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离网型风力发电机性能测试系统概述


第2期

中国农机化? CHINESE AGRICULTURAL MECHANIZATION

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离网型风力发电机性能测试系统概述
高雪峰, 王涛, 沈炳耘, 刘志璋, 何桢
摘 要: 本 文 为 离 网 型 风 力 发 电 机 虚 拟 仪 器 性 能 测 试 原 理 的 研 究 , 利用相应的软件 Lab VIEW 及相关配套硬件设备 , 设计了风 力机基本性能参数的测试系统。在考虑到强电、 弱电信号传输 分开 , 内部供电电源与信号线路隔离以及信号 屏 蔽 等 问 题 , 设 计出了测试机箱方案。通过在实验室实验 , 测得了风力发电机 的转速与风力发电机功率的数据 , 从而做出了一条转速与功率 的关系曲线 , 为评估和改进风力发电机的性能提供依据。 关键词 :风力发电 ;虚拟仪器 ;Lab VIEW;特性曲线 ;性能测试 中图分类号 :TK83 文献标识码 :A 文章编号 :1006- 7205(2006)02- 0079- 03

tum of WTG rotate speed and power, and make out the curve of rotate speed and power. We can estimate the performance of the WTG and improve it according to the results. Keywor ds: Wind Turbine Generator (WTG); Virtual Instruments (VI); Lab VIEW; characteristic curve performance measurement system



前言
随着能源危机的出现和环境的日益恶化 , 被称为

绿色 能 源 的 风 能 越 来 越 受 到 世 界 各 国 的 广 泛 重 视 。 自然界中的风能资源是极其巨大的 , 据世界气象组织

Resear ching of a Per for mance Testing System Pr inciple for the Small Size Wind Tur bine Gener ator // GAO Xue - feng, WANG Tao, SHEN Bing- yun, LIU Zhi- zhang, HE Zhen Abstr act: Based on the Visual instruments technology, this paper is mainly about the researching of a performance testing system principle for the small size Wind Turbine Generator. This perfor- mance testing system is based on the virtual instruments (VI) and relative hardware. Considering detach strong and feeble electrici- ty signal, inside electricity supply and signal wire, we devise the testing machine box. Through experiment in the lab, test the da-

(WMO)估 计 , 整 个 地 球 上 总 风 能 约 为 3× 17kW, 其 中 10 10 可以利用的风能约为 2× kW,是地球上可资利用的 10 水能总量的 20 倍左右。风力发电是利用风能的一个 很好的途径。在开发和改进风力发电机, 更好的利用 风能资源的进程中 , 我们需要对风力发电机本身及与 风力发电机相关的一些参数作准确测试, 作为改进风
力发电机性能的必要依据。



系统概述
开发的测试系统采用了当前流行的虚拟仪器测试

技术, 可以实现对被测风力发电机实时实地的数据采 集、监控以及数据分析和处理。被测数据包括大气压 些有用的参数。虚拟样机技术是一项崭新的技术 , 在 我国农业机械相对落后的情况下 , 在我国农业现代化 的步伐中 , 这一技术具有很大的研究和应用价值。
参考文献 : 动力学虚拟仿 真 研 究 [1] 孙秀花 . 小型甘蔗联合收获机运动学、

面加载:Fx=49N、 y=21N、 z=10N。 刀片采用 45 号钢, 弹 F F 性模量为 2.082× 泊松比为 0.3。 Pro/E 里面建立 在 105, 模型后导入 ANSYS, 生成的几何模型如图 10(这种刀 片两边可以交换使用 ), 划分网格后如图 11 所示 , 加载 求解后的应力分布如图 12 。可以看出应力的最大值 为 31.269MPa, 远小于材料的屈服极限 !s=355MPa, 变 形最大值为 0.017647mm,刀片切割是可靠的。从应力 图还可以看出在受力点有应力集中的现象 , 可在刀尖 采用一过渡圆弧来减少应力集中现象。

[D]. 广西大学硕士学位论文 ,2005.6. _____________
来稿日期 :2005 年 9 月 29 日 基金项目 1:国家自然科学基金 (编号

50365001) 0235008- 5) 530004



结束语
本 文 用 三 维 建 模 软 件 Pro/engineer 建 立 了 小 型

基金项目 2:广西壮族自治区科技攻关项目 (编号 蒋礼斌 硕士研究生 广西大学机械工程学院 南宁市 李尚平 杜俊鹏 陈伟叙 教授 , 博士 硕士研究生 副教授 , 硕士 广西大学机械工程学院 广西大学机械工程学院 广西大学机械工程学院

甘蔗收获机的关键部件—台架的虚拟模型 , 利用动力 学仿真软件 ADAMS 和有限元分析软件 ANSYS, 对其 中的一些结构和零件进行了仿真分析和结构静力学 分 析,分 析 其 可 行 性 和 实 用 性,为 后 续 研 究 提 供 了 一

