罗定夫 胡满

摘 要：研究风电场风电机组气象站防凝冻技术，增强气象站在冰冻期间的可靠性，确保在冰冻期间风机气象站正常工作，从而保证风机在冰冻期间运行，降低叶片覆冰的可能性，极大减小叶片覆冰厚度，降低风机故障率，提高风机可利用率及发电能力。通过对实际风力发电机组试验运行数据观察发现使用性能优良的超声波气象站有效提高设备冰冻期间的可利用率。

关键词：风力发电机组;气象站;防凝冻技术

1 概述

风电场出现大面积冰冻停运情况，当时天气状况：大雾，空气湿度82%，最高气温为4 ℃，最低气温为-2℃，平均风速为9 m/s，最大风速为12m/s。从15日凌晨1 时40分起，温度从2℃左右急剧下降至-3℃。凌晨4时，风场投入运行的24台风力发电机组陆续全部故障停机。上位机监控检查24台机组故障均为5309（风向仪无摆动故障）或5308（冰冻报警）。调取风机历史数据发现：各台因故障停运机组风速信号仍然有数值显示但是明显偏低，风向仪保持一定数值长时间不变化。故判断风机有风速、无风向信号，无法识别风况，导致故障停机。

根据风电场发电量分析可知：在2015年12月至2016年2月的冰冻期间，因结冰导致风机停运造成电量损失累计超过200万kW·h，占每年损失电量比重较大。可见，冰冻对风电场的安全稳定经济运行带了巨大的损失。研究气象站抗冰冻的方法显得十分迫切。

2 气象站结冰情况与分析

2.1 气象站结冰情况

12月15日上午8时，维护人员登塔检查停运风机状况，发现风机气象站完全被冰雪冻住，导致气象站无法正常工作。检查风速仪、风向标加热回路工作正常，用手触摸气象站表面，感觉到加热效果，且冰雪堆积处有明显融冰痕迹，但因温度持续下降，覆冰太厚导致风向标旋转部件冻住无法摆动。出机舱用望远镜检查叶片表面附有很薄的白霜，部分位置结有薄冰，且在不断掉落。

2.2 气象站结冰情况分析

通过在冰冻期内对风机运行状况的长期跟踪，气象站结冰影响风机运行的主要原因如下：①地处高寒山区，春冬两季空气湿度很大，能达到90% 以上，如遇气温急剧下降，冰冻情况严重。②风机气象站现有设备加热功率（100 W）基本满足要求，如遇持续降温恐无法达到融冰要求。但如若大功率加热器长时间加热可能会造成设备内精密元件的加速老化。③ 机械式气象站风向标、风速仪转动部位连接处为由于离加热元件较远，较容易发生冰冻。④当风向标结冰加上主控程序的设置不合理，而引发偏航系统进入偏航死区内，报扭缆故障告警，增加风机故障概率。⑤风机叶片结冰，将改变叶片迎风面形状，会增加塔架载荷和水平方向推力，损耗吸收进叶轮的机械能。

3 气象站抗冰冻措施及实施

3.1 解决问题的思路

根据风机安装位置气候条件，冰冻季节长但单次冰冻时间普遍较短且回暖较快。只要解决风机气象站因冰冻不能正常工作的问题，风机在冰冻情况下正常运行，叶片表面涂有憎水材料，在动态下不易覆冰且能利用离心力将附在表面的薄冰甩掉，从而可有效减轻风机叶片覆冰情况，尽可能减少风机冰冻期间因叶片结冰的停机。因此，可通过增强气象站在冰凍期间的可靠性，确保在冰冻期间风机气象站正常工作，从而保证风机在冰冻期间运行，降低叶片覆冰的可能性，极大减小叶片覆冰厚度，降低风机故障率，提高风机可利用率及发电能力。

3.2 解决措施及效果分析

3.2.1大功率气象站效果分析

1）目前使用的为浙江贝良所生产的BLF1-XⅡ大功率抗冰冻型风速风向仪。

2）存在的问题：①大功率气象站在冰冻过程中有冰雪堆积，但其转动部分未被冻住，能正常工作，其融冰速度比普通机械式气象站快4～5h;②加热功率增大至100W 对周边设备影响很小，但大功率加热器容易元件加速老化;

3）结论：更换大功率气象站能加快融冰速度，通过加长气象站，使得气象站各元件的间距加长，对缓解冰冻影响有一定作用，但大功率加热器长时间的工作，设备内部长时间处于高温状态，造成内部精密电子元件加速老化，严重影响设备的寿命。

3.2.2 更换超声波气象站

1）实施过程：于2015年11月在#10选用浙江贝良公司生产的BLF1-C型超声波气象站安装于风机气象站风向标#2位置，并将超声波气象站风况数据作为主导数据引入风机进行计算，机械式气象站风况数据作为辅助数据进行比较。在#10风机，超声波气象站加热功率为最小140 W，且能在柱体内部加热，热量能传递到测风元件顶部，且基于其工作原理并无选装部件大大减少冰冻旋转部件的影响。

2）结冰情况：安装超声波测风仪的#10风机机械式气象站被冰雪覆盖，但超声波气象站能正常工作，能实时的读取风速数据及风向;能正常的反应风电场实时的气象数据。

3）在正常天气情况下发现：#10号超声波气象站与其自身机械式气象站比较，小风时风速高出1 ～ 1.5 m/s，大风时高出2～ 3 m/s。有时会导致风力发电机组误报大风小功率故障停机，此问题已联系主控厂家做出程序修正。

4）结论：超声波能将冰冻对风机运行影响减少至最低，能保证在整个冰冻期间气象站不停运。即在冰冻情况下能保证正常工作，风速数据虽然偶尔偏高，易造成误报故障，但通过程序修正解决且不会造成风机停运，因而叶片上覆冰很少，能保证风机正常连续运行。

4 主要结论

冰冻气候对风力发电电量、风机设备安全运行的影响尤为突显。

1）原装的所有机械式抗冰冻的风向风速仪，因大功率持续长时间加热等问题造成损坏（第一批次已损坏14台），现已将24台全部更换成优化型抗冰冻型机械式风速风向仪。但是大功率加热元件持续加热对对精密元器件的损伤不可避免。因此，大功率气象站设备在考虑加热融冰的同时，关键的技术瓶颈仍然是精密电子元件的老化问题。

2）已更换超声波气象站的#10风机，虽然测出风速有些许偏差，但可通过后期程序修正解决。在冰冻天气几乎不会因为气象站结冰情况造成风机停机的情况发生，大部分停机故障为大风小功率，是由于叶片结冰造成，基本可满足机组运行要求。

3）目前，影响风力发电机组冰冻时期的工作效率的主要原因是叶片结冰，而已非气象站结冰，叶片结冰已经成为了制约我国冰冻区域风力发电发展的一个难题。

参考文献

[1]南京工程学院学报：第10卷 第3期，董红云、颜志伟、王立鹏、朱辉、王晓，风力发电机组防凝露技术研究与应用，2012年9月，46页—49页;

[2]湖南电力：第33卷增刊2，邓磊、冯高煜、曾益民，南山风电场XE82机型气象站抗冰冻的研究，2013年9月，76页—79页。