成都阜特科技股份有限公司副總苗強：風電控制系統在結冰地區應用

　　

 

成都阜特科技股份有限公司副總苗強先生

 

　　苗強：非常高興組委會給我們這個機會把我們的主題匯報一下。我的標題是“風電控制系統在結冰地區應用”，我們簡單的說一下，因為我們公司在西南地區的業務比較多，實際上除了高山、山地環境、高原環境比較多以外，其實結冰是遇到的一個很大的問題，我們公司的產品是主控變槳，我們第三電器的產品就是做除冰控制，現在言歸正傳。

 

　　我這個題目分為四個部分，因為我們做主控變槳有很長一段時間了，到目前為止今年是第十個年頭，我們主控變槳能做得東西，包括標準的參與等等這些東西都做得比較多，實際上我們就開始在三年前做除冰的控制，但是這個除冰控制在國內發展相對比較緩慢。我們第一臺樣機做完以后三年之內沒有任何人來跟我們談這方面的實質的地方，這個過程中我們就參加了國際能源署的一個項目，今天講的重要的內容就是這個項目中間的一些內容。

 

　　風電組結冰有什么危害？大家不說大概也清楚，我主要就是兩點：第一點就是說我們有一個安全的風險，一般來說有兩種，風機停下來是墜冰，如果風機轉起來就會甩冰，同時掉下來的冰可能大家沒見過，可能幾公斤甚至十幾公斤的都有，人員和在下面的包括輸電線，箱變這些都有極大的危險。第二就是機組損失，機組損失主要第一就是傳感器失效，因為我們也做超聲波的風速風向儀，每年都跟用戶折騰，都不能解決結冰的問題。實際上什么原因？原因并不是因為我們探頭被封堵了，氣象架都變成冰棍了。然后是啟動外形的改變，就是風機葉片發生了很大的變化，表面的粗糙度還有相應的東西都會發生變化。整體的葉輪質量增加，增加沒有關系，關鍵是有可能不平衡。損害大家清楚，最簡單就是設備停機，然后就是整個風機的狀態下運行效率會下降，下降到什么程度，待會兒我們會說一下。然后就是機組載荷增加，增加疲勞。

 

　　國際能源署TASK19主要是協調整個國際上的節能，保證我們能夠拿到比較便宜的石油價格，是他們成立的初衷。他們下面很多的組委會都是以節能方式為主的，TASK19項目就是說寒冷氣候條件下風能的利用，目標就是收集寒冷氣候下的科研成果，為寒冷漆黑條件下多風場，建設、運營、維護、環境等安全方面提供有效信息。研究成果交流與合作搭建有利平臺。屬性就是項目經費自籌，研究成果共享。國內主要是由中國空氣動力研究院牽頭，我們金風包括華南理工大學、汕頭大學和我們都參與到這個組織當中來。

 

　　首先這就是他去年的一些研究成果，他們把寒冷氣候條件下的風電分為兩個部分，一個是結冰的，一個是低溫的。每年市場從2015年、2020年他有一個預測，一個增長的趨勢。結冰環境就是超過全年1%或者是氣象結冰期超過全年5%，實際結冰期是氣象結冰區。低溫環境就是年平均氣溫低于0度或者全年超過9天日平均氣溫低于負20度的情況。

 

　　第二個研究成果就是它把結冰分為了五個區域，一級、二級、三級、四級、五級，分為氣象結冰期和儀器檢測到的結冰期，另外還有一個產值減少的這部分，相當于我們風場一樣他們做了一個簡單的分類。

 

　　下面一個就是他們最近發布的一個結冰的地圖，從這個圖上大家可以看到，我們中國還算好，真正的結冰區域主要是發生在歐洲，甚至是北歐。紅色的點就是它的損失率會超過20%的情況，實際上大家看到我們在中國的南方地區比北方地區為什么他這個問題還更嚴重一些？因為南方季風空氣濕度比較大，而且山地比較多，所以說這種結冰的條件比北方甚至更好。因為我們第一個風場就是在東北地區，我們發現他的真正的很多時候都是干的冰霜，真正的結冰我們真的是在南方地區比較多一些，而且我們試驗的風場主要也是在貴州和四川地區，云南地區。

 

　　他發布了一個結冰損失標準預估軟件，這個軟件基于SCADA數據，然后把不同的結冰情況下以及風機的實際運行效果都做了一個標準圖形的定義，就是說如果你低于這個情況下就考慮防除冰系統是不是健全或者是不是有效。

 

　　結冰計算模型的對比，現在比較流行的結冰模型一共分了九類，他是根據九類不同的優勢有些不同，然后他對所有的這些軟件進行了一些測試，大概是這樣一個情況。

 

　　另外一種防除冰的系統做了一些對比，放除冰系統主要分為四大類，分為主動的和被動的，主動的就包括防冰和除冰的，防冰、除冰實際分了這么多類以后主要還是分為熱氣法、電熱法、微波法、涂層法，我們公司對熱氣法和電熱法系統都有一些嘗試，實際上我們總體感覺電熱法的實際效果要高于熱氣法，因為熱氣法一個它的除冰的時間比較長，第二它的效率也比較低，國內許多企業優先考慮的也是電熱法。另外就是說涂層和微波，在國內涂層實際上用的比較多，但是由于我們國家特別是在沙漠或者是隔壁區域風沙情況比較嚴重，它的涂層耐久性不太好，所以一般我們真正遇到比較嚴峻的氣候條件的話，更多采用的是電熱法。

