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风力发电机组叶片覆冰及防范策略

来源：汇智旅游网

总748期第十四期2021年5月

河南科技

HenanScienceandTechnology

工业技术

风力发电机组叶片覆冰及防范策略

李建强

（大唐三门峡发电有限责任公司，河南

三门峡472100）

摘要：本文首先分析风机叶片覆冰原理及工况条件，然后探讨风机叶片覆冰的危害及判断，之后分析风机

叶片覆冰检测及保护控制，最后提出风机叶片防覆冰措施，包括热能防冰除冰和涂层防冰，以期为有效应对风机覆冰、提升风机安全性及经济性提供参考。关键词：风力发电机组叶片；覆冰；防范策略中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2021）14-0034-03

BladeIcingandPreventionStrategyofWindTurbine

（DatangSanmenxiaPowerGenerationCo.,Ltd.，SanmenxiaHenan472100）

LIJianqiang

Abstract:Thispaperfirstanalyzedtheprincipleandworkingconditionsoffanbladeicing,thendiscussedtheharmandjudgmentoffanbladeicing,thenanalyzedthedetectionandprotectioncontroloffanbladeicing,andfinallyputforwardtheantiicingmeasuresoffanblade,includingthermalantiicinganddeicingandcoatingantiicing,inordertoprovidereferenceforeffectivelydealingwithfanicingandimprovingfansafetyandeconomy.Keywords:windturbineblades；icing；preventivemeasures风机覆冰是山地风场常见故障之一［1］。风机覆冰后，存在极大的安全隐患。据此，本文针对风机叶片覆冰工况条件进行分析，对风机覆冰检测及保护控制机理进行阐述，并提出了防止风机叶片覆冰的控制策略。

风机叶片覆冰原理及工况条件分析

覆冰工况情况一情况二情况三情况四情况五

温度/℃＜2＜0＜-2＜-3＜-5

湿度/%＞90＞80＞80＞75＞70

其他条件伴降雨、降雪或积雪伴降雨、降雪或积雪伴降雨、降雪或积雪伴降雨、降雪或积雪

—

表1风机叶片覆冰工况分析表

影响风机运行的覆冰类型主要有云中覆冰和降水结冰。其中，云中覆冰是指过冷水滴高速拍打到结构表面之后冻结，可形成明冰和霜冰。明冰形成的过程较慢，因此，相对密实，成透明色，附着力大；而霜冰形成较快，冰粒之间充满空气，因此，成乳白色，附着力小。降水结冰主要指融雪结冰，附着力适中。

风机叶片覆冰工况如表1所示。对风电场现场叶片覆冰数据进行分析得出以下结论：温度在0℃附近（-2～2℃），且湿度在80%左右工况下，风机叶片容易形成覆系；在某一湿度条件下，温度越低，冻结速度越快；在气温和湿度一定时，结冰时间越长，冰层越厚；冻结时间变长以后，冻结厚度增加速率有减缓的趋势。

22.1

风机叶片覆冰的危害及判断风机叶片覆冰的危害

叶片覆冰对机组运行的影响。静态方面，明

显改变叶片的气动翼型、质量分布和截面刚度。动态方面，叶片气动载荷不平衡，增大振动；惯性载荷不平衡，风轮动平衡失衡，刚度增大，耐疲劳性能显著降低。

2.1.2

2.1.1

冰；空气温度一定时，结冰速度随相对湿度呈单调增加关

线，振动加剧损坏传动件、连接件；严重影响风轮、传动链

叶片覆冰的危害。叶片覆冰会影响功率曲

寿命及整机寿命；工况严重时，导致叶片断裂。叶片覆冰后，随着气温回升，冰块会脱落，存在极大的安全隐患［2］。

收稿日期：2021-03-03

作者简介：李建强（1983—），男，本科，工程师，研究方向：电力系统自动化、保护、风电建设运维。

风力发电机组叶片覆冰及防范策略

·35·

学轮廓就会受到影响，叶片表面的大量覆冰会引起风机的附加载荷与额外的振动（不平衡），从而降低其使用寿命。在极端情况下，积冰甚至会造成风塔整体坍塌或局部破损。

②造成人身伤害。如果覆冰后风机叶片继续旋转，

①造成设备损坏。风机覆冰，风机叶片的空气动力

环境的进一步恶化，叶片覆冰可能会加剧，从而导致叶片翼型的启动特性丧失，不能再有效捕获风能。在此情况下，机组可能表现为大风下风机出力不足额定功率的10%。此时，机组会出现频繁启停机的现象，由于振动过大或者无法达到并网条件，机组会在连续3次振动故障后停机保护，确定叶片覆冰无法运行。

