CN109281807B - 一种风电叶片除冰***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电叶片除冰***及其控制方法。该风电叶片除冰***包括温度传感器、控制组件和除冰组件温度传感器布置在每个叶片内，每个叶片内分别布置有除冰组件，控制组件接收温度传感器的信号且能够分别单独控制每个叶片内的除冰组件。该控制方法包括叶片加热的分时循环控制方法和分时分区域控制方法以及叶片的极限温度保护策略。本发明不仅能够减小叶片加热时的瞬时用电功率，降低滑环的设计需求，而且能够提高除冰效率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电叶片除冰***及其控制方法。
背景技术
风力发电是把风的动能转化为电能的一种风电方式。在空气温度减低或湿度较大的地方，风机叶片经常出现结霜、结冰的情形。叶片大量结冰时，会使风机的效率降低，机组的输出功率减小，影响电网***的运行安全性。因此，能够及时有效检测风机叶片的结冰情况，并及时除冰，对风机发电***的稳定运行有重大意义。
目前现有的风电叶片主动除冰技术主要分为气热、电热及气电联合等技术途径。然而现有的主动除冰技术存在瞬时用电功率较大，对变桨滑环的设计冗余要求较高，叶片除冰效率较低以及无法实现叶片加热保护的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术中存在的缺陷，提供了一种风电叶片除冰***及其控制方法。该风电叶片除冰***及其控制方法不仅能够降低叶片加热时的瞬时用电功率，降低滑环的功率需求，而且能够提高叶片的除冰效率，并实现对叶片的加热保护。
为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案概述如下：
一种风电叶片除冰***，包括温度传感器、控制组件和除冰组件，其特征在于，温度传感器布置在每个叶片内，每个叶片内分别布置有除冰组件，控制组件接收温度传感器的信号且能够分别单独控制每个叶片内的除冰组件。
进一步的，所述除冰组件为气热除冰组件，所述气热除冰组件包括加热器、鼓风装置、管道和分流管道，所述管道分别设置在叶片的前缘和后缘内，所述加热器设置和鼓风装置分别设置在叶片内腔，所述分流管道为一三通式分流管道，所述分流管道分别与前缘和后缘中的管道以及加热器的出口连通。
进一步的，所述控制组件包括设置所述分流管道内部的两个开关装置I，所述开关装置I可分别单独控制所述前缘和所述后缘中的两个所述管道的通断。
进一步的，所述除冰组件为电热除冰组件，所述电热除冰组件包括多个电加热元件，多个所述电加热元件沿叶片长度方向依次设置在叶片前缘和/或后缘上。
进一步的，所述控制组件包括多个开关装置II，所述多个电气开关装置II可分别单独控制所述多个电加热元件。
进一步的，所述多个电气开关装置布置在叶片前缘和/或后缘的表面和/或内部。
进一步的，所述除冰组件为气电联合加热除冰组件，所述气热除冰组件包括加热器、鼓风装置、管道和分流管道，所述管道分别设置在叶片的前缘和后缘内，所述加热器设置和鼓风装置分别设置在叶片内腔，所述分流管道为一三通式分流管道，所述分流管道分别与前缘和后缘中的管道以及加热器的出口连通，所述电热除冰组件包括多个电加热元件，多个所述电加热元件沿叶片长度方向依次设置在叶片前缘和/或后缘上，所述控制组件包括设置所述分流管道内部的两个开关装置I和布置在叶片前缘和/或后缘的表面和/或内部的多个电气开关装置II，所述开关装置I可分别单独控制所述前缘和所述后缘中的两个所述管道的通断，所述电气开关装置II可分别单独控制所述多个电加热元件。
进一步的，所述温度传感器布置在加热器和管道的出口处，和/或，温度传感器布置在多个电加热元件的中间区域。
一种使用上述风电叶片除冰***的除冰控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.根据监测到的叶片覆冰情况，当叶片需要除冰时，首先启动一个叶片中的除冰组件；
