一种叶片加热除冰装置以及控制方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种叶片加热除冰装置以及控制方法。


背景技术：

2.四川高海拔风电场在进入冬季时，现场气候条件变得较为恶劣，因环境气候原因，山地风电场在冬季期间，环境湿度长时间处于80％以上，再加上风电场地处海拔位置较高，风电场冬季所处温度基本在0℃左右，在这样的环境条件下，风电场在冬季期间长期处于一个湿寒的环境中，风机叶片极易覆冰。目前风电行业中使用的风机叶片普遍为玻璃钢材质，就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料，此种材质的好处有叶片强度高、重量轻、耐老化，在其表面涂上疏水性涂层后可促进叶片表面水滴流失，降低叶片冻结概率，进而延缓覆冰，但随着近年来气候的恶劣变化，加上风电装机越来越多，电网对风电机组出力的稳定性要求越来越高，解决机组叶片冬季覆冰问题也就越来越重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种叶片加热除冰装置以及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种叶片加热除冰装置，包括：
5.电加热系统、控制系统、环境检测系统；
6.所述控制系统与电加热系统连接，用于控制电加热系统启闭，所述环境检测系统与控制系统连接，所述环境检测系统设置在叶片外侧，所述电加热系统设置在叶片内部，所述环境检测系统包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器用于检测环境温度，所述湿度传感器用于检测环境湿度。
7.作为本发明的进一步改进，所述电加热系统包括加热器、光纤测温系统、叶片除冰控制柜、变桨控制柜、滑环、叶片除冰系统机舱配电箱和变流器，所述控制系统利用变流器将电源接入到叶片除冰系统机舱配电箱，所述叶片除冰系统机舱配电箱通过滑环由叶片除冰控制柜单独对加热器、光纤测温系统进行供电。
8.作为本发明的进一步改进，所述加热器是通过在叶片层内部敷设碳纤维加热层实现对叶片进行加热。
9.作为本发明的进一步改进，所述控制系统上连接有振动监测信号模块，所述振动监测信号模块设置在风机叶片机组上，用于监测叶片启机运行时频率。
10.一种叶片加热除冰控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
11.环境检测系统通过程序判断风机是否存在待机结冰或运行结冰的情况；
12.根据程序判断结果，利用控制系统控制电加热系统启动，对风机内部进行加热。
13.作为本发明的进一步改进，所述风机待机结冰的依据为：当叶片温度传感器检测到环境温度低于2℃，湿度传感器检测到环境湿度大于90％rh，且当前风速大于风机的启动
风速2.5m/s时，风机在一定时间内1-2次启动失败，程序判定为待机结冰；
14.风机运行结冰的判断依据为：当叶片温度传感器检测到环境温度低于2℃，湿度传感器检测到环境湿度大于90％rh，风机在运行状态下满足实际风速功率与理论风速功率偏差比例大于25％时，程序判定为运行结冰。
15.作为本发明的进一步改进，所述程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统加热到待机除冰平均温度上限40℃后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，所述程序判断为运行结冰后，控制叶片加热到运行除冰平均温度上限40℃后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。
16.作为本发明的进一步改进，所述程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统单次加热满50分钟后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，所述程序判断为运行结冰后，控制电加热系统单次加热满50分钟后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、该叶片加热除冰装置以及控制方法，在经相同环境条件下的两个风电场运行情况对比发现，有叶片自动加热除冰控制系统的风电场比常规叶片的风电场一年能增加125h的利用小时数。
19.2、该叶片加热除冰装置以及控制方法，通过每支叶片均设有专门的光纤测温系统，将光波温度信息接入叶片除冰控制柜内的光纤解调仪，采集到叶片结冰情况，再结合机舱外环境温度、湿度信息，通过控制系统2控制策略和主控系统的程序策略，实现叶片结冰机组安全保护措施和减少叶片结的冰除冰措施，叶片结冰安全保护措施可实现风机带冰运行，在非严重结冰状态，触发轻度结冰警告后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明一种叶片加热除冰装置以及控制方法的整体结构示意图；
22.图2为本发明一种叶片加热除冰装置以及控制方法的除冰程序流程图；
23.图3为本发明一种叶片加热除冰装置以及控制方法的电加热系统原理图。
