一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制方法及系统与流程

本发明涉及一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制方法及系统。主要应用于大型风力发电机组冰冻环境下的运行安全控制，可避免叶片冰载运行带来的叶片开裂、折断，机组倒塌等严重事故，提高机组的运行安全，提高机组运行可靠性。

背景技术：

我国南方多数风电场在冬季、初春都存在结冰现象，特别是云贵高原、广西、湖北和湖南等地区，大气温度低且湿度大，风力发电机组在运行过程中经常发生叶片冰载运行情况。叶片覆冰主要集中在叶片前缘附近，导致叶片翼型几何形状改变，叶片出力性能下降。当覆冰越来越多，三片叶片覆冰重量差异较大时，导致风轮出现严重的不平衡力矩，急剧极大叶片运行载荷，导致叶片开裂、折断等严重故障，甚至激起整机固有频率，出现倒塌，严重影响了风力发电机组运行安全。

现有的技术主要集中在叶片除冰技术，以叶片内腔热鼓风除冰技术和叶片前缘电加热膜铺层除冰技术为主。叶片除冰技术都要求在叶片出厂前进行设备安装，针对已运行的风电机组，难以加装除冰设备，若无除冰设备，则在叶片覆冰情况下，只能采取停机保护，造成批量风力发电机组在冬季、初春长时间停机，极大的降低了风力发电机组的发电量。

技术实现要素：

为了克服已有风力发电机组叶片覆冰情况下只能采取停机保护、降低了发电量的不足，本发明提供了一种避免叶片冰载运行带来的叶片开裂、折断和机组倒塌等严重事故、有效保障机组的运行安全和机组运行可靠性、提升发电量的风力发电机组叶片冰载运行安全控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制方法，所述方法包括：

a)根据气象环境判定信号，触发叶片冰载运行安全控制系统的启动和退出；

b)根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数判定叶片冰载运行风险等级；

c)根据叶片冰载运行风险等级输出机组功率控制信号，选取与叶片冰载运行风险等级对应的预设功率限值，叶片冰载运行风险等级判定为危险时停止机组运行。

进一步，所述步骤b)中，给出叶片冰载运行风险等级及功率控制策略，根据不同的风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数，确定不同的叶片冰载运行风险等级，并按照不同等级设定功率限值。

一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统，所述系统包括：

气象环境检测模块，用于根据大气温度数据和大气湿度数据计算出气象结冰环境判定信号；

叶片模态检测模块，用于检测每片叶片的一阶固有频率，并计算出每片叶片覆冰重量，并进一步计算出风轮旋转1p振动加速度幅值；

叶片载荷检测模块，用于检测每片叶片载荷数据，并计算出叶片结构强度安全系数；

叶片冰载运行安全控制模块，用于根据气象结冰环境判定信号触发风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统的启动和退出；根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数得到机组功率控制信号。

进一步，所述叶片冰载运行安全控制模块中，给出叶片冰载运行风险等级及功率控制策略，按照不同的风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数，确定不同的叶片冰载运行风险等级，并按照不同等级设定功率限值。

再进一步，所述气象环境检测模块包括大气温度传感器、大气湿度传感器和气象结冰环境判定模块，根据大气温度数据和大气湿度数据计算出气象结冰环境判定信号。

所述气象环境检测模块安装在风力发电机组机舱罩尾部外侧。

所述叶片模态检测模块包括光纤光栅振动传感器、光纤光栅解调仪及振动信号处理器，将光纤光栅振动信号转换为振动电信号数据，根据叶片振动数据计算出每片叶片的一阶固有频率，进而计算出每片叶片的覆冰重量，进而计算出风轮旋转1p振动加速度幅值。

所述光纤光栅振动传感器安装在叶片内部腔体，光纤光栅解调仪和振动信号处理器安装在轮毂上。

所述叶片载荷检测模块包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅解调仪及载荷信号处理器，将光纤光栅应变信号转换为应变电信号数据，根据叶片重要截面应变数据计算出叶片结构强度安全系数。

光纤光栅应变传感器安装在叶片内部腔体，光纤光栅解调仪和载荷信号处理器安装在轮毂上。

本发明的有益效果主要表现在：使风电机组能自动检测判定气象环境是否结冰，同时根据风轮旋转1p振动加速度幅值及叶片结构强度安全系数制定不同运行安全控制方案，可避免叶片冰载运行带来的叶片开裂、折断，机组倒塌等严重事故，提高机组的运行安全，提高机组运行可靠性。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统示意图；

图2为本发明叶片模态检测模块示意图；

图3为本发明叶片载荷检测模块示意图；

图4为本发明一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制方法，所述方法包括：

a)根据气象环境判定信号，触发叶片冰载运行安全控制系统的启动和退出；

b)根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数判定叶片冰载运行风险等级；

c)根据叶片冰载运行风险等级输出机组功率控制信号，选取与叶片冰载运行风险等级对应的预设功率限值，叶片冰载运行风险等级判定为危险时停止机组运行。

进一步，所述步骤b)中，给出叶片冰载运行风险等级及功率控制策略，按照不同的风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数，确定不同的叶片冰载运行风险等级，并按照不同等级设定功率限值。

