一种南方山地风电风机融冰系统及融冰方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种南方山地风力发电风机融冰系统及融冰方法。


背景技术：

2.风能是无污染、取之不尽用之不竭的可再生能源。因此，利用风能发电是目前全球最具价格竞争优势的发电技术之一。截止2020年底，我国风电累计并网装机容量为2.81亿千瓦，规模居世界首位。由于三北地区离负荷中心较远，风电建设受电网送出限制，风电建设放缓，华中地区由于离负荷区域较近，便于就近消纳，华中地区风电装机容量稳定持续增长。在我国，华中地区发展风电与三北地区发展风电具有较大差异。三北地区风资源较为丰富，风电厂址建设条件好。同时，三北地区空气湿度小，低温情况风力发电机组一般不会发生冰冻。而华中地区风资源较为匮乏，具备商业开发的风资源区域一般位于海拔较高的山地。其中，位于华中地区的南方山地由于海拔高和空气湿度大，低温情况下风电机组会发生冰冻。
3.为保证风电机组风机叶片安全运行，在风机叶片发生冰冻时，需要对风电机组做停机处理。在高山低温时，由于山下与山上温差悬殊，山上风速一般较大，此时停机造成发电量损失。据统计，一个5万千瓦南方山地风电一年低温冰冻发电量损失约200万千瓦时。按照陆上风电四类资源区0.6元/千瓦时计，一年一个5万千瓦风电场直接经济损失120万元，相当于损失标准煤约640吨。按照湖南地区1000万风电装机，80％风电为山地风电考虑，一年低温冰冻发电量损失约4亿千瓦时，经济损失2.4亿元，相当于损失标准煤约12.8 万吨。
4.目前，南方山地风力发电系统主要有以下不足：1)风机主机厂仅站在厂方角度生产风力发电机，如简单的集成风机叶片和风机塔筒，未从全局角度出发考虑各工况下运行解决方案，使得在出现冰冻情况时只能做停机处理；2)风机叶片生产商仅根据风机整体要求生产具备捕获风能的叶片，未对风机叶片进行处理来应对低温运行环境；3)由于风力发电机各部件生产商未统筹考虑各部件之间的联系，未充分利用好各设备资源，造成南方山地风电冰冻发电量损失。
5.综上所述，急需一种南方山地风力发电风机融冰系统及融冰方法以解决现有风力发电在出现冰冻情况时只能做停机处理而导致发电量损失的问题。


技术实现要素：

6.本发明第一目的在于提供一种南方山地风力发电风机融冰系统，具体技术方案如下：
7.一种南方山地风力发电风机融冰系统，包括风力发电机组、融冰电气设备和融冰控制器；
8.所述风力发电机组包括风力发电机和电能转换设备，所述风力发电机包括叶片，在叶片的表面上设置导电膜；所述风力发电机的输出端与电能转换设备连接；
9.所述融冰电气设备包括融冰变压器和远程控制断路器qf5；所述融冰变压器的进线端与电能转换设备的输出端连接，所述融冰变压器的出线端与远程控制断路器qf5的进线端连接；所述远程控制断路器qf5的出线端与叶片上的导电膜连接；
10.所述融冰控制器与远程控制断路器qf5连接。
11.优选的，所述南方山地风力发电风机融冰系统，还包括箱式变压器、35kv配电装置和升压站；
12.所述箱式变压器包括低压断路器qf1和变压器本体，所述低压断路器qf1的进线端通过交流电缆与电能转换设备的输出端连接；所述低压断路器qf1的出线端通过铜排与变压器本体的低压侧连接；所述变压器本体的高压侧与35kv配电装置连接；
13.所述35kv配电装置包括进线断路器qf2和出线断路器qf3，所述进线断路器qf2的进线端与变压器本体的高压侧连接；所述进线断路器qf2的出线端通过交流母线与出线断路器qf3的进线端连接；所述出线断路器qf3的出线端与升压站连接；
14.所述升压站包括主变压器和出线断路器qf4，所述主变压器的低压侧与出线断路器 qf3的出线端连接，而高压侧通过出线断路器qf4后将电能送至电网。
15.优选的，所述风力发电机组的数量至少为两组。
