CN101545952A - 风光氢综合能源发电系统性能测试方法及其测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光氢综合能源发电系统性能的测试方法及其测试平台，其方法包括建立风力发电机、光伏电池、氢燃料电池三大部分的数学模型，并将其制为软件模块和各属性参数一起预设入工控机内，设计可控制的模拟自然环境，并测试计算得出发电系统各部分的性能理论曲线图，再将待检测发电系统各部分的实际性能，得出各部分性能实际曲线图，两者相比较从而判断综合能源发电系统性能是否符合要求。本发明能方便技术人员检测分析研究风光氢综合能源发电系统工作状况以便对其进行优化设计，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。

Description

风光氢综合能源发电系统性能测试方法及其测试平台

技术领域

本发明涉及一种风光氢综合能源发电系统性能的测试方法及其专用测试平台。

背景技术

风光氢综合能源发电系统是一种综合利用太阳能电池板产生的电能和风力发电机产生的电能电解水制取氢气，并最终得到氢燃料电池的一种发电系统，这样将太阳能和风能转化为氢能储存起来，从而实现对自然能源的利用。在现有技术中，公开号CN101024883A的专利曾公布了一种风、光制氢及提炼重水的方法与设备。它共有5大部分构成：1.太阳能发电部分、2.风力发电部分、3.水电解氢氧部分、4.普氢贮存部分、5.制高压超纯氢部分等；其中第一部分由太阳能集热板组成的集热器组、集热回路、循环泵、热交换器、蒸气回路、汽轮发动机、发电机、冷却器构成；第二部分中由立轴、变速轮、力臂、活动风门、地轮、轨道、发电机等构成。第三部分中由变电降压器、直流脉冲电源器、电解槽、气水分离器、冷却干燥气、循环泵、电动机、供水池、重水集水池、重水输出管、氢气出口A、氧气出口B构成；第四部分中由钢制外壳、氧气出口、氢气出口、活动压板、胶制贮氢软胆、胶制贮氧软胆、阀门、氢气进口A′、氧气进口B′构成；第五部分中由催化脱氧干燥净化器、金属氢化物终端净化压缩器；产品贮存钢瓶以及连接管道；阀门K1～K6、K1′～K6′等构成。本设备以140KW规格每小时可产高压超纯氢101.2kg；产氧气896kg；提炼重水0.15kg；耗水2000kg；效率90％；压力13-15MPa；纯度可达99.9999％。公开号CN1664169曾公开了一种风光互补制氢方法及其装置。它利用太阳能电池板和风力发电机综合发电电解水制取氢气。太阳能和风能的结合能弥补单纯由太阳能或单纯由风能发电制取氢气的不足和缺点，保证了水电解器能源源不断地获得电能电解水制氢。水电解的最低电压在2-3伏特，所以只需要小型的太阳能电池板和微型风力发电机即可。该装置可以根据不同的需要和规模灵活地组装，它既可以建成家庭用的小型氢能供应系统，又可以建成大型的氢能供应系统。

上述的现有专利，均只是公开了一种风光氢综合能源发电技术或者系统，但是它们均没有公开这种风光氢综合能源发电系统的设计过程。在发电机技术领域中，很多发电机在设计时均有相应的性能测试方法和测试平台，可用于检测研究发电机的设计是否合理，再根据检测结果对发电机进行优化和改进，但是现有技术中尚不存在专门的对风光氢综合能源发电系统进行性能测试分析的方法和平台，这样就制约了风光氢综合能源发电系统的利用和发展。

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风光氢综合能源发电系统工作状况以对其进行优化设计的风光氢综合能源发电系统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：

一种风光氢综合能源发电系统性能测试方法，其特点在于包括以下步骤：

a、分别建立风光氢综合能源发电系统中风力发电机、光伏电池、氢燃料电池三大部分的数学模型，再经计算分别得到其特性方程，制得相应软件模块并将其预设入工控机内；

b、将待测试风光氢综合能源发电系统的属性参数，包括风力发电机部分的叶片几何尺寸、翼型升阻力系数、叶片安装位置、传动系统传动比、电机参数、塔架高度等参数；光伏电池部分的短路电流、最大工作电流、最大工作电压、开路电压、太阳辐射参考值、电流温度系数、电压温度系数、列阵串联电阻等参数；氢燃料电池部分的进入增湿器中的摩尔流量、阳极体积、燃料电池温度、摩尔密度、燃料流速、通道截面面积等参数，预输入工控机；

