練楊蔚，鄭蜀江

（1.貴州龍源新能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著國家雙碳目標(biāo)的提出，能源電力低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展進程將進一步加速，未來我國將逐漸形成清潔低碳、安全高效的能源體系，能效水平持續(xù)提升，能源結(jié)構(gòu)深刻調(diào)整。非化石能源占比將于2040年前后超過50%，成為我國能源供應(yīng)的主體，其中風(fēng)能和太陽能將快速發(fā)展，2030年以后將成為主要的非化石能源品種。非化石能源中，陸上風(fēng)電是我國當(dāng)前最大的新能源電源類型，也將是我國第一大電源，預(yù)計2025年和2030年，裝機容量將分別達到4.8億kW和6.5億～6.8億kW，并于2030-2035年期間成為第一大發(fā)電量電源。貴州地區(qū)2020年投運的風(fēng)電裝機容量超過515萬kW，在建容量超過103萬kW，根據(jù)規(guī)劃，貴州省風(fēng)電裝機容量2025年可達800萬kW，2030年可達1 000萬kW[1]。

1 問題論述

由于貴州地處內(nèi)陸高原，風(fēng)電場主要為高山風(fēng)場，風(fēng)機在極寒天氣下運行時經(jīng)常遭遇覆冰結(jié)冰現(xiàn)象。風(fēng)機覆冰會導(dǎo)致機械故障，甚至可能導(dǎo)致停機。2021年1月，貴州地區(qū)持續(xù)寒潮天氣，該地所在的某能源央企累計凝凍停運風(fēng)電機組403臺，既損害了企業(yè)本身的經(jīng)濟效益，也給社會及人民群眾電力供應(yīng)保障帶來極大影響。為保障高寒氣候下風(fēng)機安全穩(wěn)定運行，開展風(fēng)機防冰除冰技術(shù)研究具有重要意義，而風(fēng)機覆冰預(yù)警技術(shù)又是風(fēng)機防冰除冰技術(shù)的前提和關(guān)鍵[2]。

根據(jù)日常工作經(jīng)驗，風(fēng)機覆冰會給風(fēng)機運行帶來4個方面影響，一是風(fēng)機葉片表面大量覆冰時，由于每個葉片上的冰載不同，使機組的不平衡載荷增大，降低風(fēng)機的零部件運行壽命；二是由于覆冰厚度不一，葉片原有的氣動外形將發(fā)生改變，降低機組的風(fēng)能利用系數(shù)，從而造成發(fā)電功率降低，嚴重時還可造成風(fēng)電機組無法正常啟動；三是風(fēng)機上的測風(fēng)儀覆冰后，將無法正常工作，使測量數(shù)據(jù)不準，影響機組的正常運行和控制；四是風(fēng)機如果覆冰后繼續(xù)運行，拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會傷害到風(fēng)機自身及其附近的人或物[3]。

根據(jù)前面的分析，由于風(fēng)機覆冰會對風(fēng)機運行造成不良影響，亟需開展風(fēng)機覆冰預(yù)警技術(shù)研究，而覆冰預(yù)警技術(shù)研究包括風(fēng)電場高精度氣象預(yù)測預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機部件覆冰在線監(jiān)測技術(shù)兩部分。

風(fēng)電場高精度氣象預(yù)測預(yù)警技術(shù)可以幫助風(fēng)機運行單位提前做好防冰工作，而風(fēng)機部件覆冰在線監(jiān)測技術(shù)能幫助運行人員準確判斷風(fēng)機狀態(tài)，精準控制風(fēng)機運行，最大可能確保風(fēng)機安全穩(wěn)定運行。高精度氣象預(yù)警技術(shù)可綜合氣象部門提供的大范圍氣象預(yù)測數(shù)據(jù)與自建微氣象監(jiān)測站采集的風(fēng)場當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)，運用LSTM（Long-Short Term Memory）等計算機技術(shù)實現(xiàn)高精度微氣象預(yù)測預(yù)警。

風(fēng)機預(yù)警技術(shù)對防冰、除冰具有重要意義。已有國內(nèi)風(fēng)機廠商在模擬寒冷試驗室內(nèi)開展了不同環(huán)境溫度、不同轉(zhuǎn)速和不同輸入電壓下風(fēng)機覆冰特性試驗。結(jié)果表明，風(fēng)機葉片是風(fēng)機最易結(jié)冰部位，且風(fēng)機葉片表面溫度沿根部到葉尖部依次降低，因此風(fēng)機覆冰預(yù)警技術(shù)應(yīng)針對風(fēng)機葉片特別是風(fēng)機葉尖重點開展[4]。

風(fēng)機葉片覆冰預(yù)警技術(shù)包括風(fēng)機葉片覆冰仿真預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機葉片覆冰監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機葉片覆冰仿真技術(shù)研究主要集中于高校，如重慶大學(xué)開展了小型風(fēng)機葉片的覆冰仿真，對NE-100型水平軸風(fēng)力機葉片的覆冰進行了數(shù)值仿真。但是由于目前的仿真主要為二維仿真，而風(fēng)機繞流場中的一個關(guān)鍵因素為旋轉(zhuǎn)葉片會產(chǎn)生徑向氣流，該氣流具備三個方向，必須進行三維模擬，目前的仿真條件尚不具備，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實際情況情況相差較大，難以進行現(xiàn)場應(yīng)用。

