一种基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统及方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统及方法。


背景技术：

2.南方低风速地区与部分高风速地区的风电场中，在冬季及春季普遍存在着较为严重的冰冻问题。风电机组出现覆冰的普遍特点是气温在
‑
10℃以上，在南方地区的冬季，当温度降到0℃时在风电机组及风机叶片上都会出现结冰情况。叶片覆冰改变了叶片的气动外形与重量分布及频率，打破了叶片载荷平衡，将导致叶片及风轮的振动等问题，对风电机组的运行、风电机组的经济性与安全性产生直接影响。
3.当风电机组叶片出现覆冰，需借助于热鼓风除冰、电加热除冰等方法除去叶片表面覆冰，保证风电机组在低温气象条件下的正常运行。而风机叶片的智能除冰系统需要建立在对叶片覆冰的准确预测与监测上，比如，若能检测到叶片表面的薄覆冰，除冰系统即以较小功率启动运行，既能有效除冰，又降低了除冰系统的能耗，对于整个除冰系统的智能化运行与经济性的提升具有明显作用。因此，如何准确对叶片覆冰进行准确的预测与监测，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统及方法，系统构建简单，实现了对目标区域内叶片表面的覆冰形成与发展的有效监测，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。
5.本发明通过以下技术方案来实现：
6.本发明公开了一种基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统，包括正弦信号电源、数据处理系统、计算机和若干平行板电容器；平行板电容器包括接电源电极板和接地电极板，接电源电极板和接地电极板尺寸相同，且平行布置在叶片表面的覆冰监测区域的两端并与叶片表面垂直；若干平行板电容器中的所有接电源电极板在高度方向上依次排布，且相邻的接电源电极板通过绝缘板连接；所有接地电极板在高度方向上依次排布，且相邻的接地电极板通过绝缘板连接；
7.正弦信号电源分别与数据处理系统和每个接电源电极板连接，每个接地电极板分别接地；正弦信号电源与每个接电源电极板之间设有分压电阻，分压电阻与接电源电极板之间设有电压测点，电压测点与数据处理系统连接，数据处理系统与计算机连接。
8.优选地，数据处理系统包括整流检波器、低通滤波器和a/d转化器，整流检波器的一端与电压测点连接，另一端与低通滤波器连接，低通滤波器与a/d转化器连接，a/d转化器与计算机连接。
9.优选地，接电源电极板和接地电极板的厚度为1～1.5mm，高度为3～5mm。
10.进一步优选地，绝缘板与接电源电极板和接地电极板的厚度和长度相等，高度为1
～1.5mm。
11.优选地，接电源电极板与接地电极板之间的距离为5～10mm。
12.优选地，平行板电容器的数量≥2。
13.优选地，计算机通过无线通信模块与风电机组叶片防除冰控制系统通信互联。
14.优选地，正弦信号电源、数据处理系统、计算机、分压电阻和电压测点均设在叶根内。
15.本发明公开了采用上述基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统进行风机叶片覆冰监测的方法，包括：
16.正弦信号电源输出正弦交流电经分压电阻至每个平行板电容器的接电源电极板，接地电极板接地，电压测点采集每个平行板电容器的端电压，经数据处理系统处理后发送至计算机；计算机根据平行板电容器端电压的变化趋势，实现对风机叶片表面覆冰的监测。
17.优选地，若干平行板电容器包括第一电容器和第二电容器，第一电容器底面与叶片连接，第二电容器通过绝缘板设置在第一电容器上部，计算机采集正弦信号电源的输出电压第一电容器的端电压和第二电容器的端电压并分别绘制时间发展曲线，并提取与的时间发展曲线中每个正弦波的幅值a
1c
与a
2c
，以及与的时间发展曲线与的时间发展曲线的相位差与综合进行叶片表面覆冰情况的监测，分为以下几种情况：
18.1)若与的时间发展曲线或近似重合，即幅值a
1c
与a
2c
以及相位差与保持不变，此时第一电容器与第二电容器之间的介质均为空气，叶片表面无覆冰形成；
19.2)若的时间发展曲线出现了波形的变化，而的时间发展曲线未出现变化，即的时间发展曲线的幅值a
1c
和相位差分别变小，而的时间发展曲线的幅值a
2c
和相位差保持不变，此时第一电容器的接电源电极板和接地电极板之间出现了覆冰，且覆冰层的最大高度低于第一电容器的接电源电极板和接地电极板的高度，即覆冰只存在于第一电容器的接电源电极板和接地电极板之间的空间内；