一种风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统，所述系统包括：

气象环境检测模块，用于根据大气温度数据和大气湿度数据计算出气象结冰环境判定信号；

叶片模态检测模块，用于检测每片叶片的一阶固有频率，并计算每片叶片的覆冰重量，并进一步计算出风轮旋转1p振动加速度幅值；

叶片载荷检测模块，用于检测每片叶片载荷数据，并计算出叶片结构强度安全系数；

叶片冰载运行安全控制模块，用于根据气象结冰环境判定信号触发风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统的启动和退出；根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数得到机组功率控制信号。

进一步，所述叶片冰载运行安全控制模块中，给出叶片冰载运行风险等级及功率控制策略，按照不同的风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数，确定不同的叶片冰载运行风险等级，并按照不同等级设定功率限值。

本实施例的风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统示意图如图1所示，主要包括气象环境检测模块为5、叶片模态检测模块3、叶片载荷检测模块4和叶片冰载运行安全控制模块6。图中1为光纤光栅振动传感器，2为光纤光栅应变传感器。所述气象环境检测模块检测的气象结冰环境判定信号输入叶片冰载运行安全控制模块，且叶片模态检测模块检测到的每片叶片的一阶固有频率计算出每片叶片覆冰重量，并将进一步计算出风轮旋转1p振动加速度幅值输入叶片冰载运行安全控制模块，叶片载荷检测模块检测到的每片叶片载荷数据计算出叶片结构强度安全系数输入叶片冰载运行安全控制模块，冰载运行安全控制模块根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数输出机组功率控制信号。

所述气象环境检测模块安装在风力发电机组机舱罩尾部外侧，由大气温度传感器、大气湿度传感器和气象结冰环境判定模块组成，根据大气温度数据和大气湿度数据计算出气象结冰环境判定信号，用于触发风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统的启动和退出。

进一步，所述气象结冰环境判定模块，举例：根据大气湿度(rh)≥85％&&大气温度(℃)≤2℃，判定环境为结冰，启动风力发电机组叶片冰载运行安全控制系统。根据大气湿度(rh)<85％或大气温度(℃)>2℃，判定环境未结冰，则退出风力发电机组冰载运行安全控制系统。

所述叶片模态检测模块示意图如图2所示，包括光纤光栅振动传感器21、光纤光栅解调仪及振动信号处理器22，光纤光栅振动传感器安装在叶片内部腔体，光纤光栅解调仪和振动信号处理器安装在轮毂上。所述叶片模态检测模块包括：将光纤光栅振动信号转换为振动电信号数据，根据叶片振动数据计算每片叶片的一阶固有频率，并计算出每片叶片覆冰重量，进而计算出风轮旋转1p振动加速度幅值。

进一步，所述计算每片叶片的覆冰重量，可根据公式(1.1)(1.2)得出：

式中k为叶片的刚度系数。在不覆冰条件下，叶片质量为m0，其固有频率为f0；覆冰条件下，通过振动电信号数据，计算出覆冰叶片的固有频率f1；由公式(1.2)可以推导出覆冰后叶片的质量m1，进一步可以计算出覆冰重量。

进一步，所述风轮旋转1p振动加速度幅值，可由以下等式求解出：

式中，m是风轮系统质量，c是风轮系统阻尼，k是风轮系统刚度，每台机组设计完成后，上述三个参数都是已知值；是由覆冰质量产生的离心力，其中mi是第i个叶片的覆冰质量，r是叶片质心到风轮旋转中心的距离，ω是风轮旋转角速度；式中a即为风轮旋转1p振动加速度幅值，v是风轮旋转1p振动速度，x是风轮旋转1p振动位移。

所述叶片载荷检测模块示意图如图3所示，包括光纤光栅应变传感器31、光纤光栅解调仪及载荷信号处理器为32。光纤光栅应变传感器安装在叶片内部腔体，光纤光栅解调仪和载荷信号处理器安装在轮毂上。所述叶片载荷检测模块包括：将光纤光栅应变信号转换为应变电信号数据，根据叶片重要截面应变数据计算出叶片结构强度安全系数。

进一步，所述中叶片结构强度安全系数可根据等式(1.4)计算，设叶片第i个重要截面应变极限设计值为εi0，实际应变测量值为εi1，叶片结构强度安全系数为：

在控制策略中，叶片结构强度安全系数取i个重要截面中的最小值。

所述叶片冰载运行安全控制模块系统结构框图如图4所示，包括：根据气象环境检测模块的气象环境判定信号，触发叶片冰冻运行安全控制系统的启动和退出；根据风轮旋转1p振动加速度幅值和叶片结构强度安全系数判定叶片冰载运行风险等级；根据叶片冰载运行风险等级输出机组功率控制信号。表1列出了某2mw风力发电机组叶片冰载运行风险等级及功率控制策略。

表1

叶片冰冻运行安全控制模块及方法根据运行风险等级制定不同的运行控制策略，见表1。在叶片轻度覆冰情况下，机组风轮旋转1p振动加速度幅值较小且叶片结构强度安全系数较大，机组功率限制在0.7倍额定功率范围内。在叶片中度覆冰情况下，机组风轮旋转1p振动加速度幅值处于中度水平且叶片结构强度安全系数尚可，机组功率限制在0.5倍额定功率范围内。在叶片重度覆冰情况下，机组风轮旋转1p振动加速度幅值处于较高水平且叶片结构强度安全系数较小，机组功率限制在0.3倍额定功率范围内。在叶片覆冰处于危险情况下，机组应停机保护，提高机组在恶劣环境下的生存能力，保证机组的设计寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修订，或者对其中部分技术特性进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修订、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。