发布时间：2021-06-02T04:00:38.462Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第4期作者：程乐1 宾世杨2 [导读] 在风机现有运行控制策略中，当风机凝冰时，只要风机实际功率低于其理论功率时，风机就会停止运行，在桂北高寒地带，会带来很大的电量损失。国家电投集团广西兴安风电有限公司广西桂林 541300 摘要：在风机现有运行控制策略中，当风机凝冰时，只要风机实际功率低于其理论功率时，风机就会停止运行，在桂北高寒地带，会带来很大的电量损失。为降低凝冰损失，对风机叶片凝冰过程进行模拟，计算风机叶片凝冰厚度，分析凝冰对风机功率系数和推力系数的影响，利用Bladed软件对不同风速下的风机凝冰载荷进行仿真分析计算，同时选择样机对风机凝冰运行载荷进行实际测试。根据载荷测试结果，对风机凝冰运行控制策略进行优化，当风机风速小于等于10m/s、其实际功率低于其理论功率的25%时，风机才停止运行，可以提高风机凝冰时的发电量。 关键词：风机；控制策略；凝冰；载荷；发电量
1 引言
在桂北高寒地带，每年风电场都会遭遇35天左右的凝冰天气，导致风机无法运行，带来重大的凝冰损失电量。
大型风力发电机组主要通过变桨距方式来优化叶片载荷[1]，但风机叶片在凝冰时，叶轮会出现不平衡，进而引起风力发电机气动不平衡。如果风力发电机叶片气动不平衡超出合理范围，风机的变桨轴承、偏航轴承、塔筒等部件将会承受额外气动载荷，影响其可靠性和寿命[2]。
风机在轻度凝冰时，可以在一定的功率曲线范围内进行发电，提高发电量。目前国内外对风机在凝冰时的运行控制策略都是从风速与功率的匹配情况进行判断，一般只要风机实际功率低于其理论功率时，风机就会停止运行。
根据目前风机运行情况，可以进一步优化凝冰运行功率范围。但为保证风机在凝冰状态下的安全稳定运行，需在不同风速条件下对风机叶片载荷进行测试。国内文献[3]在三维风场建模的基础上，对5种不同风况下的风速及相干湍流风的时域变化进行了模拟，并结合气动计算结果对各风况下的叶尖挥舞和摆振位移、叶根挥舞、摆振、变桨力矩进行了动力学响应。
有国内研究机构以GL2010标准为依据，建立了针对目标风电场的全部风况并借助Bladed软件进行计算机模拟仿真，通过对仿真结果的分析与实测结果的对比，总结出了不同风况设置对风机运行的影响规律[4]，同时根据IEC61400-1中规定的设计载荷工况，将风机叶片和塔架考虑为柔性体，使用PID变桨控制策略，模拟风机在正常湍流、极端湍流及空载工况下风机的运行情况，获得叶片载荷变化曲线[5-6]。
但是国内外尚没有研究机构对风机凝冰运行状态下的载荷进行测试，实验室仿真也只是针对风机正常运行下的载荷，这样就无法对风速与功率的不匹配值进行更深一步的优化。本文首先对风机叶片凝冰过程进行模拟，计算风机叶片凝冰厚度，为风机凝冰状态下的载荷仿真提供数据参考。同时利用风机载荷测试系统，实地选择风机，在不同凝冰情况下对风机运行载荷进行测试。根据载荷测试结果，制定了风机凝冰运行控制策略，通过在风电场的批量应用，对风机运行数据进行分析，可以提高风机在凝冰时的发电量。大型风力发电机组
2 风机叶片凝冰过程模拟
风机翼型起源于航空翼型，因此风机翼型设计理念一直沿用航空翼型设计理念。一些学者也对叶片翼型进行了研究[12]，利用栈式自编码网络对风机叶片结冰预测[13]。但是为了预测叶片表面上结冰的位置以及结冰冰形的形状和种类，需要知道流场中水滴的运动规律。这就需要对水滴运动情况进行研究，从而确定部件表面的水滴撞击特性，进而模拟冰形发展过程。 水滴的运动轨迹决定了水滴与叶片的碰撞方式并直接影响到结冰的外形。流场中水滴的运动受很多因素的影响。目前，传统的方法是在流场解的基础上，用拉格朗日法建立水滴运动方程进行求解，该方法方程形式简单，求解成熟，目前，被广泛应用于结冰研究中[14]。
2.1 基本假设及受力分析
在建立运动方程之前，一般对空气中的水滴作如下假设：水滴的体积保持不变，但是其形状可以改变，引入与水滴体积相等的当量球的概念，其直径为；水滴的密度在整个过程中保持不变；水滴的初始速度与自由流的速度相等，水滴体积很小以至于它们的绕流不会影响流场的性质。水滴的运动状况，决定于作用在水滴上力的大小和方向。悬浮在运动空气中的水滴，其上的作用力有：气动阻力、气动升力、表观质量力、水滴前后压力变化所产生的对水滴的作用力、重力和浮力等。水滴的密度要远远大于空气的密度，由压力梯度而引起的力和表观质量力都很小，可以忽略不计，同时可以忽略的还有气动升力。因此，只考虑作用水滴上的粘性阻力、重力和空气浮力。
2.2 阻力的计算
当流体质点很小并以较低的速度流过物体时，物体表面上的粘性阻力可以用Stokes公式计算。对于球体有阻力：
其中，为水滴密度。
2.4 水滴连续相方程
通过改变实际结冰过程的物面边界条件可以对水滴连续相方程来作出简化，具体如下：
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