16.优选的，所述融冰控制器包括显示部件、单片机、串口通讯驱动电路、无线通信电路和rs485转换器；所述无线通信电路通过串口通讯驱动电路分别与单片机和终端设备连接；所述单片机通过rs485转换器与远程控制断路器qf5连接；所述显示部件与单片机连接。
17.优选的，所述变压器本体包括油浸式变压器或干式变压器。
18.优选的，所述单片机的型号为p89v51rd2fa。
19.本发明第二目的在于提供一种南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，具体技术方案如下：
20.一种所述南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，包括以下步骤：
21.步骤s1、对选定区域中的所有风力发电机组进行逐一编号；
22.步骤s2、采用风功率预测系统分别设置风力发电机组有效发电时间twg、融冰变压器出线端电压urb、导电膜电阻rrb、融冰所需时间trb以及融冰启动后持续发电时间t；采集风功率预测系统中风力发电机组有效发电时间twg内产生的功率为pwg；计算风力发电机组有效发电时间twg内所产生的预测电能w＝pwgtwg，计算融冰所需的融冰能量 q＝u2rbtrb/rrb；
23.比较预测电能w与融冰能量q的大小，若w＜q，则意味着融冰所需能量q大于预测所能产生的电能w，此时融冰将会需要电网额外的电能，风电场不进行融冰；若w≥q，则意味着融冰所需能量q不大于预测所产生的电能w，此时融冰不需要电网额外的电能，风电场启动融冰程序；
24.步骤s3、当初始融冰完成后启动风力发电机组发电，采集融冰后风功率预测系统持续发电时间t内产生的功率为p
t
，计算持续发电时间t内风力发电机组所产生的预测电能 w
t
＝p
t
t；计算风力发电机组持续运行融冰所需能量q
c
＝u
2rb
t/r
rb
；
25.比较预测电能w
t
与融冰所需能量q
c
的大小，若w
t
＜q
c
，则表示融冰所需能量q
c
大于预测电能w
t
，此时融冰需要额外消耗电网电能，风力发电机组停止融冰程序；若w
t
≥ q
c
，则表示融冰所需能量q
c
不大于预测所产生的电能w
t
，此时融冰通过风力发电机组产生电能完
成，风力发电机组继续运行融冰程序完成，不需要电网提供电能。
26.优选的，在步骤s2和步骤s3中的风力发电机组融冰由融冰控制器控制。
27.优选的，在步骤s1中，所有的风力发电机组均通过融冰控制器与终端设备连接。
28.优选的，所述融冰变压器出线端电压urb的电压可以是380v或者400v。
29.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
30.(1)本发明中所述的南方山地风力发电风机融冰系统，充分统筹考虑风机系统各部件的特点，不增加储能设备，初始融冰利用风电场原有系统通过电网倒送电实现。具体的，所述南方山地风力发电风机融冰系统在刚开始运行时，风力发电机组结冰停运，通过电网倒送电的方式帮助叶片融冰，即电网将电能通过升压站、35kv配电装置、箱式变压器和融冰电气设备传输至叶片导电膜上，通过导电膜发热融冰。
31.(2)本发明中所述的南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，在系统初始状态冰冻情况下，通过风力发电机组预测发电量与融冰电能大小判别后，融冰通过电网倒送电完成，在初始融冰完成后引入融冰持续判断程序，若所需融冰能量大于预测电能，风力发电机组停止融冰程序；若所需融冰能量不大于预测电能，此时融冰通过风力发电机组所发电能完成，不需电网提供电能。本发明中所述的南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，在所需融冰能量不大于预测电能时，使得所述南方山地风力发电风机融冰系统在不额外消耗电网电能的情况下融冰，降低融冰能耗，节约电能，降低运维成本。