c、设计一包括通风机和风道的人造风源和一防太阳能光源，其中仿太阳能光源功率视待测试的光伏电池功率而定，具体地可将仿太阳能光源功率设置为高于光伏电池功率数的20％，这样更有利于检测；

d、使用变频器调节控制所述人造风源中通风机的转速，在风道的出风口得到连续变化的模拟自然风速；采用仿太阳能光源作为光伏电池的能量来源，辅以工控机控制光源功率，制造可变化的发光环境，以模拟光伏电池在自然情况下的运行情况；通过风速和光源强度的变化组合，来模拟自然情况下复合能源系统的工作情况；

e、在人造风源的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；同时采用所述太阳能光源照射所需测试的光伏电池，在光伏电池相邻位置采用光强传感器和温度仪检测所述防太阳能光源所发出的光强和温度，将此检测到的光强和温度的变化值输入工控机内，经计算得到光伏电池性能理论曲线图；同时综合小型风力发电机性能理论曲线图和光伏电池性能理论曲线图后，计算得到氢燃料电池的功率变化理论曲线图；

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；同时通过数据采集卡采集所需测试的光伏电池的性能实际值，将此值输入工控机得到所需测试的光伏电池的性能实际曲线图；同时经数据采集卡采集氢燃料电池的实际功率，得到氢燃料电池的功率变化实际曲线图；

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；将所需测试的光伏电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断所需测试的光伏电池性能是否符合要求；将氢燃料电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断风光氢综合能源发电系统性能是否符合要求。

本方法所针对的风光氢综合能源发电系统是指，包括风力发电机、太阳能电池及氢燃料电池等几大部分构成的综合能源系统，其使用时是将风力发电机、太阳能电池产生的电流输入到电解槽，从而在电解液中电解出氢气，然后将氢气依次通过压缩设备和蓄氢设备后，氢存放在氢燃料电池中以备使用。其中，风力发电机采用现有通用技术；而太阳能电池则采用光伏电池，将太阳能直接转化为电能存放在光伏电池中；再最终将产生的电能转化为氢燃料电池，可方便储备使用。

在本方法中，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，此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。其中光伏电池和氢燃料电池的数学模型均为现有技术中已知的数学模型。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；防太阳能光源的光强大小可通过调节与其串联的可变电阻的阻值大小来进行调节和模拟自然光变化情况；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；所述光伏电池性能理论曲线图和实际曲线图主要是指P-V特性曲线，I-V特性曲线。所述氢燃料电池的功率变化理论曲线图和实际曲线图主要是指功率随时间的变化曲线；在上述各步骤中的各种计算和比较过程均是由工控机自动控制实现并直接输出比较结果，同时其中用于计算的数学模型和软件模块即为步骤a中所设计的数学模型和相应软件模块，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风光氢综合能源发电系统性能测试平台，其特点在于包括风能部分测试系统、光能部分测试系统和氢能转化部分测试系统；其中风能部分测试系统包括通风机、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；光能部分测试系统包括仿太阳能光源、可变电阻、光强传感器、温度测量仪、待测光伏电池，其中防太阳能光源与可变电阻相连，并可通过改变可变电阻的电阻大小调节防太阳能光源发光强度大小，待测光伏电池设置于防太阳能光源可照射处，光强传感器和温度测量仪与待测光伏电池相邻设置，光强传感器、温度测量仪与待测光伏电池均通过数据采集卡与工控机相连；氢能转化部分包括氢燃料电池，所述氢燃料电池通过数据采集卡与工控机相连。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风光氢综合能源发电系统工作状况以对其进行优化设计，填补了风光氢综合能源发电系统研究中对于设计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为本发明风光氢综合能源发电系统性能测试原理图；

图2为本发明的测试平台结构示意图；

图3为本发明中风力发电机测试部分所建数学模型中的椭圆坐标系定义图；

图4为本发明中风力发电机测试部分所建数学模型中的风速变化功率变化曲线图；

图5为本发明中光伏电池I-U曲线

图6为本发明中光伏电池p-U曲线

图7为本发明中氢燃料电池功率测试曲线

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：

一种风光氢综合能源发电系统性能测试方法，其特点在于包括以下步骤：

a、分别建立风光氢综合能源发电系统中风力发电机、光伏电池、氢燃料电池三大部分的数学模型，再经计算分别得到其特性方程，制得相应软件模块并将其预设入工控机内；

b、将待测试风光氢综合能源发电系统的属性参数，包括风力发电机部分的叶片几何尺寸、翼型升阻力系数、叶片安装位置、传动系统传动比、电机参数、塔架高度等参数；光伏电池部分的短路电流、最大工作电流、最大工作电压、开路电压、太阳辐射参考值、电流温度系数、电压温度系数、列阵串联电阻等参数；氢燃料电池部分的进入增湿器中的摩尔流量、阳极体积、燃料电池温度、摩尔密度、燃料流速、通道截面面积等参数，预输入工控机；

