一种风电机组叶片融冰方法及其控制系统与流程

1.本技术涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电机组叶片融冰方法及其控制系统。


背景技术：

2.风能是一种清洁无公害的可再生能源，风力发电是指把风的动能转为电能。利用风力发电环保，且风能蕴量巨大。风力发电是现代清洁能源中的重要组成部分，符合气候变化背景下能源清洁化的需求，是人类发展不可缺少的能源来源。国内风力发电近些年保持较高增长。
3.但冬天高空温度均在零度以下，风电机组叶片表面会出现明显的结冰现象。风电机组叶片表面结冰会导致发电效率降低(从10％-50％不等)、机组停机、自动化控制受影响、冰块脱落导致安全事故等众多问题，从而直接影响风电机组的运行。
4.由此，解决风电机组叶片表面的结冰问题迫在眉睫。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种风电机组叶片融冰方法及其控制系统，利用太阳光的热辐射能量融化冰层，达到融冰效果，进而解决上述问题。
6.为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：
7.第一方面，本技术实施例提供了一种风电机组叶片融冰方法，方法包括：检测到叶片结冰，在当前风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度；光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；启动计时器，在预定时长内，通过偏航系统控制叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；检测到光照强度小于第一阈值，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光。
8.可选的，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向之前，方法还包括：获取风电机组所在地理位置的经纬度信息，基于经纬度信息以及当前时刻信息，确定当前时刻的太阳光入射方向。
9.可选的，偏航系统中设有偏航计数器，偏航计数器用于记录偏航系统所运转的圈数；通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向，包括：确定叶片垂直于太阳光的入射方向的目标角度；计算当前角度与目标角度之间的角度差；将角度差转换为运转圈数信息；将运转圈数信息发送至偏航系统，以通过偏航系统控制偏航计数器根据执行与运转圈数信息对应圈数的解缆动作或锁紧动作。
10.可选的，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光之后，方法还包括：通过偏航系统，采用主动偏航或被动偏航方式，控制机组风轮完成对风动作。
11.第二方面，本技术实施例还提供一种风电机组叶片融冰控制系统，控制系统包括：第一检测模块，用于确定叶片结冰，检测当前风力等级；第二检测模块，用于在风力等级小
于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度；控制模块，用于光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；以及，还用于启动计时器，在预定时长内，通过偏航系统控制叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；并且，在检测到光照强度小于第一阈值，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光。
12.可选的，控制系统还包括获取模块，用于获取风电机组所在地理位置的经纬度信息，基于经纬度信息以及当前时刻信息，确定当前时刻的太阳光入射方向。
13.可选的，偏航系统中设有偏航计数器，偏航计数器用于记录偏航系统所运转的圈数；控制模块，还用于：确定叶片垂直于太阳光的入射方向的目标角度；计算当前角度与目标角度之间的角度差；将角度差转换为运转圈数信息；将运转圈数信息发送至偏航系统，以通过偏航系统控制偏航计数器根据执行与运转圈数信息对应圈数的解缆动作或锁紧动作。
14.可选的，控制模块，还用于：通过偏航系统，采用主动偏航或被动偏航方式，控制机组风轮完成对风动作。
15.第三方面，本技术实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括用于存储程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，所述电子设备配置于风电机组的控制系统或者偏航系统内；当该程序指令被该处理器执行时，触发所述电子设备执行如第一方面中任一项所述的方法。
16.第四方面，本技术实施例还提供一种风电机组总控系统，所述总控系统包括偏航系统和如第二方面中任一项所述的控制系统。
17.本技术至少具备以下有益效果：
18.本技术提出的一种风电机组叶片融冰方法及其控制系统，在叶片结冰的情况下，先确定当前的风力等级是否适合进行叶片融冰操作，在风力等级符合要求的情况下再执行融冰操作，例如静风或风力不大，偏航系统有较大的操作余地，风大时，叶片需保持相对于风最小阻力的方向，防止飞车倒塔。具体地，通过偏航系统控制叶片旋转至于太阳光光线入射方向保持垂直的角度，进而使得结冰的叶片表面获得最大的光照面积，进而获得最多的日光辐射能量，达到融冰效果。该方法和控制系统，可以利用日光辐射能量进行融冰，解决风电机组叶片表面结冰问题，进而避免了由于叶片结冰导致的发电效率降低、机组停机、自动化控制受影响、冰块脱落导致安全事故等众多问题的发生，同时，该种方式利用现有的偏航系统，无需增设爬壁机器人等外设硬件设备，融冰成本更低。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例提供的风电机组叶片融冰方法的一个实施例的流程示意图；