步骤2.将温度传感器检测到的叶片上的加热温度和加热时长与预先设定的温度和时长进行比较，判断加热是否完成；若判断加热完成，则关闭该叶片中的除冰装置；
步骤3.启动另一个叶片中的除冰组件，并重复步骤2；
步骤4.重复步骤1-3直至所有叶片完成除冰。
进一步的，当步骤1中的除冰组件为气热除冰组件时，通过分流管道和两个开关装置I控制位于叶片前缘和叶片后缘中的两个管道，单独加热叶片前缘或叶片后缘中的一个。
进一步的，当步骤1中的除冰组件为电热除冰组件时，通过多个电气开关装置II分别控制多个电加热元件。
进一步的，当步骤1中的除冰组件为气电联合加热除冰组件时，通过分流管道和两个开关装置I控制位于叶片前缘和叶片后缘中的两个管道，单独加热叶片前缘或叶片后缘中的一个，通过多个电气开关装置II分别单独控制多个电加热元件中的一个。
进一步，所述步骤2中的所述预先设定的温度包括预先设定的安全温度和预先设定的极限温度；当判断加热完成而停止加热后，加热元件进入冷却期，加热元件在冷却期期间不能再次启动，加热元件的温度冷却到预先设定的安全温度时结束冷却期。
进一步的，当加热元件的加热温度超出预先设定的极限温度时，加热元件停止加热。
本发明所取得的有益技术效果是：
1.本发明通过在每个叶片上分别设置可单独控制的除冰组件，在叶片除冰时分别单独对叶片进行加热，降低叶片加热时的瞬时用电功率，降低滑环的功率需求；
2.本发明解决了叶片前后缘同时加热需要大功率加热装置的问题，通过前后缘分时分区的加热控制方法，加热装置仅单独加热叶片前缘或后缘，在有限的功率下保证了加热除冰效果；
3.本发明解决了分布式气热除冰叶片的前后缘加热切换的问题，通过设置一种带自动切换开关装置的分流管道，实现对热空气流通区域的控制；可根据实际结冰情况选择主要加热区域；
4.本发明解决了叶片除冰***的超温导致叶片结构失效的问题，通过极限温度保护策略，避免叶片结构的加热温度超过预先设定的极限温度
5.本发明提出的针对气热和电热的分时分区域控制方法可灵活配置，并且可应用在气电联合的除冰***中。
附图说明
为了获得本发明的上述和其他优点及特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述；在附图中：
图1是本发明的气热除冰***示意图；
图2是本发明的自动通断的分流管道示意图；
图3是本发明的分时循环控制流程图；
图4是本发明的气热除冰***分时分区域控制流程图；
图5是本发明的电热除冰***；
图6是本发明的电热除冰***分时分区域控制流程图。
附图中：1-分流管道，2-控制开关，3-管道，4-后缘，5-前缘，6/7-开关装置I。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。以下描述中的“前”、“后”、“左”、“右”等方向性术语并不解释为对本发明的限制。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
下面结合附图对本发明提供的一种风电复合材料叶片叶根预埋连接结构作进一步的详细说明：
如图1-6所示，本发明的风电叶片除冰***，包括温度传感器、控制组件和除冰组件，温度传感器布置在每个叶片内，每个叶片内分别布置有除冰组件，控制组件接收温度传感器的信号且能够分别单独控制每个叶片内的除冰组件。
所述除冰组件为气热除冰组件，所述气热除冰组件包括加热器、鼓风装置、管道3和分流管道1，所述管道3分别设置在叶片的前缘5和后缘4内，所述加热器设置和鼓风装置分别设置在叶片内腔，所述分流管道1为一三通式分流管道，所述分流管道1分别与前缘5和后缘4中的管道3以及加热器的出口连通。
所述控制组件包括设置所述分流管道1内部的两个开关装置I6/7，所述开关装置I可分别单独控制所述前缘5和所述后缘4中的两个所述管道3的通断。
所述除冰组件为电热除冰组件，所述电热除冰组件包括多个电加热元件，多个所述电加热元件沿叶片长度方向依次设置在叶片前缘5和/或后缘4上。
所述控制组件包括多个开关装置II，所述多个电气开关装置II可分别单独控制所述多个电加热元件。
