風電機組各種融冰裝置的優缺點分析

華能湖南清潔能源分公司安生部 劉沼武

1 風電機組覆冰成因

風電機組一般建設在比較空曠的地方，當大氣中的冷暖空氣相遇時容易形成逆溫現象，且云朵中的冰晶在下降過程中，遇到暖氣流會轉變為小水滴，當水滴接觸到溫度小于0℃的風電機組葉片時，會迅速凍結成冰，導致風電機組葉片產生覆冰現象。

2 風電機組覆冰造成的影響

隨著社會的發展，石油等不可再生資源的儲備量逐漸減少，且這些傳統能源使用過程中不可避免會對環境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環保的新能源越來越多地被采納應用，在能源市場的占比也越來越大。在琳瑯滿目的新能源市場中，風能作為一種取材方便、經濟實惠的清潔資源，一直受到來自電力單位的關注，風電機組的建設規模也逐漸增大。但覆冰是風電機組運行中的一大難題，風機葉片結冰會造成電量損失、性能劣化、機械失效、氣動噪聲增大、降低使用壽命、甩冰導致人物傷害等安全風險。覆冰不僅影響風機設備出力和自身安全，嚴重時可能導致風電場脫網，影響所接入地區電力系統的動態穩定、調頻調壓和安全穩定運行。為減少風機葉片覆冰導致的發電量損失，研究風電機組各種融冰裝置刻不容緩[1]。

3 風電機組各種融冰裝置分析

目前市場上的風電機組除冰裝置主要有電加熱除冰裝置、熱鼓風除冰裝置及微波除冰裝置等。

3.1 電加熱除冰裝置

電加熱除冰裝置基本原理是通過在葉片表面鋪貼加熱材料，在加熱材料兩端加上電源，通電加熱使得熱量傳到葉片外表面，從而達到除冰和防冰目的，電加熱除冰裝置原理如圖1所示。

圖1 電加熱除冰裝置原理

電加熱除冰裝置通過仿真，在-15℃環境，靠近葉根側，不同熱流密度下，達到0℃以上，除冰時間在120～530s。隨葉片表面熱流密度的增大，葉片表面的溫度也會隨之升高，但是葉片溫度過高（50℃）會影響葉片的剛度及材料性能，存在葉片損傷的風險。本裝置按照-10℃設計，實際極低環境溫度為-5.7℃。選取合適的熱流密度，確保加熱溫度保持在1～4℃即可實現除冰[2]。

3.1.1 電加熱除冰裝置系統構造

電加熱除冰裝置的動力電源為三相四線制。主電源從變流器引出，經過塔基輔助變壓柜再通過電纜送到機艙電源轉接柜，再經過滑環將進入輪轂中的除冰控制柜。系統電源分配以及分系統、各部件連接構造如圖2所示。機艙轉接柜將送入機艙的電源進行分配，控制加熱器起停、電源防雷、過流保護，手動維護和電量測量等功能；滑環將電源引入輪轂內，并連接各方通信；輪轂轉接柜將電源進一步分配，葉根轉接柜實現溫度信號采集、浪涌保護等。

圖2 電加熱除冰裝置系統構造

3.1.2 電加熱除冰裝置控制邏輯

本裝置采用如下兩種方式綜合實現結冰判斷：一是加裝的溫濕度傳感器，根據風場運行經驗設置判斷值，二是機組的功率因數不匹配（結冰報警）信號。如果實施機組數量多可以根據機組布置特定劃定區域后安裝覆冰監測裝置。

啟?？刂啤ＵＧ闆r下裝置啟動后即激活了除冰判斷邏輯和加熱啟動邏輯，在裝置自檢無錯誤后自動進入結冰判斷邏輯。裝置停機有較高優先級，停機指令可以中斷結冰判斷、系統待機和加熱運行程序，使系統退出運行狀態。

為提高除冰系統效率，裝置自檢后可以進入防冰模式，即將風場機組按照地理環境、溫濕度對其進行分級，結冰判斷應以同區域同等級的機組信號為依據而非單一機組本身信號為依據，這樣機組可以在剛結冰或者即將結冰之前就可以激活除冰系統，實現預防結冰的效果[3]。在某些條件下，電加熱除冰裝置需要提前開啟，或者強制運行時，可以通過設置成手動模式并設置手動運行時間，同時所有的保護邏輯與其他模式一致。

加熱控制。電加熱除冰裝置進入除冰狀態使加熱系統運行時，裝置各葉片的加熱系統將按照主控設計的加熱控制參數運行。主控加熱控制參數分為操作控制參數和溫度控制、時間參數。個別參數會根據葉型、風場的運行環境、風速、濕度、海拔等因素的不同而不同。

3.2 熱鼓風除冰裝置

熱鼓風除冰裝置如圖3所示，主要包含塔基配電柜、除冰主控柜、除冰葉根柜、加熱器、鼓風機等主要設備，以及加熱系統支架、風管轉接管、金屬波紋管、通風管道、擋風板、溫度傳感器等輔助裝置。輪轂中有一個除冰主柜和三臺葉根控制柜，分線至三個葉根柜中。根柜接收主控的命令實現對加熱器和鼓風機的控制，同時對加熱器出風口溫度進行采集。通信走CAN總線，三個葉根柜的CAN總線在輪轂匯合后，經過滑環通往機艙，通向塔基則采用光纖進行通信?？刂破鞲鶕到y設定溫度自適應調節加熱器功率，在不同的環境溫濕度指標下實現對葉片溫度的精確控制，在系統運行與防冰控制時，可盡可能地實現節能。