线监测功能，判断冰冻条件，当判断为非冰冻模式后，机

3.1.3

冰冻恢复启机模式。机组会连续通过软件在

落冰可能被抛出一段距离，如果没有遇到阻碍物，甚至可和车辆，甚至会伤害风场附近的人员。

能会被抛出数百米远。被抛出的落冰可能会损害建筑物

③造成发电量损失。风机叶片覆冰后还会影响风电2.2

风机叶片覆冰现象判断

组将重新启动。可通过启动运行的功率以及振动情况判断机组覆冰消除情况，如果可以正常启动，则会进入正常运行模式，若仍有振动故障或有功出力无法达到预期目标，机组将尝试启机3次，如果启机均失败，机组将进一步停机，等待覆冰消除。覆冰功率曲线如图1所示。

160014001200功率/kW10008006004002000

810

风速/(m/s)

风速功率不匹配数据

正常数据

结冰报警线功率基线

场的发电量。风机叶片挂冰运转或停运，风场发电量都会大幅度减少。

风机叶片覆冰基本可以通过五点判断：①风场风机均不同程度（根据覆冰量）出现功率下降、严重偏离风机设计功率曲线情况；②风机风速仪（2个）显示均正常，偏差小，所有风机类比均正常，风速测量正常；③风机风向仪（2个）显示正常，检查风机偏航对风角度与风向角度均在10°以内（各机型控制死区不一样），风机对风正常；④无自动发电量控制（AutomaticGenerationControl，AGC）、电能质量后台、手动等功率情况下，风机参数均正常且风机叶片全开（0°）；⑤风机机舱温度在-5℃以下，且伴随有大雪、大雾、大雨等高湿度天气，功率下降变化速度快。

出现上述五点情况后，应及时停运风机（根据风机厂家给予的安全红线确定），然后前往现场确认风机情况，对现场设备进行检查。

风机叶片覆冰检测及保护控制

图1覆冰功率曲线1

3.2

冰警告线（理论发电功率55%）时，进行保护性停机。

3.2.2

3.2.1

控制系统保护二

敏感型结冰保护。当轻度结冰，触发轻度结

在现有机型上加装温湿度传感器，利用功率曲线匹配性、机舱振动和变桨电机转矩偏差软件进行检测，以综合判断风机叶片是否结冰，从而确保在覆冰情况下能对风机进行有效保护，以减少覆冰对风机部件的影响［3］。

3.1

智能覆冰运行控制策略通过判断叶片的结冰情况，自动控制风机在安全工况下运行。借助上述结冰检测输出结果，判断机组结冰运行状态，并通过主动控制机组气动特性，使其获得更优的载荷和发电功率。具体结冰状态下的运行情况分为以下三种模式。

3.1.1

风机冰冻保护性运行模式。针对初期覆冰较控制系统保护一

度结冰警告线后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行；在机组严重结冰触发严重结冰报警线（理论发电功率25%）时，保护性停机；在结冰且有大风的情况下，同样进行保护性停机。

带冰运行模式。在非严重结冰状态下触发轻

在上述两种模式触发停机后，机组判断环境温度变化，温升超过T℃持续H小时，会自动启机。覆冰功率曲线如图2所示。

160014001200功率/kW10008006004002000

810

风速/(m/s)正常数据

轻度结冰警告线中度结冰警告线重度结冰警告线严重结冰报警线

风速功率不匹配数据12

功率基线

少，机组通过在线软件的实时监测功能，判别冰冻及覆冰

情况，自动进入冰冻运行模式。通过桨距角提升的变化来减少叶片进入失速状态的概率，使处于失速情况下的翼型回到翼型正常运行攻角范围以内，升力系数得到一定提高，并且不引起叶片的颤振，从而保证机组运行的可靠性。

