小型风力发电机性能测试方法及其专用测试平台

摘要

本发明公开了一种小型风力发电机性能测试方法及其专用测试平台，其方法包括建立新型发电机数学模型，并将其制为软件模块和发电机属性参数一起预设入工控机内，设计一可控制的人造风源并在出风口得到连续变化的模拟自然风速，在出风口设置一风速计检测风速信号并输入到工控机内经计算得到发电机性能理论曲线图，再将待检测发电机设置于出风口采集其性能数据输入工控机得到其发电机性能实际曲线图，两者相比较从而判断发电机性能是否符合要求。本发明能方便技术人员检测分析研究小型风力发电机工作状况以对其进行优化设计，其中采用的风力发电机的新型数学模型，能够使分析结果更加精确、可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型风力发电机性能的测试方法及其专用测试平台。

背景技术

小型风力发电机是主要适用于在远离电网的边远地区，如草原牧区、山区、海岛等地区的一种发电设备。在这些地区架设输电线路非常困难，用电成本也很高；同时，这些地区往往存在比较大的风力资源，特别适合小型户用型风力发电机的使用。小型风力发电机在设计时需要对其进行性能测试，研究分析其输出功率与风速之间的对应关系，再根据测试结果对发电机进行优化和改进。但是，现有技术中并没有专门设计的小型风力发电机测试平台，对于小型风力发电机，技术人员往往是将其直接投入生产，然后跟踪其实际工作过程，发现问题后再回头重新改进设计，即便是针对一些大型的风力发电机，也常常是将其放入自然界中风力强的地方进行实际测试，并没有进行模拟测试的方法，这就会受到自然条件的限制。

所以如何开发出一种小型风力发电机性能测试方法和相应的测试平台，以方便研究分析其实际工作状况并对其性能进行优化，就成为本行业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足而提供一种可方便技术人员研究分析小型风力发电机工作状况以对其进行优化设计的小型风力发电机性能测试方法和相应的测试平台。

为解决上述技术问题，发明人采用了如下的技术方案：

一种小型风力发电机性能测试方法，其特点在于包括以下步骤：

a、建立风力发电机的数学模型、经计算得到风力发电机特性方程，制得相应软件模块并将其预设入工控机内；

b、将待测试小型风力发电机属性参数，包括叶片几何尺寸、翼型升阻力系数、叶片安装位置、传动系统传动比、电机参数、塔架高度，还包括风速变化情况参数、风力发电系统控制参数等等，预输入工控机；

c、设计一包括通风机和风道的人造风源；

d、使用变频器调节控制通风机转速，在风道的出风口得到连续变化的模拟自然风速；

e、在出风口设置一风速计检测此连续变化的风速信号，并使用数据采集卡将其转化为连续变化的数字信号后输入工控机内，经计算得到小型风力发电机性能理论曲线图，计算时，是采用a步骤中建立的软件模块，将b步骤中输入的参数和风速计测出的实际风速信号带入软件模块的数学模型中，从而得到的小型风力发电机性能理论曲线图，计算的过程由工控机程序自动完成；

f、将待检测的小型风力发电机面向出风口设置于与风速计相邻位置，并使用数据采集卡采集小型风力发电机性能实际值，将此值输入工控机得到小型风力发电机性能实际曲线图；

g、将小型风力发电机性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断小型风力发电机性能是否符合要求。

在上述方法中，其中a步骤所述建立风力发电机的数学模型，是指申请人自主研发设计的一种新型动态入流空气动力学理论，以此为基础，申请人建立了风力发电机组系统非线性数学分析模型，实现了风力发电机组系统之间各部件的耦合仿真分析。并在此数学分析模型的基础上，开发应用软件。所述数学模型解决了传统的风力发电机数学模型叶素动量理论不能考虑由于空气质量引起的时间滞后的缺陷，能够使分析结果更加精确。步骤d中使用变频器调节控制通风机转速时，可以直接由人工操作控制，也可直接将变频调节器与工控机相连，由电脑预设程序实现自动控制；步骤e、f、g中的小型风力发电机性能理论分析曲线图和实际测试曲线图主要指其变化的风速和输出功率之间的对应关系曲线图，在步骤f中是使用数据采集卡采集小型风力发电机的输出电压和电流，进而计算得到其输出功率，并且其过程是由工控机自动控制实现，同时g步骤中的比较过程也是由工控机自动完成并直接输出比较结果。在e、f步骤中得到的理论曲线图和实际曲线图均是根据步骤a中建立的数学模型和软件模块来计算得出，计算所采用的数据即为步骤b中输入的参数和步骤e、f中测得的数据值。