32.(3)本发明中所述的南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，采用风功率预测系统引入预测电能与融冰能量的大小比较，在所需融冰能量不大于预测电能时，还能够使风力发电机组具备低温运行能力，大大减少了风力发电机组的发电量损失。
33.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
34.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
35.图1是本发明实施例1中的一种南方山地风力发电风机融冰系统的结构示意图(图1 中显示表示显示部件)；
36.图2是本发明实施例1中的风力发电机的结构示意图；
37.图3是图2中叶片与导电膜组合安装后的结构示意图；
38.图4是本发明实施例1中的一种南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法流程图；
39.图5是本发明实施例1中的融冰控制器与监控后台间的通讯示意图。
具体实施方式
40.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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例1：
42.参见图1
‑
3，一种南方山地风力发电风机融冰系统，包括风力发电机组、融冰电气设备和融冰控制器；
43.所述风力发电机组包括风力发电机和电能转换设备，所述风力发电机包括塔筒、轮毂、机舱和叶片，所述塔筒竖直设置在地面上，所述轮毂和机舱设置在塔筒的顶部，所述叶片设置在轮毂上，在叶片的表面上设置导电膜；所述风力发电机的输出端与电能转换设备连接；
44.所述融冰电气设备包括融冰变压器和远程控制断路器qf5；所述融冰变压器的进线端与电能转换设备的输出端连接，所述融冰变压器的出线端与远程控制断路器qf5的进线端连接；所述远程控制断路器qf5的出线端与叶片上的导电膜连接；
45.所述融冰控制器与远程控制断路器qf5连接。
46.参见图1，所述南方山地风力发电风机融冰系统，还包括箱式变压器、35kv配电装置和升压站；
47.所述箱式变压器包括低压断路器qf1和变压器本体(图中示为变压器)，所述低压断路器qf1的进线端通过交流电缆与电能转换设备的输出端连接；所述低压断路器qf1的出线端通过铜排与变压器本体的低压侧连接；所述变压器本体的高压侧与35kv配电装置连接；
48.所述35kv配电装置包括进线断路器qf2和出线断路器qf3，所述进线断路器qf2的进线端与变压器本体的高压侧连接；所述进线断路器qf2的出线端通过交流母线与出线断路器qf3的进线端连接；所述出线断路器qf3的出线端与升压站连接；
49.所述升压站包括主变压器和出线断路器qf4，所述主变压器的低压侧与出线断路器 qf3的出线端连接，而高压侧通过出线断路器qf4后将电能送至电网。
50.参见图5，所述风力发电机组的数量为n组，其中，n不小于2，具体n值根据实际需求确定。n组风力发电机组通过融冰控制器(具体为融冰控制器中的单片机)连接终端设备，该处连接方式具体为每个风力发电机组中的融冰控制器通过串口通讯驱动电路连接无线通信电路，实现信号传输至终端设备上，具体的，该信号依次通过设置在终端处的无线通信电路、串口通讯驱动电路传输至终端设备上，所述终端设备通过串口通讯驱动电路连接无线通信电路；
51.所述终端设备为计算机(附带主机，还可根据实际需要设置与主机连接的打印机)，用于显示和调控所有风力发电机组的运行状况和融冰状况。
52.参见图1，所述融冰控制器包括显示部件、单片机、串口通讯驱动电路、无线通信电路和rs485转换器；所述无线通信电路通过串口通讯驱动电路分别与单片机和终端设备连接；所述单片机通过rs485转换器与远程控制断路器qf5(所述远程控制断路器qf5具有485通信接口)连接；所述显示部件(具体为显示器)与单片机连接，用于显示风力发电机组的运行状况和融冰状况。