3.1.2

叶片结冰严重时的主动停机模式。随着天气

图2覆冰功率曲线2

44.1

风机叶片防覆冰措施热能防冰除冰

风力发电机组叶片覆冰及防范策略

第14期

叶片内置加热膜的方式能较好地实现防冰、除冰，但也存在一些问题。该方案适用于新制叶片，并不适用于风场现有叶片的改造升级。由于叶片采用电加热，叶片内部铺设有加热电阻丝，存在较大的雷击风险。受叶片偏振和挥舞的影响，叶片内置的加热电阻丝极易发生断裂或失效，后期对这种问题的维修是极其困难的。

4.2

涂层防冰的原理是荷叶效应。超疏水涂层具有很高的水接触角，使水不易在表面浸润和附着，而是形成水珠，只要表面轻微扰动或倾斜，水珠就从表面滚落下来，故表面不易结冰。而且其表面的微纳米结构也具有抑制过冷水凝固结冰的作用，同时水珠还能将黏附的灰尘颗粒带走，起到自清洁的效果。

现有的涂层防冰技术不能完全解决叶片结冰问题，

冷风（回风）

腹板通道

热能防冰除冰是利用各种热能加热叶片，使叶片表面温度超过0℃，以达到防冰和除冰的目的。该方法包括两种主流的方式：气热和电热。

4.1.1

气热防冰、除冰。在轮毂内部设置加热装置，

在叶片内安装暖风通气管道，让轮毂内的暖气在管道内

涂层防冰

循环［4］，如图3所示。该系统是在叶片保持原有结构不变的情况加装加热设备和热风管路，具有较广的适用性。无论是新做的叶片还是风场已经运行的机组，均可加装该装置实现叶片的防除冰。

冷空气

热风机

只能在一定程度上延缓结冰以缩短叶片结冰周期，并且涂层本身的寿命普遍较短。疏水性防冰涂料在短时间内具有一定的防冰效果，但是长期防冰效果并不理想。

综上所述，上述三种方案的对比结果如表2所示。

表2

防结冰方案对比

可维护性好差较好

额定功率/kW70～10070～100—

功率损耗高低—

除冰时回收周间/min约100＜10—

期/a3～42～3＜1

热风（进

风）通道

图3叶片气热除冰方案

方案类型气热电热涂层

投入资金较高低低

雷击风险无大无

由于叶片主体材料导热性能较差，因此，通过轮毂内置加热装置产生的空气热能传导至叶片表面的效率较低。无论是防冰还是除冰，均需要较长的时间，消耗的电能也较多。同时，由于需要加装各种设备以及升级轮毂内部预留电缆的功率，改造投入的成本较大。

4.1.2

电热防冰、除冰。在叶片制作时，预埋由加热

5结论

元件、转化器、过热保护装置及电源组成的电热防冰系统［5］。叶片加热膜结构如图4所示。该方式的主要机理是在叶片上敷设一层电阻加热元件（如碳布等），通电后电阻加热元件将电能转换为热能，使叶片表面温度升高。距叶尖1/3部分叶片保证了整个叶片90%风能捕获，而距叶根2/3区域的叶片对功率产出贡献较小。由于加热元件成本较高，所以选择在叶片前缘距叶尖1/3段开始敷设加热元件，这样既能对风能转换的关键部位快速除冰，又能兼顾成本。

玻璃布

叶片结构夹芯材料玻璃布

电加热装置隔绝材料金属网表面毡/玻璃布

对于风机叶片防水除冰，电热除冰效果最好，但该方式主要适用于新安装的风机叶片；气热除冰的经济性还有待现场验证；目前较保险的方案是涂层防冰，虽然其防冰效果时间较短，但可以定期涂刷防冰涂层。

参考文献：

［1］龙源电力集团股份有限公司.风力发电基础理论［M］.北京：中国电力出版社，2016：28-56.

［2］苏绍禹.风力发电机设计与运行维护［M］.北京：中国电力出版社，200：46-56.

［3］双妙，宋波.风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响［J］.哈尔滨工业大学学报，2017（12）：152-158.

［4］苏银海.小型垂直轴风机低风速下性能优化的实验研究［D］.南京：东南大学，2016：25.

［5］申晓东，时连斌，刘洪海，等.风力发电机组防覆冰技术研究［J］.电气技术，2013（6）：48-51.

图4叶片加热膜结构

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