程乐

摘要： 通过对风机叶片电加热除冰系统的研究，并在风电场得到批量应用。通过对运行数据的统计分析，得出电加热系统的除冰效率。同时针对风电场的实际气候条件，对机组的控制策略进行进一步优化，以达到减少凝冰损失电量的目的。

关键词： 风机;叶片;电加热;发电量

引言

目前国内外风机防凝冰研究的技术路线主要是叶片涂层以及热风式加热除冰，其中叶片涂层容易受风沙的侵蚀，而热风式加热除冰由于叶片面积较大，无法达到有效的除冰效果。

因此本文提出的基于电加热方式的叶片防凝冰技术路线，是在叶片表面铺加热膜，直接对叶片表面进行加热，可以提高加热效率，较少凝冰损失电量。

风机电加热除冰系统概述

风机电加热除冰系统原理

风机电加热除冰系统主要包括：机组除冰供电系统、结冰检测系统、叶片加热系统、叶片温度监控系统以及除冰控制系统。

叶片加热系统说明

叶片加热系统包括：加热膜、绝缘材料、金属网，加热控制板和温度监控板，温度传感器，铜柱等。

电加热膜铺层结构

叶片前缘位置铺设电加热膜，电加热膜的功率密度为275W/㎡。电加热膜外侧再铺设防雷金属网，用于保护加热膜。（雷电击点落到加热膜区域时金属网会将雷电流导走）。

叶片加热膜布置

一是距叶根5m至20m上下壳体各铺设两条加热膜，20m至37m上下壳体各铺设一条加热膜（考虑加热区域应包含叶片前缘至叶片翼型最大厚度位置，即前缘至30%弦长位置）。

二是加热膜弦长方向距前缘60mm，同一壳体两条加热膜弦长方向相距60mm。

三是考虑加热效率，加热膜长度方面每8m一段，长度方面每段相距100mm。

加热膜电气接线方式

预埋的电源线与铜柱连接，铜柱再分别和加热膜连接。

加热控制和温度监控采集

叶片加热控制柜中主要有叶片加热控制板和温度监控板。加热控制板负责给各个区域的加热膜供电;温度监控板通过温度传感器（PT100）监测叶片加热膜区域温度，当温度超过设置值时，停止对加热膜的供电。同时温度监控板需要把检测到的温度数据通过信号转换为profibus‐DP信号，接入变桨柜发给主控系统。

防雷系统

叶片表面布置电加热膜，金属网的布置区域覆盖加热膜，弦向长出加热膜50mm，轴向长出100mm。在叶片根部，使用铝板和金属网全面接触，之后将铝板使用导线连接到引下系统。

风机电加热控制说明程序

风机触发风速功率不匹配（风机实际功率低于理论功率的25%）结冰停机，风机启动叶片加热除冰系统，加热40分钟后，风机启机并网，如果风机再次触发风速与功率不匹配故障，风机停机，再加热40分钟启机并网，重复此过程5次后，风机会报自启动次数超限故障停机，需人工干预复位启机。

风機电加热系统运行数据分析

以某台风机为例，图6是从2019年2月8日0点到2019年2月11日24点风机运行数据。

从图3中可以看出，2月8日22：30开始机组结冰，2月11日环境温度升高，接近–2度，存在自然融冰环境，由此可以认为本次结冰期结束。

此期间，机组通过叶片加热除冰系统，在结冰停机后经过40分钟的叶片加热过程，启机发电，在结冰期的开始阶段，通过加热除冰后，机组能够正常发电，该过程持续两次，后因环境太恶劣，机组叶片加热除冰后很快叶片又覆上冰，机组不能正常发电。

从图3中可以看出，在结冰初期，机组结冰停机后，通过叶片加热除冰，再次启机时机组能正常发电;但是在结冰严重的时候，停机加热后，在启机发电的过程中叶片表面很快又结冰，功率较差。因此只能反复进行停机除冰再启机发电。其他机组加热除冰过程类似。

图3中记录了风机5次加热除冰过程，从图中可以看出，停机期间代表风机在进行加热，加热时间基本上都在40分钟左右。由于风机覆冰严重，并网约30分钟后，风机触发风速与功率不匹配故障，风机继续执行停机加热除冰程序。

通过对0605号风机运行数据进行分析，此期间风机累计发电量73103千瓦时，占风机理论发电量134448千瓦时的54.37%。

总结

通过风机电加热除冰系统的研究，可以使风机在凝冰情况下，风机实际功率能达到理论功率的54.37%，能解决凝冰时风机无法发电的问题。同时通过对风机的实际运行工况进行分析，可以对电加热除冰系统控制策略进行进一步优化，进而减少凝冰损失电量。

参考文献

牟书香，吴芮等.基于高分子电热膜的风电叶片复合材料试验件电热除冰性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2014（06）.

舒立春，戚家浩，胡琴，等.风机叶片电加热除冰及电阻丝布置方式试验研究[J].中国电机工程学报，2017，37（13）：3816–3822.

舒立春，戚家浩，胡琴，等.风机叶片电加热防冰模型及分区防冰方法[J].中国电机工程学报，2017，37（5）：1448–1454.