圖3 熱鼓風除冰裝置總結構

3.2.1 熱鼓風除冰裝置工作原理

本裝置基于熱風除冰的方法實現，除冰控制系統與主控系統之間通過CANOpen通信建立連接。主控系統通過采集外界溫濕度數據來檢測冰凍狀況，若出現冰凍，主控系統向除冰控制系統發出加熱指令，除冰控制系統對葉片進行加熱除冰。同時除冰控制系統向主控返回系統狀態[4]。若冰凍解除，或者除冰控制系統出現故障，主控系統向其發送停止命令。熱鼓風除冰裝置工作原理框架如圖4所示。

圖4 熱鼓風除冰裝置工作原理框架

該除冰裝置單獨于主控系統運行，除冰裝置本身具有控制邏輯和保護邏輯。若除冰裝置在運行期間發生故障，則主控系統須顯示故障告警，機組不停機，繼續運行。待人員修復后，告警消除，除冰裝置正常運行。

3.2.2 除冰控制系統控制邏輯

在未收到主控系統的啟動命令時，除冰控制系統處于待機狀態，當收到主控系統的啟動命令，啟動加熱控制流程。其啟動過程主要分為以下幾個步驟。

一是啟動時自檢。檢查各個葉根柜的防雷保護輸入、加熱斷路器反饋輸入、PT100 信號。若系統正常，則繼續加熱流程，若系統不正常，則進入故障狀態，并向主控發送相應的故障代碼。

二是啟動各個槳葉的加熱系統。啟動順序為槳葉1鼓風機→槳葉2鼓風機→槳葉3鼓風機→槳葉1加熱器→槳葉2加熱器→槳葉3加熱器。各執行器啟動之間存在時間間隔（鼓風機及加熱器啟動間隔1s，槳葉3鼓風機→槳葉1加熱器間隔60s）。

該熱鼓風融冰裝置優點包括：裝置基于氣象條件監測對風機葉片覆冰進行預測，并與氣熱防除冰系統相結合，為防除冰系統的啟停提供邏輯判斷依據；裝置具有除冰能力。系統判斷葉片處于結冰狀態并有必要除冰時，立即以最大加熱效率進行；裝置具有高效節能控制能力。根據覆冰與溫度監測，基于主控智能化調整系統運行策略，達到葉片各部加熱均衡、有效降低系統自耗電、提高增發電量的目的。

該裝置相對于電加熱除冰裝置而言，屬于間接加熱方式，故當風機葉片的導熱能力不強時，加熱效率會比較低，尤其是在氣溫最低，覆冰最嚴重時，機組葉片前端邊緣位置破冰效果不太理想。且該裝置需要在葉片內部安裝鼓風機及加熱器并架設熱風循環管道，打孔及葉片內附設玻璃布、粘膠、需要精細加工及膠水凝固。工藝流程復雜，施工工期時間比較長，投資成本高。

3.3 微波除冰裝置

微波除冰裝置的工作原理與電加熱除冰裝置雷同，首先，在風電機組葉片內部空間加裝微波裝置發散傳輸微波，然后在機組葉片的表面涂刷能夠吸收微波的材料，機組葉片表面吸收到微波后，溫度升高，從而消除葉片覆冰[5]。

但微波除冰裝置也存在一定的缺點，倘若想要達到良好的融冰效果，就需要在機組葉片內部加裝較多的微波裝置，不僅加大了施工工作量，還會增加設備檢修維護成本，且倘若加裝的微波裝置數量未達到相關要求，很難保障風電機組葉片的除冰效果，嚴重時可能使機組葉片受到損傷，影響整個機組的安全平穩運行。此外，微波除冰裝置發射的微波輻射較大，對工作人員的身體會造成一定程度的危害。

結合析目前國內外風電機組各種葉片除冰技術發展情況，在風機葉片內部安裝熱風加熱技術使用較為廣泛，該技術具有高效節能控制能力。能根據覆冰與溫度進行監測，適時調整系統運行策略，達到葉片各部加熱均衡、有效降低系統自耗電、提高增發電量的目的。但加熱除冰時需要浪費大量電量。提升熱風加熱效率、減小除冰能耗有三種途徑。

一是風電機組葉片覆冰停止運行后應加熱除冰，避免使用維持葉片本身高溫的方法實施防冰；二是采用高精度覆冰檢測技術，以便精準控制除冰加熱系統的開啟及停止；三是在風電機組葉片前緣涂抹超疏水材料，防止融化的冰水發生重復凝結。值得注意的是，熱風加熱除冰裝置在高于60m以上的機組葉片進行除冰存在功率不足的問題。

4 結語

風電機組一般建在偏遠區域，當遭遇雨雪冰凍天氣時，極易受到覆冰災害的影響，冬季還會面臨嚴重的冰凍災害。本文在介紹了風電機組覆冰成因及覆冰造成影響的基礎上，對風電機組電加熱除冰裝置、熱鼓風除冰裝置及微波除冰裝置的特點進行了分析，為有效提升風電機組供電質量奠定了技術基礎，推動了電力企業健康發展。