c、设计一包括通风机和风道的人造风源和一防太阳能光源，其中防太阳能光源功率视待测试的光伏电池功率而定，仿太阳能光源功率设置为高于光伏电池功率数的20％；

d、使用变频器调节控制所述人造风源中通风机的转速，在风道的出风口得到连续变化的模拟自然风速；采用仿太阳能光源作为光伏电池的能量来源，辅以工控机控制光源功率，制造可变化的发光环境，以模拟光伏电池在自然情况下的运行情况；通过风速和光源强度的变化组合，来模拟自然情况下复合能源系统的工作情况，例如可模拟白天风渐渐减小，光射渐渐增大的自然状态，也可模拟傍晚风渐渐增大，光射渐渐减小的自然状况；

e、在人造风源的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；同时采用所述太阳能光源照射所需测试的光伏电池，在光伏电池相邻位置采用光强传感器和温度仪检测所述防太阳能光源所发出的光强和温度，将此检测到的光强和温度的变化值输入工控机内，经计算得到光伏电池性能理论曲线图；同时综合小型风力发电机性能理论曲线图和光伏电池性能理论曲线图后，计算得到氢燃料电池的功率变化理论曲线图；

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；同时通过数据采集卡采集所需测试的光伏电池的性能实际值，将此值输入工控机得到所需测试的光伏电池的性能实际曲线图；同时经数据采集卡采集氢燃料电池的实际功率，得到氢燃料电池的功率变化实际曲线图；

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；将所需测试的光伏电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断所需测试的光伏电池性能是否符合要求；将氢燃料电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断风光氢综合能源发电系统性能是否符合要求。

图1为本发明风光氢综合能源发电系统性能测试原理图，如图所示，通过工控机，对变频器和可调电阻进行调节，实现对人造风源和仿太阳能光源的调节，实现对风速和光强度的调节，上述调节是通过计算机程序模拟自然情况下不同的工况组合进行的调节，例如当需模拟黎明时的自然情况，就应该是光强逐渐增大的同时风速逐渐减小，当需模拟傍晚时的自然情况，就应该是光强逐渐减小的同时风速逐渐增大；在人造风源和仿太阳能光源模拟自然条件进行工作的同时，利用由风速计、光强传感器、温度仪以及数据采集卡等构成的信号采集系统采集风速和光强温度等在模拟自然情况下的实际变化值，同时通过信号采集系统自动采集或者通过人工输入等方式获得带测试的风力发电机组、光伏电池和氢燃料电池的性能参数，并将上述所有数据均输入到工控机内进行计算，获得待测试的系统各部分的理论特性曲线图；通过信号采集系统获取待测试的系统各部分的实际工作性能数据，得到待测试系统各部分的实际特性曲线图，将理论特性曲线图与实际特性曲线图比较，研究综合能源系统的性能是否满足要求，再反馈到设计中去，可反应出设计时候是否存在缺陷，便于调整和修改风光氢综合能源发电系统的设计方案。其中的计算和比较均是通过预设在工控机内部的软件程序中的数学性能分析模型来自动进行计算和比较，其数学建模的过程将随后进行介绍。

本实施方式中所针对的风光氢综合能源发电系统是指，包括风力发电机、太阳能电池及氢燃料电池等几大部分构成的综合能源系统，其使用时是将风力发电机、太阳能电池产生的电流输入到电解槽，从而在电解液中电解出氢气，然后将氢气依次通过压缩设备和蓄氢设备后，氢存放在氢燃料电池中以备使用。其中，风力发电机采用现有通用技术；而太阳能电池则采用光伏电池，将太阳能直接转化为电能存放在光伏电池中；再最终将产生的电能转化为氢燃料电池，可方便储备使用。

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Prandt1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：

$\mathrm{\Φ}(v,\mathrm{\η},\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}},\stackrel{\‾}{t})=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=m+1,m+3L}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n^m\left(v\right)Q_n^m\left(\mathrm{i\η}\right)[C_n^m\cos \left(m\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\right)+D_n^m\sin \left(m\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\right)]---\left(1\right)$