21.图2为本技术实施例提供的风电机组叶片融冰方法的另一个实施例的流程示意图；
22.图3为本技术实施例提供的风电机组叶片融冰控制系统的模块示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.本技术提供的风电机组叶片融冰方法及其控制系统，主要应用于风电机组的叶片融冰场景。但不排除该方案也可以应用于其他设备的融冰。
25.参见图1所示，本技术实施例提供的风电机组叶片融冰方法可以包括如下流程：
26.101，检测到叶片结冰，在当前风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度。
27.风电机组的叶片表面是否结冰，可以通过偏航系统检测。叶片表面结冰后，叶片整体重量会明显增加，而偏航系统的力矩是根据叶片未结冰的原有质量进行设计得，因而，当叶片重量明显增加，超出了合理的误差范畴，那么偏航系统是可以很容易地检测到的，因而，叶片表面是否结冰，在一个实施例中，可以通过偏航系统来感知。
28.在另外的实施例中，叶片表面可以安装结冰传感器。结冰传感器可以检测飞机、输电线、建筑等物体表面是否结冰以及结冰厚度，通过结冰传感器可以将结冰信号转换为可以直接检测的电学信号。
29.在其他实施例中，为进一步降低硬件成本，也可以采用人工观察的方式来确定是否结冰。在空气能见度较好的情况下，有些叶片表面的结冰现象是可以直接通过人工肉眼观察到的，但这种情形并不适用于所有风电机组，需根据实际情况而定。
30.此外，偏航系统实际上是一种对风装置，其主要作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。同时，风电机组首要考虑的问题之一是安全问题，偏航系统还用于在风力较大时，控制叶片旋转至风力阻力最小的方位，以尽可能避免风力冲击过大而导致的倒塔等事故。由此，本技术实施例提出的方案，应在风力较小的情况下操作，例如风力等级的预定级别可以是3级或者4级，即风力小于4级或3级的情况下再执行融冰操作。
31.进一步地，能够顺利融冰的另一个必要条件，是太阳光的辐射强度达到融冰阈值(即第一阈值)，则启动融冰操作，否则光照强度过小，无法达到融冰效果。
32.102，光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向。
33.叶片与太阳光入射方向保持垂直，可以获得最大面积的日照辐射能量。
34.103，启动计时器，在预定时长内，通过偏航系统控制叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积。
35.一般地，可以设置用于控制融冰的时长，比如控制在光照强度最大的几个小时内进行融冰，或者控制融冰时长为2个小时，3个小时等。
36.104，检测到光照强度小于第一阈值，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光。
37.检测光照强度的操作，可以在预定时长内进行，也可以在达到预定时长之后再执行。
38.下面列举一个具体的实施例：
39.201，检测风电机组叶片表面是否结冰。
40.叶片表面可以安装结冰传感器，通过结冰传感器的输出信号来识别是否结冰以及结冰厚度。
41.202，在确定叶片表面已结冰的情况下，获取当前的风力等级信息，判断当前风力等级是否小于预定级别。是，则进入步骤203，否，则结束流程或返回步骤201。
42.203，风力等级小于预定级别，则获取当前太阳光的光照强度(illumination)信息(即日光辐射强度)，判断光照强度是否大于第一阈值。是，则进入步骤204，否，则继续检测光照强度，直至达到第一阈值。
43.在该实施例中，一种可行方式为，风电机组的叶片表面布设有光电传感器或日射强度计，通过光电传感器直接测量当前的光照强度信息。
44.在其他实施例中，光照强度可以通过光照强度测量仪来检测，检测出的数据输入到风电机组的控制系统或者偏航系统中。或者，风电机组可以集成有光照强度测量仪，测量仪的输出数据直接传输至控制系统。
45.204，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向。
46.该步骤首先要确定当前太阳光的入射方向。在该实施例中，入射方向可以理解为光线入射角。该入射角，为太阳光线与受照平面法线的夹角。该入射角的确定，需要用到风电机组当地的纬度、赤纬角、时角等参数信息。
47.在其他实施例中，太阳光的入射方向，也可以理解为太阳直射光线与风电机组叶表面的法线之间的夹角，太阳入射角随太阳高度角、方位、叶片方位(即叶片姿态角度等)、叶片表面倾斜度的不同而改变。入射角的大小影响叶片表面接收到的太阳辐射能量。叶片表面处于直立状态下，太阳入射角的计算式为cosi＝cosh*cosγ，i为太阳入射角，h为太阳高度角，γ为太阳方位角。其他情形下，还要结合叶片方位姿态信息来计算入射角。
48.确定太阳入射方向之后，通过偏航系统将风电机组的各个叶片旋转至与太阳的直射光线尽量垂直的方位或者角度。也就是，叶片表面的法线方向尽可能地与太阳的直射光线的夹角趋近于0，以使得叶片表面获得最大的日照辐射能量。
49.具体地，在该实施例中，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向，可以是先确定叶片的目标角度，然后计算当前角度与目标角度之间的角度差。目标角度和当前角度，可以理解为风电机组叶片的目标姿态信息和当前姿态信息。姿态信息包含方位角信息，因而，此处的角度可以理解为方位角，也可以理解为叶片与某个固定参照面之间的夹角。