本发明还提供一种上述性能测试方法中使用的小型风力发电机性能测试平台，其特点在于包括通风机、风道、风速计、待测小型风力发电机和工控机，所述通风机设置于风道的一端，风道的另一端出风口处设置风速计与待测小型风力发电机，其中通风机与一变频调速器相连，变频调速器与工控机相连，风速计与待测小型风力发电机通过数据采集卡与工控机相连。可看出本测试平台与上述测试方法是匹配的，是为实践上述测试方法而专门设计的测试平台。

本技术方案中的发电机性能测试方法及设计的测试平台，能方便技术人员检测分析研究小型风力发电机工作状况以对其进行优化设计，填补了小型风力发电机研究中对于测试优化这方面的技术空白，同时本方法中采用的风力发电机的新型数学模型，能够使本测试方法的分析结果更加精确、可靠。

附图说明

图1为本发明小型风力发电机组性能测试原理图；

图2为本发明的测试平台结构示意图；

图3为本发明所建数学模型中的椭圆坐标系定义图；

图4为本发明所建数学模型中的风速变化功率变化曲线图；

图5为本发明所建数学模型中的风力发电机功率传动链图；

图6为本发明所建数学模型中的感应发电机输出功率特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述：

实施例：

一种小型风力发电机性能测试方法，包括以下步骤：

a、建立风力发电机的数学模型、经计算得到风力发电机特性方程，制得相应软件模块并将其预设入工控机内；

b、将待测试小型风力发电机属性参数，包括叶片几何尺寸、翼型升阻力系数、叶片安装位置、传动系统传动比、电机参数、塔架高度，还包括风速变化情况参数如风速、切入风速、切出风速等，以及风力发电系统控制参数如控制电流、控制电压等等，预输入工控机；

c、设计一包括通风机和风道的人造风源；

d、使用变频器调节控制通风机转速，在风道的出风口得到连续变化的模拟自然风速；

e、在出风口设置一风速计检测此连续变化的风速信号，并使用数据采集卡将其转化为连续变化的数字信号后输入工控机内，经计算得到小型风力发电机性能理论曲线图；

f、将待检测的小型风力发电机面向出风口设置于与风速计相邻位置，并使用数据采集卡采集小型风力发电机性能实际值，将此值输入工控机得到小型风力发电机性能实际曲线图；

g、将小型风力发电机性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断小型风力发电机性能是否符合要求。

图1为本方法的测试原理图，本实施例中，工控机同时控制风速计、变频器和电控箱中的数据采集卡，待检测的发电机输出电流流经整流器进行整流，再流经电控箱进入蓄电池，最终经逆变器后将功率输出至负载端。

在上述方法中，其中a步骤所述建立风力发电机的数学模型，是指申请人自主设计的一种新型动态入流空气动力学理论，以此为基础，申请人建立了风力发电机组系统非线性数学分析模型，实现了风力发电机组系统之间各部件的耦合仿真分析。并在此数学分析模型的基础上，开发应用软件。具体地说，其过程包括以下部分。

空气动力学部分

申请人开拓性地将应用于直升机悬翼空气动力学计算的动态尾流理论用于风力发电机的空气动力学计算。

其解析解就是由Prandtl利用在椭圆坐标系下推导出的闭环形式的势函数，该函数可给出桨盘上任意压力不连续分布，较适合旋翼空气动力学计算。该函数形式如下：

$\Phi (v,\eta ,\bar{\psi },\bar{t})=\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{n=m+1,m+3L}{\overset{\infty }{\Sigma }}{P}_n^m\left(v\right)Q_n^m\left(\mathrm{i\eta }\right)[C_n^m\cos \left(m\bar{\psi }\right)+D_n^m\sin \left(m\bar{\psi }\right)]---\left(1\right)$

这里系数和可以唯一地定义旋翼流场的压力分布，ν，η和ψ为椭圆坐标系坐标，参考图3。在桨盘上有η＝0和$v=\sqrt{1-r^2},$函数P，Q分别是第一类和第二类Legendre函数，那么桨盘上压力分布：

$P(\bar{r},\psi ,\bar{t})=-2\underset{n,m}{\Sigma }{P}_n^m\left(v\right)Q_n^m\left(i0\right)[C_n^m\cos \left(m\bar{\psi }\right)+D_n^m\sin \left(m\bar{\psi }\right)]---\left(2\right)$