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中国农机化? CHINESE AGRICULTURAL MECHANIZATION

2006 年

力、 大气温度、 直流电流、 直流电压、 频率、 风速、 扭矩等。 整个测试系统的开发包括硬件组配和软件编程 两部分。对于系统硬件部分 , 依据中华人民共和国国 家质量监督检验检疫总局发布的 《 离网型风力发电 机组》 最新国家标准对性能测试部分的要求 , 根据各 待测参量的特点 , 选择合适的传感器、 变送器 , 并依据 测试所采集信号的特点选择能够满足信号要求的数 据采集卡 ,遵照电气规范,组配测试仪。考虑到本套设 备应能在野外连续作业 , 选用的计算机是稳定性和可 靠性较高、 操作简 单 、 带 方 便 、 价 比 高 笔 记 本 电 携 性 脑软件部分是利用当前广为使用的 Lab VIEW 编写 程序,实现对数据采集的控制、 显示和存储。 测试时 , 各路模拟标准信号 (4 ̄20mA 电流信号或

6024E 型多功能数据采集卡是 NI 公司生产的一
种低价位数据采集卡, 使用 E 系列技术可靠的传输数 据 , 根据硬件的驱 动 不 同 , 数 据 传 输 到 硬 盘 的 速 度 可 达到 200Kb/s。它具有 16 个模拟输入通道 ,8 个数字 输入 /输出通道 , 完全满足我们测试的要求。传感器、 变送器亦根据规范的要求选择合适的型号。 直流电压、 交变 在采集的参数中 , 进入直流电流、 频率变送器的信号是从风力发电机直接出来的实际 电 流 、 际 电 压 信 号 , 供 电 电 源 交 流 220V 也 是 强 电 实 信号。但是大气温度变送器、大气压力变送器和风 速、扭矩传感器等则是弱电信号。为避免信号干扰 , 在考虑到强电、 弱电信号传输分开 , 内部供电电源与 信号线路隔离以及信号屏蔽等问题 , 及对这些问题的 分析、 实践处理之后 , 设计出了下面测试机箱方案 (如 图 2)。

0 ̄5V 电压信号 )经相应的变送器采集变送传输 , 通过
数据采集卡上已经设定的信号通道传递给笔记本电 脑 , 实验数据由软件处理后作结果显示 , 同时以 Excel 电子表格文件存储于电脑硬盘。最后 , 利用 Excel 软 件的数学计算、分析处理功能得到实验结果。通过

Excel 计 算 出 风 力 机 的 发 电 功 率 并 绘 制 出 各 参 数 曲
线图形。通过对大气温度、 湿度、 大气压、 风速等实验 数据的分析和处理 , 计 算 出 风 能 的 功 率 ; 利 用 电 流 和 电压参数的分析、 处理 , 计算出风力发电机的输出功 率。通过两个参数的比值从而得到评估风力机的转 换效率及风力机的性能。
图2 测试机箱外观 测试机箱内部结构


3.1

系统软件设计技术方案
应用程序 基 于 LabVIEW 环 境 的 风 力 发 电 机 测 试 程 序 具



系统硬件设计技术方案
本 课 题 采 用 基 于 PC 机 的 数 据 采 集 系 统 (Data

有将来自传感器的信号采集、 存储、 处理和显示的功 能 , 所以程序总体上包括数据采集、 数据存储 (将数据 存入 Excel 表格文件)、 数据处理等几个模块。数据采 集包括通道控制、 触发控制、 设置采样参数。数据处 理及参数分析包括计算模拟参数的实际值 , 与发电机 性能有关的参数计算和性能曲线的显示。应用程序 结构框图如图 3 。

Acquisition, 简 称 DAQ)来 完 成 测 试 研 究 , 建 立 在 计 算 机和 DAQ 设备基础上的虚拟仪器系统具有多性能、
高功能、 集成化、 络 化 、 价 比 高 和 使 用 维 护 方 便 网 性 等特点。本测试系统由笔记本电脑、 数据采集卡、 各 类传感器、 变送器等组成 ,如图 1 所示。 各路信号通过 相应的变送器 , 以标准电信 号 形 式 输 入 DAQcard ―

6024E 型多功能数据采集卡 , 通过数据采集卡上对应 通道的运算功能 ,输出并存储测试结果。
图3 应用程序结构框图

LabVIEW 程序的编写包含前面板和流程图。前 面板就是图形化用户界面 , 用于设置输入数值和观察 输出量。在前面板 中 , 用 户 可 以 使 用 各 种 图 标 , 如 旋 钮、 按钮、 实时趋势图和事后记录图等 , 就像真实的仪
器面板一样。每个前面板都有一个框图程序与之对 应 , 框图程序用图 形 化 语 言 编 写 , 可 以 把 它 理 解 成 传 统编程语言程序中的源代码。流程图是一种算法图
图1 数据采集流程