 

　　整個風力機的測試方案分為四個階段，就是說在防冰、除冰系統四個系統做完了以后四個階段，第一就是結冰風洞實驗，第二是環境風洞，我們組里面農業大學他們有相應的小型的配置，第三是樣機測試和風場測試，分為四個步驟。

 

　　最后他把這個冰脫落建立了一個判別標準也列出了一個公式，這個公式主要和塔架的高度和葉輪的直徑有一定的關系，是它們合的1.5倍，在這個范圍內我們可以定義為這個是冰甩出去的一個定義。第二就是冰墜落區跟它的葉輪的直徑影響就不是很大了，主要是它和風速有一定的關系。那么根據這樣不同的風速和葉輪直徑的情況下，他就做了一個相當于危險的圖示，就是說越是紅的地方越是可能導致冰會散落下來的風險比較大，這種情況下可以采取相應不同的措施，比如說道路、輸電線的布置，可以考慮這樣的一個圖像的因素。

 

　　具體的防除冰技術我們把它分為四個簡單的階段，第一是測冰，一般測冰的方法比較多，分為物理法和工況法，物理法比如電法、機械法，還有波導法，總之有很多的方法。比如說我們右下角的這個東西，它用的主要是超聲波的原理。國內也有采光激光原理的，這是它的物理法，實際探測某一個點位在那個地方的冰的覆蓋情況。

 

　　具體的我們還有一種方法叫工況法，工況法無非就是兩種，一種就是根據功率曲線大家推算它的結冰，另外一個就是根據葉片的載荷，我們公司所做的產品主要還是葉片載荷，利用光纖載荷傳感器測量葉片的載荷，來分析葉片的情況。初步我們做了一個估算，單支葉片大概50公斤左右的積冰就可以有一定的反應了，但是這個好處就是它比較真實的反應這個葉片的情況，而不是某一個點的抽象。

 

　　第二就是防冰方法，第三就是化學涂層，另外我們現在打上藍色的啟動調節，因為風機有各種模式，實際上我們正在探索如果采用特殊的工角，其實在初期就對覆冰有很大的改善。除冰方法我們有熱風法和碳膜法，具體的方法就是我們可以通過局部的冰進行推測，更可以采用現在大數據的方法。

 

　　我們引用了加拿大阿爾特大學研究Kent Hill風電數據為依據做了一些分析，主要的分析指得是用大數據的分析。

 

　　從大數據分析他用了很多種方法，最后確定了這種方法比較好，綠色的小店是實際測到的結冰的情況，藍色的部分是大數據分析的結果，從這個結果上看已經非常接近它覆冰的情況。

 

　　所以我們現在基于兩點，就是風機覆冰情況與工況和處理存在關聯性，通過主動改變槳角及葉輪轉速可以改善初期的覆冰狀況。通過基于載荷反饋的聯合控制，改善臨界結冰條件下的風機運行工況對該并還是有一定好處的。

 

　　下面是我們實際做的情況，這是我們基于載荷的測量儀，這種設備我們已經用到獨立變槳，實際上我們測冰只是最開始的負產品，獨立變槳是最主要的，但是獨立變槳和減冰運行這兩點聯合起來做的話將會有很好的效果，而且對整體風機的載荷控制這方面還是很好的。

 

　　測冰的原理有兩種方法，一個是質量法，就是說根據它的載荷在它的正半圈和負半圈載荷的差別測量它多余的質量，第二個就是測風機葉片固有的振動頻率，基于分布假設就是覆冰軟件可以做相應的推算。

 

　　這是基于不同的測量方法，一個是它在正負半軸的彎距，覆冰條件和浮冰條件有一定的區別。第二是看結冰前和結冰后的頻譜分析。

 

　　當然這個系統就不用說了，這是我們柜子里面常用的整個除冰系統結構，系統控制柜、探測儀、也跟虧之柜、碳膜熱風加熱系統，整個構成整體的系統。

 

　　這是我們一個框圖，此前大家也了解過，我們的加熱系統，機艙柜、輪轂柜、葉片都有相應的布置。這是實際的一些柜體的情況，這是一個樣柜。

 

　　最終我們這個除冰系統主要的測冰原理除了用相應的測冰冰碳以外，我們比較力推的還是用載荷法，載荷法因為它是一套設備可以用到冰的探測和獨立變槳，甚至葉片的健康監測，在多個方面都可以實現它的一些功能。然后這個產品主要還是應用在葉片上的話，因為它是用光作為它的探測機理，所以它從防雷以及抗電磁干擾這方面有比較優異的特性。對比應變片主要是它的壽命比較長，測試的非常快，這樣的話相信各大主機廠以后都會有變槳方面的控制，實現這一套設備兩種用途，我想，為大家可以節省不少的投資。好，我今天給大家報告的內容就這些，非常感謝大家！