20.3)若与的时间发展曲线均出现波形的变化，此时第一电容器与第二电容器之间都出现了覆冰，具体地：
21.3.1)若与的时间发展曲线的幅值a
1c
与a
2c
和相位差与都出现持续下降的变化趋势，此时覆冰往垂直于叶片表面的高度方向生长，第一电容器与第二电容器之间都出现了覆冰，但又均未充满覆冰；
22.3.2)若的时间发展曲线的幅值a
1c
和相位差变小后趋于稳定，而的时间发展曲线的幅值a
1c
和相位差仍呈现变小的趋势，此时第一电容器之间充满了覆冰，而第二电容器内出现了覆冰，但未充满覆冰；
23.3.3)若与的时间发展曲线的幅值a
1c
与a
2c
和相位差与都趋于稳定，且两条时间发展曲线重新接近于重合，此时第一电容器和第二电容器内均充满了覆冰，覆
冰层的高度不低于第一电容器、绝缘板和第二电容器的总高度。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
25.本发明公开的一种基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统，在叶片表面构建垂直于叶片表面的若干平行板电容器，若干平行板电容器中的接电源电极板和接地电极板通过绝缘体连接，各个平行板电容器间互不干扰，提升了分段监测覆冰形成与发展的准确性，总体上类似一个大电容器。对各个平行板电容器基于同一个正弦信号电源构建并联的rc谐振电路。电容值仅取决于平行电极板间的介质，由于空气与冰的相对介电常数差别较大(分别为1和3～4间)，电极板内出现覆冰后对电容值的变化影响较明显，提升了系统下游进行覆冰监测判断的准确性。通过监测各个电容器的端电压，经过数据处理系统处理，计算机根据平行板电容器端电压的变化趋势，实现对风机叶片表面覆冰的监测。整套监测系统简单，多个平行板电容器的设置可分别监测到在平行与垂直于叶片表面不同方向的覆冰生长情况，实现了对目标区域内叶片表面的覆冰形成与发展的有效监测，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。同时平行板电容器的接电源电极板和接地电极板高度尺寸较小，对叶片气动性能的总体影响较小，且类似于涡流发生器，有利于抑制气流在叶片展向上的移动(类似于叶片表面加装叶栅)，提升了叶片表面气流稳定性和叶片的性能。
26.进一步地，接电源电极板和接地电极板高度为3～5mm，能够在覆冰除冰初步形成时就进行准确监测，灵敏度高。
27.进一步地，覆冰刚开始形成的话覆冰膜的厚度较小，所以对应电极板的相应尺寸相对要小，如果太大的话，电极板间出现较小的覆冰层，可能对电容值的变化影响较小，灵敏度较低。
28.进一步地，平行板电容器的数量≥2，能够根据实际需要进行设置，通过构建多个独立的电容器，每个电容器能够测量对应高度范围内的覆冰情况，如果单个电容器尺寸太大，会影响检测效果。多个电容器独立地累搭起来，可以分别测试覆冰的厚度形成情况。
29.进一步地，系统内除了若干平行板电容器布设在叶片表面，其余均布设在叶根内的较大空间处，不会增加叶片的重量，不会影响叶片的性能。
30.本发明公开的采用上述基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统进行风机叶片覆冰监测的方法，自动化程度高，实现了对目标区域内叶片表面的覆冰形成与发展的有效监测，能够为风电机组的叶片防除冰控制系统的启动或停止提供灵敏、准确的控制信号。
31.进一步地，通过监测平行板电容器两端电压并进行电压正弦函数幅值与相位差的变化进行覆冰判断，提出了幅值与位相差的不同变化特性对应的叶片表面覆冰发展情况，覆冰监测灵敏度高。
附图说明
32.图1为本发明的系统整体结构示意图；
33.图2为图1的a局部放大图；
34.图3为电极板与绝缘板的尺寸示意图。
35.图中：1为正弦信号电源；2为电压测点；3为第一分压电阻；4为第二分压电阻；5为第一电极板；6为第二电极板；7为第三电极板；8为第四电极板；9为第一绝缘板；10为第二绝
缘板；11为叶片；12为叶根；13为整流检波器；14为低通滤波器；15为a/d转化器；16为计算机；17为第一电容器；18为第二电容器。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
37.如图1，本发明的基于电容测量的风机叶片覆冰监测系统，在风电机组的叶片(11)需要进行覆冰检测/监测的叶片表面构建平行板电容器，本实施例以2个电容器进行说明，若需要3个或以上，其原理相同。
