没有任何人来跟我们谈这方面的实质的地方，这个过程中我们就参加了国际能源署的一个项目，今天讲的重要的内容就是这个项目中间的一些内容。

 

　　风电组结冰有什么危害？大家不说大概也清楚，我主要就是两点：第一点就是说我们有一个安全的风险，一般来说有两种，风机停下来是坠冰，如果风机转起来就会甩冰，同时掉下来的冰可能大家没见过，可能几公斤甚至十几公斤的都有，人员和在下面的包括输电线，箱变这些都有极大的危险。第二就是机组损失，机组损失主要第一就是传感器失效，因为我们也做超声波的风速风向仪，每年都跟用户折腾，都不能解决结冰的问题。实际上什么原因？原因并不是因为我们探头被封堵了，气象架都变成冰棍了。然后是启动外形的改变，就是风机叶片发生了很大的变化，表面的粗糙度还有相应的东西都会发生变化。整体的叶轮质量增加，增加没有关系，关键是有可能不平衡。损害大家清楚，最简单就是设备停机，然后就是整个风机的状态下运行效率会下降，下降到什么程度，待会儿我们会说一下。然后就是机组载荷增加，增加疲劳。

 

　　国际能源署TASK19主要是协调整个国际上的节能，保证我们能够拿到比较便宜的石油价格，是他们成立的初衷。他们下面很多的组委会都是以节能方式为主的，TASK19项目就是说寒冷气候条件下风能的利用，目标就是收集寒冷气候下的科研成果，为寒冷漆黑条件下多风场，建设、运营、维护、环境等安全方面提供有效信息。研究成果交流与合作搭建有利平台。属性就是项目经费自筹，研究成果共享。国内主要是由中国空气动力研究院牵头，我们金风包括华南理工大学、汕头大学和我们都参与到这个组织当中来。

 

　　首先这就是他去年的一些研究成果，他们把寒冷气候条件下的风电分为两个部分，一个是结冰的，一个是低温的。每年市场从2015年、2020年他有一个预测，一个增长的趋势。结冰环境就是超过全年1%或者是气象结冰期超过全年5%，实际结冰期是气象结冰区。低温环境就是年平均气温低于0度或者全年超过9天日平均气温低于负20度的情况。

 

　　第二个研究成果就是它把结冰分为了五个区域，一级、二级、三级、四级、五级，分为气象结冰期和仪器检测到的结冰期，另外还有一个产值减少的这部分，相当于我们风场一样他们做了一个简单的分类。

 

　　下面一个就是他们最近发布的一个结冰的地图，从这个图上大家可以看到，我们中国还算好，真正的结冰区域主要是发生在欧洲，甚至是北欧。红色的点就是它的损失率会超过20%的情况，实际上大家看到我们在中国的南方地区比北方地区为什么他这个问题还更严重一些？因为南方季风空气湿度比较大，而且山地比较多，所以说这种结冰的条件比北方甚至更好。因为我们第一个风场就是在东北地区，我们发现他的真正的很多时候都是干的冰霜，真正的结冰我们真的是在南方地区比较多一些，而且我们试验的风场主要也是在贵州和四川地区，云南地区。

 

　　他发布了一个结冰损失标准预估软件，这个软件基于SCADA数据，然后把不同的结冰情况下以及风机的实际运行效果都做了一个标准图形的定义，就是说如果你低于这个情况下就考虑防除冰系统是不是健全或者是不是有效。

 

　　结冰计算模型的对比，现在比较流行的结冰模型一共分了九类，他是根据九类不同的优势有些不同，然后他对所有的这些软件进行了一些测试，大概是这样一个情况。

 

　　另外一种防除冰的系统做了一些对比，放除冰系统主要分为四大类，分为主动的和被动的，主动的就包括防冰和除冰的，防冰、除冰实际分了这么多类以后主要还是分为热气法、电热法、微波法、涂层法，我们公司对热气法和电热法系统都有一些尝试，实际上我们总体感觉电热法的实际效果要高于热气法，因为热气法一个它的除冰的时间比较长，第二它的效率也比较低，国内许多企业优先考虑的也是电热法。另外就是说涂层和微波，在国内涂层实际上用的比较多，但是由于我们国家特别是在沙漠或者是隔壁区域风沙情况比较严重，它的涂层耐久性不太好，所以一般我们真正遇到比较严峻的气候条件的话，更多采用的是电热法。

 

　　整个风力机的测试方案分为四个阶段，就是说在防冰、除冰系统四个系统做完了以后四个阶段，第一就是结冰风洞实验，第二是环境风洞，我们组里面农业大学他们有相应的小型的配置，第三是样机测试和风场测试，分为四个步骤。