24.图中：1、电加热系统；11、鼓风机；12、加热器；13、第一进风管道；14、第二进风管道；15、第三进风管道；2、控制系统；3、环境检测系统；31、温度传感器；32、湿度传感器；4、振动监测信号模块。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1
27.请参阅图1-图3，本发明提供一种叶片加热除冰装置，包括：
28.电加热系统1、控制系统2、环境检测系统3；
29.控制系统2与电加热系统1连接，用于控制电加热系统1启闭，环境检测系统3与控制系统2连接，环境检测系统3设置在叶片外侧，电加热系统1设置在叶片内部，环境检测系统3包括温度传感器31和湿度传感器32，温度传感器31用于检测环境温度，湿度传感器32用于检测环境湿度。
30.电加热系统1包括加热器、光纤测温系统、叶片除冰控制柜、变桨控制柜、滑环、叶片除冰系统机舱配电箱和变流器，控制系统2利用变流器将电源接入到叶片除冰系统机舱配电箱，叶片除冰系统机舱配电箱通过滑环由叶片除冰控制柜单独对加热器、光纤测温系统进行供电。
31.每支叶片均设有专门的光纤测温系统，将光波温度信息接入叶片除冰控制柜内的光纤解调仪，采集到叶片结冰情况，再结合机舱外环境温度、湿度信息，通过控制系统2控制策略和主控系统的程序策略，实现叶片结冰机组安全保护措施和减少叶片结的冰除冰措施，叶片结冰安全保护措施可实现风机带冰运行，在非严重结冰状态，触发轻度结冰警告后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行。
32.加热器是通过在叶片层内部敷设碳纤维加热层实现对叶片进行加热。
33.控制系统2上连接有振动监测信号模块4，振动监测信号模块4设置在风机叶片机组上，用于监测叶片启机运行时频率。防止在叶片覆冰严重时控制系统强行启机运行，造成叶片及机组过载荷运行，减少机组寿命，以此保证电加热系统1能更安全的运行。并将现目前待机结冰的控制逻辑也进行优化。
34.一种叶片加热除冰控制方法，控制方法包括以下步骤：
35.环境检测系统3通过程序判断风机是否存在待机结冰或运行结冰的情况；
36.根据程序判断结果，利用控制系统2控制电加热系统1启动，对风机内部进行加热。
37.风机待机结冰的依据为：当叶片温度传感器31检测到环境温度低于2℃，湿度传感器32检测到环境湿度大于90％rh，且当前风速大于风机的启动风速2.5m/s时，风机在一定时间内1-2次启动失败，程序判定为待机结冰；
38.风机运行结冰的判断依据为：当叶片温度传感器31检测到环境温度低于2℃，湿度传感器32检测到环境湿度大于90％rh，风机在运行状态下满足实际风速功率与理论风速功率偏差比例大于25％时，程序判定为运行结冰。
39.程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统1单次加热满50分钟后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，程序判断为运行结冰后，控制电加热系统1单次加热满50分钟后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。在程序在待机加热过程中增加机组启动频率，半小时启动一次，这样可以使机组提前恢复运行，提高机组发电量，以此提高经济效益。
40.实施例2
41.请参阅图1-图3，本发明提供一种叶片加热除冰装置，包括：
42.电加热系统1、控制系统2、环境检测系统3；
43.控制系统2与电加热系统1连接，用于控制电加热系统1启闭，环境检测系统3与控制系统2连接，环境检测系统3设置在叶片外侧，电加热系统1设置在叶片内部，环境检测系统3包括温度传感器31和湿度传感器32，温度传感器31用于检测环境温度，湿度传感器32用于检测环境湿度。
44.电加热系统1包括加热器、光纤测温系统、叶片除冰控制柜、变桨控制柜、滑环、叶片除冰系统机舱配电箱和变流器，控制系统2利用变流器将电源接入到叶片除冰系统机舱配电箱，叶片除冰系统机舱配电箱通过滑环由叶片除冰控制柜单独对加热器、光纤测温系统进行供电。
45.每支叶片均设有专门的光纤测温系统，将光波温度信息接入叶片除冰控制柜内的光纤解调仪，采集到叶片结冰情况，再结合机舱外环境温度、湿度信息，通过控制系统2控制策略和主控系统的程序策略，实现叶片结冰机组安全保护措施和减少叶片结的冰除冰措施，叶片结冰安全保护措施可实现风机带冰运行，在非严重结冰状态，触发轻度结冰警告后，通过变桨策略降低负载，实现带冰运行。
46.加热器是通过在叶片层内部敷设碳纤维加热层实现对叶片进行加热。
47.控制系统2上连接有振动监测信号模块4，振动监测信号模块4设置在风机叶片机组上，用于监测叶片启机运行时频率。以防止在叶片覆冰严重时控制系统强行启机运行，造成叶片及机组过载荷运行，减少机组寿命，以此保证电加热系统1能更安全的运行。
48.一种叶片加热除冰控制方法，控制方法包括以下步骤：
49.环境检测系统3通过程序判断风机是否存在待机结冰或运行结冰的情况；
50.根据程序判断结果，利用控制系统2控制电加热系统1启动，对风机内部进行加热。
51.风机待机结冰的依据为：当叶片温度传感器31检测到环境温度低于2℃，湿度传感器32检测到环境湿度大于90％rh，且当前风速大于风机的启动风速2.5m/s时，风机在一定时间内1-2次启动失败，程序判定为待机结冰；
