CN115750237A - 适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法，以保障风力发电机组的安全运行。方法包括：微波覆冰传感器发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度并传送给采集器；与此同时，超声波气象仪实时检测温度和湿度数据；采集器根据所接收数据判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。

Description

适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生资源和对常规电力的补充，现已成为新能源的重要组成部分。目前风力发电主要依靠风力发电机组将风能有效地转化为电能，工作原理是通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统带动发电机转动以驱动发电机发电。其中，叶片的外型结构直接影响其气动性能，进而改变风力发电机组的输出功率。

温度较低、湿度较大地区的风力发电机极易出现叶片结冰。当风机叶片出现覆冰情况时，其不仅会改变叶片的气动性能造成功率损失，而且会改变叶片原有质量分布造成风机运行不稳定，严重时会导致叶片出现不同程度的折断，导致整个机组报废，造成极大的经济损失。

现有覆冰监测装置主要应用于输电线路、接触网等场景，其设备选用原则、功能设计等方面没有考虑风力发电领域特性，无法应用于风力发电机的叶片覆冰监测。因此迫切需要设计一种适用于风力发电机组叶片覆冰监测的装置及方法，以保证寒冷季节雨雪天气中风力发电机组的安全运行。

发明内容

本发明目的在于公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法，以保障风力发电机组的安全运行。

为达上述目的，本发明公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，包括：

以太阳能供电板供电的部署于叶片表面的微波覆冰传感器，用于发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度；

部署于风力发电机组机舱外壳上方的超声波气象仪，用于检测温度和湿度数据；

部署于机舱控制柜的采集器，与所述超声波气象仪和各所述微波覆冰传感器建立无线连接并经交换机进入风电场内部局域网，用于判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、所述超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及所述超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。

优选地，衰减值A的计算公式为：

覆冰厚度z的计算公式为：

其中，α为衰减常数。

优选地，所述温度阈值为3摄氏度，湿度阈值为85％。

为达上述目的，本发明还公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法，包括：

将以太阳能供电板供电的微波覆冰传感器部署于叶片表面，并将超声波气象仪部署于风力发电机组机舱外壳上方；然后建立部署于机舱控制柜的采集器与所述超声波气象仪、各所述微波覆冰传感器及风电场内部局域网之间的无线连接；

各微波覆冰传感器发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度，并将计算值传送给采集器；与此同时，超声波气象仪实时检测温度和湿度数据；

采集器根据所接收的传感器数据判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、所述超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及所述超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。

本发明具有以下有益效果：

基于微波信号穿透不同含冰量物质时具有不同衰减率这一性质，通过分析微波覆冰传感器感知的覆冰情况、超声波气象仪感知的机组所处区域气象数据，对风力发电机组叶片是否具有覆冰情况，叶片覆冰厚度进行自动判定。本发明装置可以实现风力发电机组叶片覆冰情况的自动判定，并可反馈至升压站控制中心协助运维人员控制机组的启停情况，从而保证寒冷季节雨雪天气中风力发电机组的安全运行。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请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：

图1是本发明实施例公开的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置框图。

图2是本发明实施例中微波覆冰传感器的安装位置示意图。

图3是本发明实施例公开的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，如图1所示，包括：

以太阳能供电板供电的部署于叶片表面的微波覆冰传感器10，用于发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度。

本实施例中，微波覆冰传感器向叶片表面发射微波，并根据反射得到的微波能量衰减值判定叶片表面物质所属状态(一般可分为水、冰水混合物、覆冰等状态)，并反演得到叶片覆冰厚度测量值。衰减值A的计算公式为：

覆冰厚度z的计算公式为：

其中，α为衰减常数。优选地，微波覆冰传感器发出频率为10.5GHz。

在具体部署时，每片风叶上至少设置有一个微波覆冰传感器。优选地，微波覆冰传感器安装在图2风力发电机组叶片表面的1、2、3、4、5、6位置处，以保证三只叶片覆冰情况的精细化监测。在图2中，第一个风叶的叶尖设置有两个微波覆冰传感器、且叶根设置有一个微波覆冰传感器，第二个风叶的叶尖和叶根各设有一个微波覆冰传感器，第三个风叶的叶尖设置有一个微波覆冰传感器。依此部署，主要是基于：一方面，叶尖比叶根更容易覆冰，叶尖部署微波覆冰传感器的数量多于叶根更能发挥资源的有效作用；另一方面，叶尖和叶根基本至少在接近相同的位置所设置的两个微波覆冰传感器可以通过求平均值的方式确定更精确的实际数据、且采用冗余的设计也有利于应对单个微波覆冰传感器出现故障等情况，提高了检测装置的整体可靠性。