53.所述变压器本体包括油浸式变压器或干式变压器，具体选用哪种变压器根据实际需求确定。
54.所述单片机的型号为p89v51rd2fa。
55.参见图4，一种采用所述南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，包括以下步
骤：
56.步骤s1、对南方山地选定区域中的所有风力发电机组进行逐一编号；编号原则是根据风力发电机组距离升压站的由远到近的顺序顺次编号；
57.步骤s2、采用风功率预测系统(属于现有预测方法)分别设置风力发电机组有效发电时间t
wg
(t
wg
是指启动融冰程序后风功率预测系统中风力发电机组所能发电的时间)、融冰变压器出线端电压u
rb
、导电膜电阻r
rb
(r
rb
是指风力发电机组中的叶片上的导电膜电阻总和)、融冰所需时间t
rb
(t
rb
根据现场情况具体设置)以及融冰启动后持续发电时间t；采集风功率预测系统中风力发电机组有效发电时间t
wg
内产生的功率为p
wg
；计算风力发电机组有效发电时间t
wg
内所产生的预测电能w＝p
wg
t
wg
，计算融冰所需的融冰能量q＝u
2rb
t
rb
/r
rb
；
58.比较预测电能w与融冰能量q的大小，若w＜q，则意味着融冰所需能量q大于预测所能产生的电能w，此时融冰将会需要电网额外的电能，风电场不进行融冰；若w≥q，则意味着融冰所需能量q不大于预测所产生的电能w，此时融冰不需要电网额外的电能，风电场启动融冰程序；
59.步骤s3、当融冰完成后启动风力发电机组发电，由于风力发电机组周围环境未发生改变，叶片可能会被再次结冰，简单的一次性融冰不能杜绝未来一段时间内的结冰风险；因此，引入风力发电机组融冰持续判断程序(参见图4)，用于判断未来一段时间风力发电机组是否继续融冰，具体是：采集融冰后风功率预测系统持续发电时间t内产生的功率为p
t
，计算持续发电时间t内风力发电机组所产生的预测电能w
t
＝p
t
t；计算风力发电机组持续运行融冰所需能量q
c
＝u
2rb
t/r
rb
；
60.比较预测电能w
t
与融冰所需能量q
c
的大小，若w
t
＜q
c
，则表示融冰所需能量q
c
大于预测电能w
t
，此时融冰需要额外消耗电网电能，风力发电机组停止融冰程序；若w
t
≥ q
c
，则表示融冰所需能量q
c
不大于预测所产生的电能w
t
，此时融冰通过风力发电机组产生电能完成，风力发电机组继续运行融冰程序完成，不需要电网提供电能。
61.所有的风力发电机组均通过融冰控制器与终端设备连接。
62.在步骤s2和步骤s3中的风力发电机组融冰由融冰控制器控制，即所述融冰程序设置在融冰控制器中，所述融冰程序对应的融冰过程为风力发电机组通过风力发电机发电，将产生的电能通过电能转换设备转换后，经融冰电气设备传输至叶片上的导电膜上，通过导电膜发热融冰。
63.所述融冰变压器出线端电压u
rb
的电压可以是380v或者400v，具体电压根据实际需求确定。
64.实施例1所述的风功率预测系统是指在风电场建设过程中必须安装的用于预测未来一段时间内风电场出力功率的系统。
65.在实施例1中所述的南方山地风力发电风机融冰系统，结合融冰方法，在系统初始状态冰冻情况下，通过风力发电机组预测发电量与融冰电能大小判别后，融冰通过电网倒送电完成，在初始融冰完成后引入融冰持续判断程序，若所需融冰能量大于预测电能，风力发电机组停止融冰程序；若所需融冰能量不大于预测电能，此时融冰通过风力发电机组所发电能完成，不需电网提供电能。本发明中所述的南方山地风力发电风机融冰系统的融冰方法，在所需融冰能量不大于预测电能时，使得所述南方山地风力发电风机融冰系统在不额外消耗电网电能的情况下融冰，降低融冰能耗，降低运维成本。
66.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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。