所述多个电气开关装置布置在叶片前缘5和/或后缘4的表面和/或内部。
所述除冰组件为气电联合加热除冰组件，所述气热除冰组件包括加热器、鼓风装置、管道3和分流管道1，所述管道3分别设置在叶片的前缘5和后缘4内，所述加热器设置和鼓风装置分别设置在叶片内腔，所述分流管道1为一三通式分流管道，所述分流管道1分别与前缘5和后缘4中的管道3以及加热器的出口连通，所述电热除冰组件包括多个电加热元件，多个所述电加热元件沿叶片长度方向依次设置在叶片前缘5和/或后缘4上，所述控制组件包括设置所述分流管道1内部的两个开关装置I6/7和布置在叶片前缘5和/或后缘4的表面和/或内部的多个电气开关装置II，所述开关装置I6/7可分别单独控制所述前缘5和所述后缘4中的两个所述管道3的通断，所述电气开关装置II可分别单独控制所述多个电加热元件。
所述温度传感器布置在加热器和管道3的出口处，和/或，温度传感器布置在多个电加热元件的中间区域。
如图1-2所示，叶片前缘5和后缘4中的两根管道3分别从叶根加热装置出口出的一个三通形式的分流管道1引出至叶片中段内腔，特别的是三通分流管道1内设置有控制装置2，控制装置2包括可自动通断并可单独控制的两个开关装置I6/7，可分别单独控制热空气流向叶片前缘区域或后缘区域。
本发明所述的气热或电热的风电叶片除冰技术都是在叶片内腔或外表面安装加热装置或加热元件。气热风电叶片除冰技术是在叶片内腔安装加热装置和鼓风装置，加热内腔空气，并通过鼓风装置将热空气送入内腔前段，达到从内部加热叶片融化表面覆冰的效果；电热风电叶片除冰技术是在叶片外表面或内表面或壳体中间设置导电加热元件，通电后发热，实现融化叶片表面覆冰的效果。气热或电热的除冰技术都是将电能转化为热能实现除冰，都采用了电气化装置，特别的本发明的分时控制策略需要每支叶片的加热装置或加热元件是可独立控制的。
本发明所述分时控制策略包括分时循环控制策略和分时分区域控制策略，两种控制策略可联合应用。
目前的风力发电机组多采用三叶片结构，每支叶片包含一套除冰***。除冰***的电能须通过变桨滑环从外界接入叶片内。假设单支叶片除冰***的功率为X kW，则三支叶片同时启动加热装置的功率需求为3X kW，为了满足加热功率需求，滑环的通电环道要做功率冗余设计，增加电流容量，但仅在冬季除冰期间才需用到大功率环道，造成了极大的设计冗余。
如图3所示，三支叶片执行分时循环控制策略，同一时间仅启动单支叶片的加热装置。当叶片需要启动除冰***时，先开启第一个除冰***的加热装置，根据监测的温度和加热时长设定加热完成判断条件，加热完成后关闭其加热装置，开启第二个除冰***的加热装置，同样的达到加热完成条件后关闭其加热装置，开启第三个除冰***的加热装置，加热完成后关闭其加热装置，判断除冰是否完成，至此为一个周期，周期循环控制实现在X kW条件下加热所有叶片。特别的是各除冰***的加热顺序不固定，以设定的温度和时间作为判断条件，优先选择进行加热的叶片。
叶片表面的结冰厚度、面积等都不相同，针对叶片表面结冰严重程序对叶片不同区域差异化加热除冰，提出叶片内部分时分区域控制方法。对气热和电热除冰技术提出不同的控制方案。
气热除冰***如图1所示，将叶片加热区域分为内腔前缘5和内腔后缘4，特别的热空气三通分流管道1为可自动通断的管道。启动除冰***时，仅单独加热前缘5或后缘4，根据监测的温度和加热时长设定加热完成判断条件，达到条件后加热另一区域前缘5或后缘4。
电热除冰***如图5所示，将叶片加热区域分为n段加热元件，对每段加热元件进行编号1到n，特别的每段的加热元件可独立控制加热。启动除冰***时，根据叶片表面不同区域的结冰情况，判定需要启动的加热元件，列出为数组x0，对x0中包含的加热元件通电加热，根据监测的温度和加热时长设定加热完成条件，达到条件后，x0段停止加热，再重新判定需要加热区域，列出为数组x1，对x1中的加热元件通电加热，以此为一个周期，周期循环控制直至除冰***停止。特别的x0段内的加热元件在加热停止后进入冷却期，处于冷却期的加热元件不能启动加热，根据监测的温度设定安全温度判断条件，x0段内的加热元件低于安全温度后结束冷却期。