考虑Φ^A和Φ^V满足Laplace方程，可得到：

$P^V(\bar{r},\psi ,\bar{t})=\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{n=m+1,m+3···}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\bar{P}}_n^m\left(v\right)[{\left({\tau }_n^{\mathrm{mc}}\right)}^V\cos \left(\mathrm{m\psi }\right)+{\left({\tau }_n^{\mathrm{ms}}\right)}^V\sin \left(\mathrm{m\psi }\right)]---\left(3\right)$

$P^A(\bar{r},\psi ,\bar{t})=\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{n=m+1,m+3···}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\bar{P}}_n^m\left(v\right)[{\left({\tau }_n^{\mathrm{mc}}\right)}^A\cos \left(\mathrm{m\psi }\right)+{\left({\tau }_n^{\mathrm{ms}}\right)}^A\sin \left(\mathrm{m\psi }\right)]---\left(4\right)$

如上所述，将势函数分割成两部分：由加速度所产生的部分和由于动量通量所产生的部分，两部分都满足Laplace方程，由此而建立旋翼垂直方向诱导速度和势函数之间的关系：

$w=-\frac{1}{V}{\int }_0^{\infty }\frac{{\partial \Phi }^V}{\partial z}\mathrm{d\xi }\equiv L\left[{\Phi }^V\right]---\left(5\right)$

$\stackrel{.}{w}=-\frac{{\partial \Phi }^A}{\partial z}|\xi =0\equiv E\left[{\Phi }^A\right]---\left(6\right)$

这里V是无量纲的自由流速度(风轴系)，z垂直桨盘平面向下为正，ξ是风轴系来流方向，如图3所示。

和处理势函数和压力分布函数一样，也可将诱导速度用任意谐波次数和任意阶次径向形函数组成的级数形式来描述：

$w(r,\psi )=\underset{n,m}{\Sigma }{\psi }_n^m\left(v\right)[a_n^m\cos \left(\mathrm{m\psi }\right)+{\beta }_n^m\sin \left(\mathrm{m\psi }\right)]---\left(7\right)$

左乘和cos(mψ)(或sin(mψ))，并沿桨盘积分得到：

$\left[M^C\right]{\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ \left\{{\alpha }_j^r\right\}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)}^{*}+{\left[L^C\right]}^{-1}\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ \left\{{\alpha }_j^r\right\}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ {\tau }_n^{\mathrm{mc}}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)---\left(8\right)$

$\left[M^S\right]{\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ \left\{b_j^r\right\}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)}^{*}+{\left[L^S\right]}^{-1}\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ \left\{b_j^r\right\}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}·\\ ·\\ ·\\ {\tau }_n^{\mathrm{ms}}\\ ·\\ ·\\ ·\end{array}\right)---\left(9\right)$

结合实际应用，将诱导速度表达式改写为可根据需要的谐波次数N及每个谐波函数需要的径向形函数个数S_r阶段的形式。阶段后的诱导速度表达式修改为：

$w_i(\hat{x},\psi ,t)=\underset{r=0}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=r+1,r+3···}{\overset{2S_r+r-1}{\Sigma }}{\psi }_j^r\left(\hat{x}\right)[{\alpha }_j^r\cos \left(\mathrm{r\psi }\right)+{\beta }_j^r\sin \left(\mathrm{r\psi }\right)]---\left(10\right)$

申请人曾采用上述方法对某失速型600千瓦风力发电机组进行空气动力学性能分析，研究表明在考虑稳态风速时，计算的结果同用叶素动量理论和Bladed软件分析得到的结果相比是近似的，表明这种理论可以用来进行空气动力学性能的计算。在考虑动态的风速变化时，采用此种理论能够考虑到空气质量引起的时间滞后性，如图4所示。

机械传动部分

如图5所示。风力发电机组的功率传动链主要是由风轮转子、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机转子构成的。申请人在新型空气动力学理论的基础上，建立了传动系统动力学模型。

风力发电系统的传动系统通常可以看成是由有限个惯性元件、弹性元件及阻尼元件组成的系统。因此，在建立风力发电机组的机理模型中，通常采用弹簧阻尼质量系统为力学模型，此力学模型的基本动力学方程式为：

$\left\{M\right\}\left\{\stackrel{..}{u}\right\}+\left\{C\right\}\left\{\stackrel{.}{u}\right\}+\left\{K\right\}\left\{u\right\}=\left\{R\right\}---\left(11\right)$

式中：{M}是整体质量矩阵，{C}是整体阻尼矩阵，{K}是整体刚度矩阵，{R}是外载荷阵列，{u}，{ü}分别为节点的位移、速度、加速度阵列。

风轮转子和低速轴的动态特性

根据建模机理，可以用一个简单的弹簧-质量-阻尼模型来描述风轮转子和低速轴的动态特性。运动方程式为：

$J_m{\stackrel{..}{\theta }}_R+B_R{\stackrel{.}{\theta }}_R=T_a-T$

                                            (12)