这里系数

和

可以唯一地定义旋翼流场的压力分布，ν，η和

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：

$P(\stackrel{\‾}{r},\mathrm{\ψ},\stackrel{\‾}{t})=-2\underset{n,m}{\mathrm{\Σ}}{P}_n^m\left(v\right)Q_n^m\left(i0\right)[C_n^m\cos \left(m\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\right)+D_n^m\sin \left(m\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\right)]---\left(2\right)$

考虑Φ^A和Φ^V满足Laplace方程，可得到：

$P^V(\stackrel{\‾}{r},\mathrm{\ψ},\stackrel{\‾}{t})=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=m+1,m+3\·\·\·}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_n^m\left(v\right)[{\left({\mathrm{\τ}}_n^{\mathrm{mc}}\right)}^V\cos \left(\mathrm{m\ψ}\right)+{\left({\mathrm{\τ}}_n^{\mathrm{ms}}\right)}^V\sin \left(\mathrm{m\ψ}\right)]---\left(3\right)$

$P^A(\stackrel{\‾}{r},\mathrm{\ψ},\stackrel{\‾}{t})=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=m+1,m+3\·\·\·}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_n^m\left(v\right)[{\left({\mathrm{\τ}}_n^{\mathrm{mc}}\right)}^A\cos \left(\mathrm{m\ψ}\right)+{\left({\mathrm{\τ}}_n^{\mathrm{ms}}\right)}^A\sin \left(\mathrm{m\ψ}\right)]---\left(4\right)$

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：

$w=-\frac{1}{V}{\∫}_0^{\∞}\frac{{\∂\mathrm{\Φ}}^V}{\∂z}\mathrm{d\ξ}\≡L\left[{\mathrm{\Φ}}^V\right]---\left(5\right)$

$\stackrel{.}{w}=-\frac{{\∂\mathrm{\Φ}}^A}{\∂z}|\mathrm{\ξ}=0\≡E\left[{\mathrm{\Φ}}^A\right]---\left(6\right)$

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：

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

左乘

和cos(mψ)(或sin(mψ))，并沿桨盘积分得到：

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

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

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：

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

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：

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

                                           (12)

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

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：

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

                               (14)

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

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。

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

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。

在本方法中，其中a步骤所述光伏电池和氢燃料电池的数学模型均为现有技术中告知的数学模型。具体地说，其中太阳能光伏电池特性曲线计算数学模型为：

I＝I_sc[1-C₁(exp[(V-ΔV)/C₂V_oc]-1)]+ΔI

C₁＝(1-I_m/I_sc)exp(-V_m/(C₂·V_oc))

C₂＝(V_m/V_oc-1)/ln(1-I_m/I_sc)

$\mathrm{\&Delta;I}=\mathrm{\&alpha;}\frac{I_T}{I_r}\mathrm{\&Delta;T}+(\frac{I_T}{I_r}-1)I_{\mathrm{sc}}$

ΔV＝βΔT-R_sΔI

ΔT＝T_c-T_r

式中：Isc——短路电流；Im——最大工作电流；Vm——最大工作电压；Voc—开路电压；Ir、Tr—太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为1kW/m2，25℃；IT、Tc—任意时刻的光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射及温度；α——电流温度系数；β——电压温度系数；Rs——阵列串联电阻。

氢燃料电池特性曲线计算数学模型为：

VFC＝E_nernst-V_act-V_ohmic-V_con

IFC＝J·A

PFC＝VFC·IFC

P＝n·PFC

上式中，E_Nernst是电池的热力学电势，代表着电池的可逆电压；V_act是阳极和阴极激活产生的激活电压降(也称作激活超电势)；V_ohmic是欧姆电压降(也称作欧姆超电势)，是由离子在电解质中和电子在外电路中传导产生的电阻引起的电压降部分；V_con表示反应气体浓度降低产生的浓差电压降(也称作浓差超电势)；VFC表示燃料电池的开路电压，而式(3.31)中后三项表示运行过程中电压的下降部分数值。J为电池的电流密度，A为电池的活性区域，n为电池组数目。

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；防太阳能光源的光强大小可通过调节与其串联的可变电阻的阻值大小来进行调节和模拟自然光变化情况；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；所述光伏电池性能理论曲线图和实际曲线图主要是指P-V特性曲线，I-V特性曲线，如图5、图6所示。所述氢燃料电池的功率变化理论曲线图和实际曲线图主要是指功率随时间的变化曲线，如图7所示；在上述各步骤中的各种计算和比较过程均是由工控机自动控制实现并直接输出比较结果，同时其中用于计算的数学模型和软件模块即为步骤a中所设计的数学模型和相应软件模块，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。

