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风力发电起源于20世纪初，清洁可再生，且潜力巨大，已在全球多国得到了广泛应用。随着风电行业的发展，风力发电机的需求也越来越高。一台风机的设计寿命至少为20年，有时甚至长达30年。在此期间，无论环境多么恶劣，风机都应该以稳定可靠的性能实现最大发电量。

1结冰检测的必要性

风力发电机会受到诸多自然现象的侵蚀，如风暴、暴雨、冰雹、闪电及结冰等。风机表面结冰的问题在世界某些地区普遍存在，它可导致风机运营成本过高并对其功能和安全造成不良影响。随着寒带地区，即所谓的“寒冷气候”区新建风机数量的增加，风机结冰问题日益严重。

积冰厚度超过一毫米将影响风机的性能，而随着积冰厚度的增加，带来的负面影响也会越大。某些地区，单个系统叶片在一个冬季的结冰时间便可达到500小时或以上。这意味着在整个冬季，该系统发电量要比计划减少15%。

叶片上冰块脱落后，变成多个一千克左右的碎冰片，可能被抛到数百米外，威胁到风力发电机附近人员的安全。为此，常规的做法是在风力发电机结冰或有可能结冰时关闭风机，以确保避免发生抛冰现象（抛冰的定义是指叶片旋转时抛出冰块），即转子旋转时抛出碎冰。除识别结冰发生迹象外，还必须尽可能精确地检测结冰事件的持续时间，这是显著缩短停机时间的唯一途径。在这两种情况下，积冰的可靠检测尤为重要。

2结冰检测解决方案

叶片结冰检测系统，即结冰检测技术，种类繁多，最常见的是：

·测量环境温度；

·测量环境湿度；

·风速计比较；

·基于机舱的结冰检测器；

·摄像头系统；

·通过监测功率曲线的变化实现结冰检测；

·直接在叶片实现结冰检测。

除风力发电机发电量的各种因素和安全系数，上述解决方案因其测量方法和相关精度也各有不同。因此，形成了两种技术方案：基于机舱的结冰检测系统与叶片上结冰检测系统。

2.1基于机舱的结冰检测系统

在机舱确认是否满足叶片结冰条件，确认方法各不相同：

·比较两个风速计；

·基于超声波的结冰检测；

·采集湿度等气象数据。

所有这些方法的共通之处在于机舱与叶片的气流状态不同，由于叶片所处位置较高，叶片上气流较快（顶部速度快）。

2.2叶片上结冰检测系统

通过测量叶片上或在叶片内测量结冰情况来确定，包括以下测量方法：

（1）直接测量叶片表面

目前，在运行过程中对叶片直接进行表面测量的方法只有使用自给型电容式传感器。借助该系统，可在各叶片上安装自给型扁平电容式传感器。通过表面阻抗的变化便可检测出是否结冰，并测量其温度，同时将测量值无线传输至系统控制站。由于该测量传感器安装在叶片上，且不受风机运行状态影响，因此也可用于除冰后的无冰检测。此方法可自动重启风力发电机。

（2）间接在叶片内部测量

叶片结冰也会改变叶片的固有频率。此类变化均可通过光纤或加速度传感器进行测量，需要尽可能削弱叶片的气流激励作用，将传感器安装在叶片内部，通过风机运转采集风机参数。

3结冰检测物有所值

结冰现象可导致AEP（年发电量）损失数个百分点。根据发电厂和风场位置，每个发电厂每年损失可累积至数万欧元。相较于基于机舱的结冰检测系统，使用叶片表面结冰检测系统的风机发电量有所提高。

图1比较了基于机舱（左）与直接安装在叶片表面（右）的结冰检测系统测量的结冰停机时间，后者的测量结果促使每个冬季的发电时间可增加180小时。

图1机舱（左）与安装在叶片表面（右）的结冰检测系统的结冰停机时间比较

在叶片表面直接使用结冰检测系统时，停机时间至多可减少80%。在每年停机时间减少200小时的前提下，假设风力发电机的额定输出为3MW，每年的满负荷运行时为4000小时，每千瓦时电费为8欧分，则每年可节省48000欧元。除显著提高发电量外，该结冰检测系统还有以下优势：

·免维护；

·系统经认证；

·技术解决方案的可靠性和质量；

·无需在叶片内部布线；

·能量自给型测量装置，无需风机数据；

·即使系统处于静止状态，也可进行测量；

·精准的结冰检测；

·方案灵活，采用模块化设计。

4菲尼克斯电气智慧叶片监测系统

随着运营成本的日益提升，用户也在寻求新的技术增加经济效益。国内某重点龙头企业在新疆吉木乃地区的在役机组，受机组年龄和恶劣环境的影响，需要对老化、受损的叶片和覆冰严重的风场机组进行升级改造，以提高投资回报率，减少能源成本。菲尼克斯电气为该企业提供了叶片监测系统解决方案，可以采集机组相关数据，通过叶片上的结冰传感器，根据阻抗的变化可检测出是否结冰，并测量其温度，同时将测量值无线传输至系统控制站。

吉木乃现场机组通过结冰传感器现场检测情况，可以对叶片表面结冰状态以及温度做到实时监控，图2为实时采集图。

图2实时采集图

菲尼克斯电气结冰监测系统确保风力发电机组的可靠运行。得益于可区分结冰和污物，结冰监测的可靠性大大增强，结冰的厚度也可以用同一传感器中并行的温度测量来核实，结冰可以被明显更早地发现。可靠的评估算法，将决定是继续运行还是停机；当具备合适数量的传感器时，系统将具备自动重启功能。传感器信号通过无线传输到结冰监测控制柜。集成MATLAB&Simulink，可以将叶片加热控制模型上传到控制器中，方便集成，通过这种方法，叶片加热系统可以直接对叶片结冰的变化情况做出反应。

由于该测量传感器安装在叶片上，且不受风机运行状态影响，因此也可用于除冰后的无冰检测。此方法可自动重启风力发电机。同时内置太阳能电池和备用电池及无线数据传输，传感器可以自给自足，无需另外布线，很大程度上减少了安装成本。

菲尼克斯电气智慧叶片综合监控系统为风力发电机组创造更安全的运行条件，可助力风电用户延长机组使用寿命，获得更好的经济收益，笑看风云变化。

摘自《自动化博览》2022年8月刊