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1　概述

隨著風力發(fā)電機單臺功率的不斷提高，風機葉片的外觀尺寸也越來越大。已運行的風電葉片中易出現(xiàn)表面撕裂、扭轉、螺絲松動等現(xiàn)象，結合葉片的加工制造工藝、風場所處的自然環(huán)境，產(chǎn)生這種情況的原因主要是震動量及應變力對葉片影響的結果。葉片表面出現(xiàn)的裂紋、扭轉、螺絲松動會大大影響風力發(fā)電機組的運行效率，造成風機停轉，嚴重地甚至造成葉片折斷。并且，由于吊裝地點的差異，風力發(fā)電機將面臨承受完全不同的載荷。變化多端的風速和天氣條件也會影響機組的運行安全和使用壽命。因此，對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。

風和天氣會給風力發(fā)電機造成各種負擔：

·為避免對附近的人員和機組自身造成危害，必須可靠地監(jiān)測葉片上的結冰情況。

·雷暴閃電代表一種能對風機結構造成致命損害的高能現(xiàn)象。

·葉片上的風力載荷會影響機組的使用壽命。

精準地確定載荷可幫助用戶優(yōu)化機組的操作和維護。此外，在預期的使用壽命到期后，運營商可根據(jù)長期的載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)來決定機組是否能夠獲得繼續(xù)運行的許可。

2　解決方案

菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)包含各種傳感器，能夠采集各種可能影響風力發(fā)電機運行的不利環(huán)境因素數(shù)據(jù)。

葉片根部的應力傳感器提供關于拉伸和扭轉的載荷數(shù)據(jù)。通過這種途徑，用戶可長期記錄葉輪承受的風力載荷，并可通過變槳控制器實時調整槳葉角度，優(yōu)化效率，最小化軸承與材料的載荷。

葉片上的結冰傳感器可測量冰層厚度。這樣可以使機組及時切換到安全運行狀態(tài)，并在除冰后重新啟動。內置的太陽能電池和備用電池以及無線數(shù)據(jù)傳輸意味著傳感器可自給自足的，不需要布線。

安裝在葉片防雷引出線上的雷電監(jiān)測傳感器可測量雷電的頻率和能量，有助于評估損失，優(yōu)化維修周期。外形緊湊的共享評估單元可提供系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，記錄負荷情況，優(yōu)化系統(tǒng)運行。

由于所有的有線傳感器都安裝在輪轂附近，分布在葉片各處的結冰傳感器以無線方式工作，因此該系統(tǒng)既適合新裝機組，也適合系統(tǒng)改造。

隨著成本的日益提升，用戶也在尋求新的技術，提升運營的經(jīng)濟效應。業(yè)主通常用電力均衡成本（LCOE，levelized cost of electricity），也稱為能源均衡成本（LEC，Levelized Energy Cost）來評估其經(jīng)濟效應。它是發(fā)電資產(chǎn)整個生命周期內電力單位成本的凈現(xiàn)值。它通常被視為一個平均價格的代理，生成的資產(chǎn)必須在市場上獲得在其生命周期內盈虧平衡的平均價格。它是對發(fā)電系統(tǒng)成本競爭力的一級經(jīng)濟評估，包含了整個發(fā)電系統(tǒng)的所有成本：初始投資、運營和維護、燃料成本、資本成本。

·It:第t年投資支出

·Mt:第t年的業(yè)務和維修支出

·Ft:第t年燃料開支

·Et:第t年產(chǎn)生的電能

·r:貼現(xiàn)率

·n:系統(tǒng)或發(fā)電站的預期壽命

為了提高投資回報率（ROI），減少能源成本（COE），可從兩個方向著手。首先通過技術手段，提升年發(fā)電量，延長機組壽命；其次通過管理或者技術手段，減少運營與資本投資。為了達到此效果，可開展多種工作，從技術角度來說，首先要獲取相關數(shù)據(jù)并進行計算。

菲尼克斯電氣的PLCnext平臺非常適用于此類的應用，該平臺采用實時Linux系統(tǒng)架構，具有ESM（同步執(zhí)行管理器）和GDS（全局數(shù)據(jù)空間）兩大核心技術。

用戶可不受專屬Runtime的限制開發(fā)自動化項目，選擇擅長的編程語言進行開發(fā)，還可以使用開源軟件和App，同時支持MATLAB Simulink建模。該平臺兼具了PLC的穩(wěn)定性、可靠性與智能設備的開放性、靈活性，是一款非常開放的自動化平臺。

基于PLCnext 2152控制平臺，菲尼克斯電氣開發(fā)了硬件模塊化，軟件平臺化的智慧風機葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)。利用PLCnext軟硬件架構的優(yōu)勢，一方面確保數(shù)據(jù)一致性，另一方面確保數(shù)據(jù)安全性。系統(tǒng)使用測量信息并將它們組合以向用戶提供傳感器融合的附加信息。用戶獲得的信息遠不僅僅是測量的數(shù)據(jù)，還包括在初始值基礎上根據(jù)風機原理進行數(shù)學推導計算的值。

另外系統(tǒng)可支持根據(jù)客戶的需求展開二次開發(fā)，客戶可以輕松使用他們自己的融合算法，由菲尼克斯電氣配合進行更深入開發(fā)。

所有系統(tǒng)收集的信息都可用于監(jiān)控轉動部件的狀況，還可用于控制優(yōu)化的風機載荷，甚至可以防止風機大部件的結構損壞。數(shù)據(jù)可以存儲在本地sFTP服務器上，也可以通過SCADA系統(tǒng)顯示。 另外也可使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口，如Profinet，Modbus TCP或OPC-UA等與上級系統(tǒng)通訊。同時開發(fā)了友好的本地Web界面，供用戶進行本地測試與監(jiān)控，所有過程不需要進行編程。

用戶僅需要在界面上進行操作即可完成既定的目標，可方便地進行參數(shù)設置，設備配置，監(jiān)控，傳感器校正，系統(tǒng)診斷，事件記錄，錄波等工作。

3　結語

得益于PLCnext平臺的云技術特點，用戶在未來可把數(shù)據(jù)上傳至云端，對所有風場機組數(shù)據(jù)進行監(jiān)控與計算，更方便進行相關工作。總結來看，菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將為風電行業(yè)的風力發(fā)電機組創(chuàng)造更安全的運行條件，使得用戶的機組有望延長壽命，獲得更好的經(jīng)濟收益。

摘自《自動化博覽》2019年8月刊