本实施例装置还包括部署于风力发电机组机舱外壳上方的超声波气象仪20，用于检测温度和湿度数据。进一步地，该超声波气象仪还可用于检测、雨量、风速、风量等指标。

本实施例装置还包括部署于机舱控制柜的采集器30，与超声波气象仪和各微波覆冰传感器建立无线连接并经交换机进入风电场内部局域网，用于判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。优选地，在发出覆冰信号中携带超声波气象仪实时检测的雨量、风速、风量等指标以供升压站控制中心运维人员作为决策的联合参考因素以控制机组的启停情况。

根据实验的统计结果，优选地，温度阈值为3摄氏度，湿度阈值为85％。

实施例2

本实施例公开一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1、将以太阳能供电板供电的微波覆冰传感器部署于叶片表面，并将超声波气象仪部署于风力发电机组机舱外壳上方；然后建立部署于机舱控制柜的采集器与超声波气象仪、各微波覆冰传感器及风电场内部局域网之间的无线连接。

步骤S2、各微波覆冰传感器发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度，并将计算值传送给采集器；与此同时，超声波气象仪实时检测温度和湿度数据。

步骤S3、采集器根据所接收的传感器数据判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。相反，若前述任一判断情况为否，则不向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号，依此可节约网络带宽和装置的能耗。

优选地，本实施例衰减值A的计算公式为：

覆冰厚度z的计算公式为：

其中，α为衰减常数。

优选地，本实施例温度阈值为3摄氏度，湿度阈值为85％。

综上，本发明上述各实施例所分别公开的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置及方法，至少具有以下有益效果：

基于微波信号穿透不同含冰量物质时具有不同衰减率这一性质，通过分析微波覆冰传感器感知的覆冰情况、超声波气象仪感知的机组所处区域气象数据，对风力发电机组叶片是否具有覆冰情况，叶片覆冰厚度进行自动判定。本发明装置可以实现风力发电机组叶片覆冰情况的自动判定，并可反馈至升压站控制中心协助运维人员控制机组的启停情况，从而保证寒冷季节雨雪天气中风力发电机组的安全运行。

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。

Claims (7)

1.一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，其特征在于，包括：

以太阳能供电板供电的部署于叶片表面的微波覆冰传感器，用于发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度；

部署于风力发电机组机舱外壳上方的超声波气象仪，用于检测温度和湿度数据；

部署于机舱控制柜的采集器，与所述超声波气象仪和各所述微波覆冰传感器建立无线连接并经交换机进入风电场内部局域网，用于判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、所述超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及所述超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。

2.根据权利要求1所述的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，其特征在于，衰减值A的计算公式为：

覆冰厚度z的计算公式为：

其中，α为衰减常数。

3.根据权利要求1或2所述的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，其特征在于，所述温度阈值为3摄氏度，湿度阈值为85％。

4.根据权利要求3所述的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测装置，其特征在于，第一个风叶的叶尖设置有两个微波覆冰传感器、且叶根设置有一个微波覆冰传感器，第二个风叶的叶尖和叶根各设有一个微波覆冰传感器，第三个风叶的叶尖设置有一个微波覆冰传感器。

5.一种适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法，其特征在于，包括：

将以太阳能供电板供电的微波覆冰传感器部署于叶片表面，并将超声波气象仪部署于风力发电机组机舱外壳上方；然后建立部署于机舱控制柜的采集器与所述超声波气象仪、各所述微波覆冰传感器及风电场内部局域网之间的无线连接；

各微波覆冰传感器发出功率为P₁以穿透覆盖在传感器表面覆冰的微波信号，并接收穿透传感器表面物质的微波信号P₂；然后根据P₂相比较于P₁的功率衰减值计算覆冰厚度，并将计算值传送给采集器；与此同时，超声波气象仪实时检测温度和湿度数据；

采集器根据所接收的传感器数据判断任一微波覆冰传感器检测到微波覆叶片覆冰厚度大于或等于设定的厚度阈值、所述超声波气象仪所检测实时的温度是否小于或等于设定的温度阈值、以及所述超声波气象仪所检测实时的湿度是否大于或等于设定的湿度阈值，当判断结果都为是时，向该风电场内部局域网内监控节点发出覆冰信号。

6.根据权利要求5所述的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法，其特征在于，衰减值A的计算公式为：

覆冰厚度z的计算公式为：

其中，α为衰减常数。

7.根据权利要求5或6所述的适用于风力发电机组叶片的微波覆冰监测方法，其特征在于，所述温度阈值为3摄氏度，湿度阈值为85％。

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