50.接下来，将角度差转换为运转圈数信息。将运转圈数信息发送至偏航系统，以通过偏航系统控制偏航计数器根据执行与运转圈数信息对应圈数的解缆动作或锁紧动作。
51.205，启动计时器，在预定时长内，通过偏航系统控制叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积。
52.太阳光线的入射角度是持续变化的，因而，为了持续获得最大的光照辐射强度，需要持续追踪太阳直射光线，即在预定时长内持续保持叶片表面法线与太阳光线入射方向之间的夹角趋近于0。
53.206，检测到光照强度小于第一阈值，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光。
54.在该实施例中，步骤206可以在步骤205中的计时时长达到预定时长之后再执行，例如，预定时长为3个小时，那么在计时器进行计时的预定时长3个小时内，不进行光照强度
是否小于第一阈值的检测和判断，而是3个小时结束后，再进行光照强度的检测。融冰时长最少3个小时。
55.在其他实施例中，可以在预定时长内进行光照强度检测，也就是计时的时间长度还未达到预定时长，在该时间段内，每隔一个周期轮询光照强度信息，例如，在3个小时内，每隔一个小时或者半个小时，检测一下光照强度信息，光照强度达不到可以融冰的强度，则提前结束计时，停止融冰，通过偏航系统控制叶片归位或者寻找对风方位，以获得最大的风能。该种方式下，融冰时长可能小于3个小时。
56.本技术实施例还提供一种风电机组叶片融冰控制系统，参阅图3所示，该控制系统包括：
57.第一检测模块，用于确定叶片结冰，检测当前风力等级。
58.第二检测模块，用于在风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度。
59.控制模块，用于光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；以及，还用于启动计时器，在预定时长内，通过偏航系统控制叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；并且，在检测到光照强度小于第一阈值，通过偏航系统控制叶片停止追随太阳光。
60.为了进一步理解本技术实施例提供的控制系统，下面进行一些补充说明。
61.示例性地，控制系统中，根据结冰传感器获取到的叶片结冰状态以及主机的运行状态，可分为三种工作模式：叶片结冰同时主机停机、叶片结冰同时主机未停机、叶片未结冰同时主机未停机。根据叶片和主机的运行状态进行以下不同的三种操作方式：
62.模式一：当叶片结冰同时主机停机，启动喷射装置对叶片进行除冰作业。模式二：当叶片结冰同时主机未停机，通过感知日光辐射能量达到融解阈值(第一阈值)，对叶片进行除冰，同时启动追光模式，偏航系统控制叶片偏航方向，控制叶片最大面积面对日光。模式三：当叶片未结冰同时主机未停机，喷射装置、偏航追光系统均处于待机状态。
63.风电机组的偏航系统中一般设有偏航计数器，偏航计数器记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位，计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定。此外，风电机组的偏航系统中设有偏航计数器，可以根据太阳直射角度(即入射角度)、地球的经纬度计算风电机组的偏航角度，使其始终随着太阳直射角度进行变化。
64.具体地，风电机组偏航系统控制叶片方位姿态的方式有两种：一：与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能；二：提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。
65.示例性地，控制系统中的偏航系统，包括主动偏航系统、被动偏航系统。偏航系统可以由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。
66.其中，被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式，其中并网型风力发电机组，采用主动偏航的齿轮驱动形式。
67.示例性地，结冰传感器可以安装于机舱外部，其中检测信号传送至电控单元，叶片位置传感器安装于轮毂内发电机码盘。
68.示例性地，风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿形式两种，偏航驱动装置可以采用电机驱动或液压马达驱动，制动器分为常闭式或常开式，常开式制动器指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于锁紧状态的制动器，常闭式制动器指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器，采用常开式制动器时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。
69.需要说明的是，在偏航系统中，叶片转速及叶片位置确定追日系统除冰系统的启停时间，电控单元安装于塔筒内基础环或业主指定部位，由一次动力电源模块、控制回路、通讯回路组成，远程监控平台安装于中控室。
70.综上，本技术实施例提供的风电机组融冰方法和控制系统，根据监测到的叶片是否结冰的传感器数据，以及根据风电机组所在地的气象信息，感知日光辐射能量达到融解阈值，启动追光模式；在追光模式中，偏航系统控制叶片偏航方向，控制叶片获取最大日光照射能量；风电机组中的叶片跟随太阳直射角度移动，进行融冰。
71.该方法及其控制系统，通过偏航系统控制叶片偏航方向最大面积面对日光，风电机组中的叶片跟随太阳直射角度移动，通过太阳光照进行除冰作业，降低能源的消耗。解决了由于叶片结冰导致的一系列问题。