38.如图2，位于底部且与叶片11表面直接固定连接的第一电容器17由平行布置且尺寸相同的第一电极板5和第二电极板6构成，第二电容器18同样由平行布置且尺寸相同的第三电极板7和第四电极板8构成。第一电极板5与第三电极板7并非直接相连，而是在中间连接以第一绝缘板9，同样地，在第二电极板6与第四电极板8间连接以第二绝缘板10，即构建了两个相邻却又相互独立的平行板电容器。
39.如图3，两个平行板电容器的电极板以及绝缘板的厚度w和长度l相同，其厚度w在1mm左右；在高度方向上，电极板的高度h1与h3保持相同，由于在覆冰除冰初步形成时就需进行准确监测并反馈信号给风电机组的防除冰控制系统，h1与h3可在3～5mm范围内选择，对于如此小型的电容器，绝缘板的高度h2在1mm即可。电极板的间距d可选择为5～10mm。
40.基于上述两个平行板电容器构建2个独立的rc串联谐振电路，对于第一电容器17，导线分别连接第一电极板5和第二电极板6后穿过叶片11并沿着叶片11的内表面固定并引导至叶片的叶根12处。第二电极板6的连接导线做接地处理，在叶根12内固定以正弦信号电源1，在第一电容器17与正弦信号电源1之间合适位置用导线连接以第一分压电阻3，将第一分压电阻3固定在叶根12处内表面。同样地，在第三电极板7、第四电极板8、第二分压电阻4与正弦信号电源1间构建rc串联电路。
41.在第一分压电阻3与第一电极板5之间设置第一电容器17的电压测点2，在第二分压电阻4与第三电极板7之间设置第二电容器18的电压测点2，分别连接至整流检波器13的不同通道，监测电压信号经过低通滤波器14及a/d转化器15后进入计算机16进行存储并分析。
42.对于第一电容器17的监测电路，第一电容器17的端电压u
1c
有：
[0043][0044][0045]
[0046][0047][0048]
其中：x
1c
为第一电容器17的阻抗，w和分别为正弦信号电源1输出电压的频率和初相位。
[0049]
对于平行板电容器，第第一电容器17的电容c1有：
[0050][0051]
其中：ε
r1
为第一电极板5和第二电极板6间介质的相对介电常数，k为静电力常量。由上式可知，当平行电极板的尺寸确定后，其电容值仅随相对介电常数ε
r
变化。
[0052]
对于第二电容器18，亦有：
[0053][0054][0055][0056][0057]
其中，ε
r2
为第三电极板7和第四电极板8间介质的相对介电常数。第一分压电阻3与第二分压电阻4的电阻值相同，即r1＝r2。
[0058]
从上述公式可知，当电容器的电极板间出现覆冰后，介质的相对介电常数将会从纯空气(ε
r
＝1)过渡到纯冰(ε
r
＝3～4)，覆冰的出现增加了电容值，导致端电压(u
1c
或u
2c
)减小，与电源输出电压的相位差(或)变小。
[0059]
结合图1可知，计算机16采集并记录了正弦信号电源1的输出电压第一电容器17的端电压和第二电容器18的端电压将这3个信号分别绘制时间发展曲线，并提取与的曲线每个正弦波的幅值(a
1c
与a
2c
)，以及与曲线与曲线的相位差(与)，综合进行叶片表面覆冰情况的监测：
[0060]
1.若与的时间发展曲线(近乎)重合，即幅值a
1c
与a
2c
以及相差与保持不变，说明两个电容器的电极板间介质均为空气，叶片表面无覆冰形成。
[0061]
2.若的时间发展曲线出现了波形的变化，而曲线未出现变化，即曲线的a
1c
和分别变小，而曲线的幅值和相位保持不变，说明贴附于叶片表面的第一电容
器17的电极板内出现了覆冰，且覆冰层的最大高度低于第一电极板5的高度h3，即覆冰只存在于第一电容器17的电极板空间内。
[0062]
3.若与的时间发展曲线均出现波形的变化，说明两个电容器的电极板空间里都出现了覆冰，具体地：
[0063]
3.1若与曲线的幅值(a
1c
与a
2c
)和相位差(与)都出现持续下降的变化趋势，说明覆冰往垂直于叶片表面的高度方向生长，导致两个电容器的电极板空间里都出现了覆冰，但两个电容器的电极板空间又均未充满覆冰；
[0064]
3.2若曲线的幅值(a
1c
)和相位差变小后趋于稳定，而曲线的幅值(a
1c
)和相位差仍呈现变小的趋势，说明第一电容器17的平行板空间内充满了覆冰，而第2电容器(18)内出现了覆冰，但未充满平行板内空间；
[0065]
3.3若与曲线的幅值(a
1c
与a
2c
)和相位差(与)都趋于稳定，且两条曲线重新接近于重合，说明两个电极板内均充满了覆冰，覆冰层的高度不低于电容器和绝缘板的总高度(h1 h2 h3)。
[0066]
计算机16分析并监测到覆冰形成与发展的信号后，可以通过无线传播的方式将相关数据传输至风电机组的防除冰系统，为系统的启动或停止提供启停信号。
[0067]
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。