叶片的玻璃钢结构具有不耐高温的特点，而加热装置在加热过程中的温度可能超过玻璃钢的最高温度，导致结构失效。为了保护叶片本体结构，提出一种基于PID算法的自动的多对象的温度保护策略。对于多对象的加热***，如前述的数组x0中包含的加热元件编号，温度保护策略对每一个加热元件的升温过程执行PID算法，使加热元件温度趋近于设定值，实现恒温加热，温度恒定后，设定加热时长保证融冰所需时间，达到设定时长后，停止加热，加热元件进入冷却期，冷却时间不固定，以设定的安全温度为标准，加热元件的温度低于安全温度时即结束冷却期。特别的是设定温度极限值，加热元件超过温度极限值时，强制断电停止加热，每个加热元件的温度保护策略独立运行，互不干涉。
叶片除冰***中不同区域的温度差距很大，因此选取恰当的温度监测点对控制方法的有效性和精准性具有重要的影响。对于气热除冰***，每支叶片内设置两处温度监测点，加热装置的温度和热空气流通管道出口的温度。对于电热除冰***，在每段加热元件的中心区域设置1个温度监测点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种风电叶片除冰***，包括温度传感器、控制组件和除冰组件，其特征在于，温度传感器布置在每个叶片内，每个叶片内分别布置有除冰组件，控制组件接收温度传感器的信号且能够分别单独控制每个叶片内的除冰组件，所述除冰组件为由气热除冰组件和电热除冰组件构成的气电联合加热除冰组件，所述气热除冰组件包括加热器、鼓风装置、管道(3)和分流管道(1)，所述管道(3)分别设置在叶片的前缘(5)和后缘(4)内，所述加热器设置和鼓风装置分别设置在叶片内腔，所述分流管道(1)为一三通式分流管道，所述分流管道(1)分别与前缘(5)和后缘(4)中的管道(3)以及加热器的出口连通，所述电热除冰组件包括多个电加热元件，多个所述电加热元件沿叶片长度方向依次设置在叶片前缘(5)和/或后缘(4)上，所述控制组件包括设置所述分流管道(1)内部的两个开关装置I(6/7)和布置在叶片前缘(5)和/或后缘(4)的表面和/或内部的多个电气开关装置II，所述开关装置I(6/7)可分别单独控制所述前缘(5)和所述后缘(4)中的两个所述管道(3)的通断，所述电气开关装置II可分别单独控制所述多个电加热元件，所述温度传感器布置在加热器和管道(3)的出口处，和/或，温度传感器布置在多个电加热元件的中间区域；所述风电叶片除冰***的除冰控制方法，包括如下步骤：
步骤1.根据监测到的叶片覆冰情况，当叶片需要除冰时，首先启动一个叶片中的除冰组件；
步骤2.将温度传感器检测到的叶片上的加热温度和加热时长与预先设定的温度和时长进行比较，判断加热是否完成；若判断加热完成，则关闭该叶片中的除冰装置；
步骤3.启动另一个叶片中的除冰组件，并重复步骤2；
步骤4.重复步骤1-3直至所有叶片完成除冰；
所述步骤2中的所述预先设定的温度包括预先设定的安全温度和预先设定的极限温度；当判断加热完成而停止加热后，加热元件进入冷却期，加热元件在冷却期期间不能再次启动，加热元件的温度冷却到预先设定的安全温度时结束冷却期，所述加热元件的加热温度超出预先设定的极限温度时，加热元件停止加热。
2.根据权利要求1所述的风电叶片除冰***，其特征在于，所述步骤1中的除冰组件为气热除冰组件，通过分流管道(1)和两个开关装置I(6/7)控制位于叶片前缘(5)和叶片后缘(4)中的两个管道(3)，单独加热叶片前缘(5)或叶片后缘(4)中的一个。
3.根据权利要求1所述的风电叶片除冰***，其特征在于，所述步骤1中的除冰组件为电热除冰组件，通过多个电气开关装置II分别控制多个电加热元件。
4.根据权利要求1所述的风电叶片除冰***，其特征在于，所述步骤1中的除冰组件为气电联合加热除冰组件，通过分流管道(1)和两个开关装置I（ 6/7）控制位于叶片前缘(5)和叶片后缘(4)中的两个管道(3)，单独加热叶片前缘(5)。
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