72.以上显示和描述了本技术的基本原理、主要特征和本技术的优点。本行业的技术人员应该了解，本技术不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本技术的原理，在不脱离本技术精神和范围的前提下本技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本技术的范围内。本技术要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种风电机组叶片融冰方法，其特征在于，所述方法包括：检测到叶片结冰，在当前风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度；所述光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；启动计时器，在预定时长内，通过所述偏航系统控制所述叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；检测到所述光照强度小于所述第一阈值，通过所述偏航系统控制所述叶片停止追随太阳光。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向之前，所述方法还包括：获取所述风电机组所在地理位置的经纬度信息，基于所述经纬度信息以及当前时刻信息，确定当前时刻的太阳光入射方向。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏航系统中设有偏航计数器，偏航计数器用于记录偏航系统所运转的圈数；所述通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向，包括：确定所述叶片垂直于所述太阳光的入射方向的目标角度；计算当前角度与所述目标角度之间的角度差；将所述角度差转换为运转圈数信息；将所述运转圈数信息发送至所述偏航系统，以通过所述偏航系统控制所述偏航计数器根据执行与所述运转圈数信息对应圈数的解缆动作或锁紧动作。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述通过所述偏航系统控制所述叶片停止追随太阳光之后，所述方法还包括：通过所述偏航系统，采用主动偏航或被动偏航方式，控制机组风轮完成对风动作。5.一种风电机组叶片融冰控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：第一检测模块，用于确定叶片结冰，检测当前风力等级；第二检测模块，用于在风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度；控制模块，用于所述光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；以及，还用于启动计时器，在预定时长内，通过所述偏航系统控制所述叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；并且，在检测到所述光照强度小于所述第一阈值，通过所述偏航系统控制所述叶片停止追随太阳光。6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括获取模块，用于获取所述风电机组所在地理位置的经纬度信息，基于所述经纬度信息以及当前时刻信息，确定当前时刻的太阳光入射方向。7.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述偏航系统中设有偏航计数器，偏航计数器用于记录偏航系统所运转的圈数；所述控制模块，还用于：确定所述叶片垂直于所述太阳光的入射方向的目标角度；计算当前角度与所述目标角
度之间的角度差；将所述角度差转换为运转圈数信息；将所述运转圈数信息发送至所述偏航系统，以通过所述偏航系统控制所述偏航计数器根据执行与所述运转圈数信息对应圈数的解缆动作或锁紧动作。8.根据权利要求5-7中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块，还用于：通过所述偏航系统，采用主动偏航或被动偏航方式，控制机组风轮完成对风动作。9.一种电子设备，所述电子设备包括用于存储程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其特征在于，所述电子设备配置于风电机组的控制系统或者偏航系统内；当该程序指令被该处理器执行时，触发所述电子设备执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。10.一种风电机组总控系统，其特征在于，所述总控系统包括偏航系统和如权利要求5-8中任一项所述的控制系统。

技术总结
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电机组叶片融冰方法及其控制系统，该方法包括：检测到叶片结冰，在当前风力等级小于预定级别的情况下，检测当前太阳光的光照强度；所述光照强度达到第一阈值的情况下，通过偏航系统控制风电机组的叶片旋转至垂直于太阳光的入射方向；启动计时器，在预定时长内，通过所述偏航系统控制所述叶片追随太阳光的入射方向旋转，以获得最大的光照面积；检测到所述光照强度小于所述第一阈值，通过所述偏航系统控制所述叶片停止追随太阳光。该控制系统包括第一检测模块，第二检测模块和控制模块。该方法和控制系统，可以利用日光辐射能量融化风电机组叶片表面的冰层。组叶片表面的冰层。组叶片表面的冰层。


技术研发人员：段凡卫 朱彬彬 田树臣 黄烁 江波 姚波 王豪 沈威 董惠 罗勇兵 杜文祥 刘玉江
受保护的技术使用者：龙源保康风力发电有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/6/28