形描述工具。它用一些几何图框表示各种类型的操

第2期

技术研究?离网型风力发电机性能测试系统概述

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作 , 在框图内写上简明的文字或符号表示具体的操 作 , 用箭头的流程表示操作的先后顺序。由此可以编 写出完整的 LabVIEW 程序进行数据采集和显示。最 后通过 Excel 对数据进行处理。

1kW, 并且由于没有并尾装置 , 随着风速的 增 加 , 功 率
在不断提高。

3.2

仪器接口驱动程序的选择

I/O 接 口 仪 器 驱 动 软 件 完 成 特 定 外 部 硬 件 设 备
的扩展、 驱动与通讯 ,NI 公司对其所有产品提供了专 门的驱动程序库 , 本系统的数据采集卡选用的是 NI 公司的 E 系列多功能数据采集卡 , 驱动程序亦为 NI 公司的 NIDAQ7.3 版本的驱动。



数据采集与处理
测取机组的输出功率和风速 , 用比恩法 (Bin)通过
图4 风速与风机功率关系曲线

计算绘制特性图线。 测 试 标 准 要 求,机 组 正 常 工 作 时,从 切 入 风 速 至 切出风速的整个范围内 , 由计算机同步采集风速、 输 出电功率、 温度、 大气压。采样频率不小于每秒钟一 次 , 平均周期不小于 30s, 不大于 60s。本测试试验 , 采 样频率定为每秒钟一次, 平均周期定为 60s。



结论
当前新能源开发利用技术越来越受到各国的普

遍重视 , 人类面临 的 能 源 问 题 形 势 愈 发 严 峻 , 不 断 开 发性价 比 更 高 的 风 力 发 电 机 有 着 重 大 的 现 实 意 义 。 因此 , 在研究开发以及推广改进风力发电机的工作过 程中 , 对风力发电机性能进行测试 , 掌握准确性能 , 并 对离网型户用风力发电机使用中部分环节实现自动 控制 , 是十分必要的。 本系统是采用软硬件组态的新型虚拟仪器测试 手段构建测试平台开发的一套虚拟仪器测试系统 , 这 对于在自然风况下对风力发电机性能进行测试并改 进风机的性能有重要的意义 , 对于本测试系统以后逐 步优化改进也有着较大的参考价值。
参考文献 :

1) 为了对不同地区条件的风力发电机性能进行 有效的对比 , 要对实 测 的 性 能 参 数 进 行 修 正 , 反 映 在 标准条件(海平面 15℃)下的工作状态。对每一区间内 的输出功率用下式进行修正: 1.226 PS =PT (1) pT

!

"

式中:PS —已经按标准条件修正过的输出功率,W; —— —— PT —未经修正过的输出功率(PT=UI),W; ρ—实验大气密度,kg/m3。 T —— 实验大气密度 ρ由实测大气压力和气温计算: T 288 # p PT=1.226 # (2) 101.325 T+273 # —— 式中:T—实测大气温度,℃;

[1] 苏 绍 禹 . 风 力 发 电 设 计 与 运 行 [M]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社 , 2002. [2] 尹烈 , 刘文洲 . 风力发电 [M]. 北京 :中国电力出版社 ,2002. [3] 何希才.传感器及其应用电路[M].北京:电子工业出版社, 2001. [4] American Wind Energy Association. Standard Performance Testing of Wind Energy Conversion Systems.1988. [5] 张 鹏 举 . 风 电 场 空 气 密 度 对 风 力 机 输 出 功 率 的 影 响 []. 风 力
发电论文集 ,2002,(10).

!

! "

"

# —— p—实测大气压力,kPa。 2) 对相应的风速计算其通过风轮的风功率 P1: π 2 3 p1= ρ V R (3) 2 T
式中:R—风轮半径,m; —— —— V—实测风速,m/s。 风速 - 风机 3) PT /P1 即为风机效率 , 由此可得到“ 功率曲线” 风速 - 风机效率曲线”利用 Excel 软件 和“ , 描绘出其相互关系,由此可看出风力发电机的优劣。 图 4 是我们在内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗对 风速 - 风 1kW 风力发电机,没有并尾装置时所测到的“ 机功率” 曲线。 通过图 4 曲线我们可以看出,风力发电 机 的 启 动 风 速 为 3m/s, 在 10m/s 时 达 到 额 定 功 率

[6] 张延迟 , 吴刚 , 姜霞 . 大型风力发电机组的功率曲线 [J]. 新疆大
学学报 ,2001,(2).

_____________
来稿日期 :2005 年 6 月 13 日 高雪峰 王 涛 博士研究生 硕士研究生 天津大学

300072

天津市

内蒙古工业大学 呼和浩特市

010062

沈炳耘 刘志璋 何 桢

教授 , 硕士生导师 教授 , 博士生导师 教授 , 博士生导师

内蒙古工业大学 内蒙古工业大学 天津大学


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