52.风机运行结冰的判断依据为：当叶片温度传感器31检测到环境温度低于2℃，湿度传感器32检测到环境湿度大于90％rh，风机在运行状态下满足实际风速功率与理论风速功率偏差比例大于25％时，程序判定为运行结冰。
53.程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统1单次加热满50分钟后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，程序判断为运行结冰后，控制电加热系统1单次加热满50分钟后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。在程序在待机加热过程中增加机组启动频率，半小时启动一次，这样可以使机组提前恢复运行，提高机组发电量，以此提高经济效益。
54.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种叶片加热除冰装置，其特征在于，包括：电加热系统(1)、控制系统(2)、环境检测系统(3)；所述控制系统(2)与电加热系统(1)连接，用于控制电加热系统(1)启闭，所述环境检测系统(3)与控制系统(2)连接，所述环境检测系统(3)设置在叶片外侧，所述电加热系统(1)设置在叶片内部，所述环境检测系统(3)包括温度传感器(31)和湿度传感器(32)，所述温度传感器(31)用于检测环境温度，所述湿度传感器(32)用于检测环境湿度。2.根据权利要求1所述的一种叶片加热除冰装置，其特征在于，所述电加热系统(1)包括加热器、光纤测温系统、叶片除冰控制柜、变桨控制柜、滑环、叶片除冰系统机舱配电箱和变流器，所述控制系统(2)利用变流器将电源接入到叶片除冰系统机舱配电箱，所述叶片除冰系统机舱配电箱通过滑环由叶片除冰控制柜单独对加热器、光纤测温系统进行供电。3.根据权利要求2所述的一种叶片加热除冰装置，其特征在于，所述加热器是通过在叶片层内部敷设碳纤维加热层实现对叶片进行加热。4.根据权利要求1所述的一种叶片加热除冰装置，其特征在于，所述控制系统(2)上连接有振动监测信号模块(4)，所述振动监测信号模块(4)设置在风机叶片机组上，用于监测叶片启机运行时频率。5.一种叶片加热除冰控制方法，用于根据权利要求1-4任一项所述的一种叶片加热除冰装置，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：环境检测系统(3)通过程序判断风机是否存在待机结冰或运行结冰的情况；根据程序判断结果，利用控制系统(2)控制电加热系统(1)启动，对风机内部进行加热。6.根据权利要求5所述的一种叶片加热除冰装置以及控制方法，其特征在于，所述风机待机结冰的依据为：当叶片温度传感器(31)检测到环境温度低于2℃，湿度传感器(32)检测到环境湿度大于90％rh，且当前风速大于风机的启动风速2.5m/s时，风机在一定时间内1-2次启动失败，程序判定为待机结冰；风机运行结冰的判断依据为：当叶片温度传感器(31)检测到环境温度低于2℃，湿度传感器(32)检测到环境湿度大于90％rh，风机在运行状态下满足实际风速功率与理论风速功率偏差比例大于25％时，程序判定为运行结冰。7.根据权利要求5所述的一种叶片加热除冰装置以及控制方法，其特征在于，所述程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统(1)加热到待机除冰平均温度上限40℃后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，所述程序判断为运行结冰后，控制叶片加热到运行除冰平均温度上限40℃后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。8.根据权利要求5所述的一种叶片加热除冰装置以及控制方法，其特征在于，所述程序判断为待机结冰后，程序控制电加热系统(1)单次加热满50分钟后停止，自然冷却到待机除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，以此循环，所述程序判断为运行结冰后，控制电加热系统(1)单次加热满50分钟后停止，自然冷却到运行除冰平均温度下限2℃后开启下次加热，不限加热次数，直至风机实际发电功率与理论风速功率偏差比例小于20％时停止。

技术总结
本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种叶片加热除冰装置，包括：电加热系统、控制系统、环境检测系统；所述控制系统与电加热系统连接，用于控制电加热系统启闭，所述环境检测系统与控制系统连接，所述环境检测系统设置在叶片外侧，所述电加热系统设置在叶片内部，所述环境检测系统包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器用于检测环境温度，所述湿度传感器用于检测环境湿度。该叶片加热除冰装置以及控制方法，在经相同环境条件下的两个风电场运行情况对比发现，有叶片自动加热除冰控制系统的风电场比常规叶片的风电场一年能增加125h的利用小时数。125h的利用小时数。125h的利用小时数。


技术研发人员：吴平 王勇 伍建刚 梁军明 郭翔 沈科静 肖志辉 徐焱昌 陈军 张军伟
受保护的技术使用者：四川省能投美姑新能源开发有限公司
技术研发日：2023.01.06
技术公布日：2023/5/16