 

　　最后他把这个冰脱落建立了一个判别标准也列出了一个公式，这个公式主要和塔架的高度和叶轮的直径有一定的关系，是它们合的1.5倍，在这个范围内我们可以定义为这个是冰甩出去的一个定义。第二就是冰坠落区跟它的叶轮的直径影响就不是很大了，主要是它和风速有一定的关系。那么根据这样不同的风速和叶轮直径的情况下，他就做了一个相当于危险的图示，就是说越是红的地方越是可能导致冰会散落下来的风险比较大，这种情况下可以采取相应不同的措施，比如说道路、输电线的布置，可以考虑这样的一个图像的因素。

 

　　具体的防除冰技术我们把它分为四个简单的阶段，第一是测冰，一般测冰的方法比较多，分为物理法和工况法，物理法比如电法、机械法，还有波导法，总之有很多的方法。比如说我们右下角的这个东西，它用的主要是超声波的原理。国内也有采光激光原理的，这是它的物理法，实际探测某一个点位在那个地方的冰的覆盖情况。

 

　　具体的我们还有一种方法叫工况法，工况法无非就是两种，一种就是根据功率曲线大家推算它的结冰，另外一个就是根据叶片的载荷，我们公司所做的产品主要还是叶片载荷，利用光纤载荷传感器测量叶片的载荷，来分析叶片的情况。初步我们做了一个估算，单支叶片大概50公斤左右的积冰就可以有一定的反应了，但是这个好处就是它比较真实的反应这个叶片的情况，而不是某一个点的抽象。

 

　　第二就是防冰方法，第三就是化学涂层，另外我们现在打上蓝色的启动调节，因为风机有各种模式，实际上我们正在探索如果采用特殊的工角，其实在初期就对覆冰有很大的改善。除冰方法我们有热风法和碳膜法，具体的方法就是我们可以通过局部的冰进行推测，更可以采用现在大数据的方法。

 

　　我们引用了加拿大阿尔特大学研究Kent Hill风电数据为依据做了一些分析，主要的分析指得是用大数据的分析。

 

　　从大数据分析他用了很多种方法，最后确定了这种方法比较好，绿色的小店是实际测到的结冰的情况，蓝色的部分是大数据分析的结果，从这个结果上看已经非常接近它覆冰的情况。

 

　　所以我们现在基于两点，就是风机覆冰情况与工况和处理存在关联性，通过主动改变桨角及叶轮转速可以改善初期的覆冰状况。通过基于载荷反馈的联合控制，改善临界结冰条件下的风机运行工况对该并还是有一定好处的。

 

　　下面是我们实际做的情况，这是我们基于载荷的测量仪，这种设备我们已经用到独立变桨，实际上我们测冰只是最开始的负产品，独立变桨是最主要的，但是独立变桨和减冰运行这两点联合起来做的话将会有很好的效果，而且对整体风机的载荷控制这方面还是很好的。

 

　　测冰的原理有两种方法，一个是质量法，就是说根据它的载荷在它的正半圈和负半圈载荷的差别测量它多余的质量，第二个就是测风机叶片固有的振动频率，基于分布假设就是覆冰软件可以做相应的推算。

 

　　这是基于不同的测量方法，一个是它在正负半轴的弯距，覆冰条件和浮冰条件有一定的区别。第二是看结冰前和结冰后的频谱分析。

 

　　当然这个系统就不用说了，这是我们柜子里面常用的整个除冰系统结构，系统控制柜、探测仪、也跟亏之柜、碳膜热风加热系统，整个构成整体的系统。

 

　　这是我们一个框图，此前大家也了解过，我们的加热系统，机舱柜、轮毂柜、叶片都有相应的布置。这是实际的一些柜体的情况，这是一个样柜。

 

　　最终我们这个除冰系统主要的测冰原理除了用相应的测冰冰碳以外，我们比较力推的还是用载荷法，载荷法因为它是一套设备可以用到冰的探测和独立变桨，甚至叶片的健康监测，在多个方面都可以实现它的一些功能。然后这个产品主要还是应用在叶片上的话，因为它是用光作为它的探测机理，所以它从防雷以及抗电磁干扰这方面有比较优异的特性。对比应变片主要是它的寿命比较长，测试的非常快，这样的话相信各大主机厂以后都会有变桨方面的控制，实现这一套设备两种用途，我想，为大家可以节省不少的投资。好，我今天给大家报告的内容就这些，非常感谢大家！