目前投入實用的風(fēng)機葉片覆冰預(yù)警技術(shù)主要為風(fēng)機葉片覆冰監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，該技術(shù)主要包括視頻監(jiān)測法和人工觀冰法，光學(xué)性能法，氣動噪聲法，葉片結(jié)構(gòu)振動頻率法，光纖法，電容法，超聲法和微波監(jiān)測法等，下面逐一介紹。

1）人工觀冰法與視頻監(jiān)測法基本類似，是指在風(fēng)力機上安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭或是憑人工肉眼對葉片結(jié)冰狀況進行監(jiān)測。這種方法通過視頻畫面對葉片表面實時監(jiān)測，能夠提供有效的結(jié)冰信息，但是這種方法主要監(jiān)測葉片根部的覆冰，無法監(jiān)測葉片尖部這一覆冰嚴重區(qū)域。同時在覆冰期視頻攝像頭容易被冰包裹，無法正常運行。由于該技術(shù)實現(xiàn)簡單，盡管存在一些缺陷，目前已實現(xiàn)較大規(guī)模應(yīng)用。

2）冰層光學(xué)性能法根據(jù)葉片覆冰后冰層的反射性能監(jiān)測結(jié)冰，但是當(dāng)出現(xiàn)覆冰很薄且透明的情況時，由于透明的薄冰層對于光的反射路徑影響很小，導(dǎo)致在凍雨環(huán)境下無法給出有效的結(jié)果。其基本原理和主要缺點見圖1。

圖1 冰層光學(xué)性能法原理及缺點

3）氣動噪聲法是由于結(jié)冰導(dǎo)致葉片氣動噪聲的增加，有研究表明少量的積冰可以導(dǎo)致很高的氣動噪聲。但是這種方法在風(fēng)力機停機時無法探測到葉片結(jié)冰狀況，而且應(yīng)用前需要調(diào)查清楚環(huán)境噪聲以及各種風(fēng)速的對結(jié)果的影響；

4）葉片結(jié)構(gòu)振動頻率法，由于覆冰會導(dǎo)致葉片原有結(jié)構(gòu)振動性能發(fā)生改變，通過探測共振頻率的變化理論上可以達到結(jié)冰監(jiān)測的目的。但是這種方法敏感性太低，只有當(dāng)葉片上覆冰到足以改變整體共振頻率時才能發(fā)揮作用，此時覆冰可能已對風(fēng)機造成較嚴重損傷。

5）光纖法是利用不同介質(zhì)（空氣和冰）對紅外光的折射、反射和漫射性能不同的特點判斷葉片結(jié)冰情況，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，無法判斷冰水混合物?；驹砗椭饕秉c見圖2。

圖2 光纖法原理及缺點

6）電容法是利用不同介質(zhì)（空氣和冰）介電常數(shù)的差異，設(shè)置多個平板電極對，測量其電容值的變化，從而反推其中介電常數(shù)的變化判斷是否結(jié)冰，這種方法抗干擾能力差，容易受環(huán)境雜散電容影響，無法區(qū)分冰水混合物。其基本原理和主要缺點見圖3。

圖3 電容法原理及缺點

7）超聲法是利用一種能將機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的材料壓電陶瓷，通過壓電陶瓷覆冰后諧振頻率的變化來判斷是否結(jié)冰，該方法難以分辨結(jié)冰與結(jié)霜，元器件較易損壞且無法應(yīng)用于本身存在振動場合。其原理及主要缺點見圖4。

圖4 超聲法原理及缺點

8）微波監(jiān)測法是依靠微波在不同介質(zhì)中傳播特性差異判斷覆冰的一種方法。微波依靠交變電場和磁場的相互感應(yīng)進行傳遞，在傳遞過程中，會對傳播介質(zhì)施加上一種電場，進而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生極化，造成在傳輸過程的微波衰減，可以通過測量微波通過某一物質(zhì)的衰減量進而可以得到這個物質(zhì)的某些特性。目前已有基于微波檢測原理的覆冰監(jiān)測裝置掛網(wǎng)運行，運行效果良好。

2 結(jié)語

風(fēng)機覆冰預(yù)警技術(shù)是風(fēng)機防冰除冰技術(shù)的關(guān)鍵，對于保障風(fēng)機安全穩(wěn)定運行具有重要意義。風(fēng)機覆冰預(yù)警技術(shù)應(yīng)包括高精度氣象預(yù)測預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機部件覆冰在線監(jiān)測技術(shù)。高精度氣象預(yù)警技術(shù)可運用計算機技術(shù)綜合氣象部門提供的大范圍氣象預(yù)測數(shù)據(jù)與自建微氣象監(jiān)測站采集的風(fēng)場當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)實現(xiàn)。風(fēng)機預(yù)警技術(shù)主要應(yīng)聚焦風(fēng)機葉片覆冰預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機葉片覆冰預(yù)警技術(shù)包括風(fēng)機葉片覆冰仿真預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機葉片覆冰監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機葉片覆冰仿真技術(shù)研究結(jié)果與實際情況情況相差較大，難以進行現(xiàn)場應(yīng)用。風(fēng)機葉片覆冰監(jiān)測預(yù)警技術(shù)包括視頻監(jiān)測法和人工觀冰法，光學(xué)性能法，氣動噪聲法，葉片結(jié)構(gòu)振動頻率監(jiān)測覆冰法和微波監(jiān)測法等，其中視頻監(jiān)測法和人工觀冰法已實用化，微波監(jiān)測法前景較好。