$T=k_1({\theta }_R-{\theta }_1)+B_1{\stackrel{.}{\theta }}_R+B_1^{*}({\stackrel{.}{\theta }}_R-{\stackrel{.}{\theta }}_1)$

式中θ_R：风轮转子的角位移；θ₁：低速轴的角位移；B_R：风轮转子的阻尼；B₁：低速轴的外阻尼；低速轴的内阻尼；k₁：低速轴的刚度；T：低速轴上的扭矩。

齿轮箱的动态特性

T+GT_p＝0

                                            (13)

θ₂＝Gθ₁

式中T_p：高速轴的扭矩；θ₂：高速轴的角位移。

高速轴和发电机转子的动态特性

由于高速轴的转动惯量比发电机转子的转动惯量小的多，因此可以忽略不计。故最后得到的运动方程为：

$J_e{\stackrel{..}{\theta }}_e=T_e-T_p$

                                           (14)

$T_p=k_2({\theta }_2-{\theta }_e)+B_2{\stackrel{.}{\theta }}_e+B_2^{*}({\stackrel{.}{\theta }}_2-{\stackrel{.}{\theta }}_e)$

式中k₂：高速轴的刚度；B₂：高速轴的外阻尼；高速轴的内阻尼；θ_e：发电机转子的角位移。

发电机的动态分析模型

感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线型两种。鼠笼型异步发电机不需要外加励磁，没有滑环和电刷，结构简单、坚固，基本上不需要维护，因而在风力发电系统中得到了广泛应用。感应电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。当作电动机运行时，其转速w_e总是低于同步速w_s＝n_pw₀，w₀为电网频率，n_p为极对数。这时电机中产生的电磁转矩与转向相同。感应电机高于同步速时，则电磁转矩的方向与旋转方向相反，电机作为发电机运行，其作用是把机械功率转变为电功率。发电机的转差率S为式(15)，S>0作电动机运行，S<0作发电机运行。

S＝(w_s-w_e)/w_s                                 (15)

感应发电机的功率输出特性如图6所示。感应发电机的输出功率与转速有关，通常在高于同步转速3％~5％的转速时达到最大值。超过这个转速，感应发电机进入不稳定运行区。

恒速感应式发电机的模型可以简化为一阶线性微分方程形式(16)，该模型代表了一台直接并网的感应式发电机。

${\stackrel{.}{T}}_e=\frac{1}{\tau }[D_e(w_e-w_0/n_p)-T_e]---\left(16\right)$

其中D_e为发电机的转矩/转速曲线的斜率；τ为发电机的时间常数。

上述数学模型为申请人自主研发设计，解决了传统的风力发电机数学模型叶素动量理论不能考虑由于空气质量引起的时间滞后的缺陷，能够使分析结果更加精确。本实施例步骤d中使用变频器调节控制通风机转速时，是直接将变频调节器与工控机相连，由电脑预设程序实现自动控制；步骤e、f、g中的小型风力发电机性能理论分析曲线图和实际测试曲线图主要指其变化的风速和输出功率之间的对应关系曲线图，即步骤f中是使用数据采集卡采集小型风力发电机的输出电压和电流，进而计算得到其输出功率，具体地说，本实施例中是当待测试的发电机输出电流流经整流器和电控箱时，靠设置在电控箱内的数据采集卡采集小型风力发电机的输出电压和电流，进而计算得到其输出功率，其过程是由工控机自动控制实现，同时g步骤中的比较过程也是由工控机自动完成并直接输出比较结果。

如图2所示，本发明还提供一种上述性能测试方法中使用的小型风力发电机性能测试平台，其特点在于包括通风机1、风道2、风速计3、待测小型风力发电机4和工控机5，所述通风机1设置于风道2的一端，风道2的另一端出风口6处设置风速计3与待测小型风力发电机4，其中通风机1与一变频调速器7相连，变频调速器7与工控机5相连，风速计3与待测小型风力发电机4通过数据采集卡8与工控机5相连。具体地说，其中通风机1设计为并列的数台，一起为风道2提供风源，风道2设置为出风口6直径小于通风机1位置处直径的形状，可利于模拟自然风的产生，其中工控机5内预设程序，可通过工控机5控制变频调速器7进而控制通风机1产生模拟自然风，同时工控机5可自动通过数据采集卡8采集风速计3和待测小型风力发电机4的数据，并进行计算、比较，从而判别出待检测的小型风力发电机4性能是否能达到要求。