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风光氢综合能源发电系统性能测试平台，包括风能部分测试系统、光能部分测试系统和氢能转化部分测试系统；其中风能部分测试系统包括通风机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；光能部分测试系统包括仿太阳能光源9、可变电阻10、光强传感器11、温度测量仪12、待测光伏电池13，其中防太阳能光源9与可变电阻10相连，并可通过改变可变电阻10的电阻大小调节防太阳能光源9发光强度大小，待测光伏电池13设置于防太阳能光源9直射处，光强传感器11和温度测量仪12与待测光伏电池13相邻设置，光强传感器11、温度测量仪12与待测光伏电池13均通过数据采集卡8与工控机5相连；氢能转化部分包括氢燃料电池14，所述氢燃料电池14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。在光能部分测试系统中，所述仿太阳能光源9具体可采用专业仿太阳能设备，在风能部分测试系统、光能部分测试系统和氢能转化部分测试系统中采用的数据采集卡8可以是不相同的数据采集卡，只需其能实现各自的数据采集功能即可，其中的工控机5为同一工控机，此工控机内分别设置有三个部分各自的软件模块。其中第三部分的性能判断分析，需借助前两部分的分析判断结果，当软件模块判断出三部分均分别能达到性能要求时，即可判别出待检测的风光氢综合能源发电系统的性能能达到要求。

Claims (2)

1、一种风光氢综合能源发电系统性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

a、分别建立风光氢综合能源发电系统中风力发电机、光伏电池、氢燃料电池三大部分的数学模型，再经计算分别得到其特性方程，制得相应软件模块并将其预设入工控机内；

b、将待测试风光氢综合能源发电系统的属性参数，包括风力发电机部分的叶片几何尺寸、翼型升阻力系数、叶片安装位置、传动系统传动比、电机参数、塔架高度等参数；光伏电池部分的短路电流、最大工作电流、最大工作电压、开路电压、太阳辐射参考值、电流温度系数、电压温度系数、列阵串联电阻等参数；氢燃料电池部分的进入增湿器中的摩尔流量、阳极体积、燃料电池温度、摩尔密度、燃料流速、通道截面面积等参数，预输入工控机；

c、设计一包括通风机和风道的人造风源和一防太阳能光源；

d、使用变频器调节控制所述人造风源中通风机的转速，在风道的出风口得到连续变化的模拟自然风速；采用仿太阳能光源作为光伏电池的能量来源，辅以工控机控制光源功率，制造可变化的发光环境，以模拟光伏电池在自然情况下的运行情况；通过风速和光源强度的变化组合，来模拟自然情况下复合能源系统的工作情况；

e、在人造风源的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；同时采用所述太阳能光源照射所需测试的光伏电池，在光伏电池相邻位置采用光强传感器和温度仪检测所述防太阳能光源所发出的光强和温度，将此检测到的光强和温度的变化值输入工控机内，经计算得到光伏电池性能理论曲线图；同时综合小型风力发电机性能理论曲线图和光伏电池性能理论曲线图后，计算得到氢燃料电池的功率变化理论曲线图；

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；同时通过数据采集卡采集所需测试的光伏电池的性能实际值，将此值输入工控机得到所需测试的光伏电池的性能实际曲线图；同时经数据采集卡采集氢燃料电池的实际功率，得到氢燃料电池的功率变化实际曲线图；

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；将所需测试的光伏电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断所需测试的光伏电池性能是否符合要求；将氢燃料电池性能实际曲线图与理论曲线图比较，从而判断风光氢综合能源发电系统性能是否符合要求。

2、如权利要求1所述性能测试方法中使用的风光氢综合能源发电系统性能测试平台，其特征在于包括风能部分测试系统、光能部分测试系统和氢能转化部分测试系统；其中风能部分测试系统包括通风机、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；光能部分测试系统包括仿太阳能光源、可变电阻、光强传感器、温度测量仪、待测光伏电池，其中防太阳能光源与可变电阻相连，并可通过改变可变电阻的电阻大小调节防太阳能光源发光强度大小，待测光伏电池设置于防太阳能光源可照射处，光强传感器和温度测量仪与待测光伏电池相邻设置，光强传感器、温度测量仪与待测光伏电池均通过数据采集卡与工控机相连；氢能转化部分包括氢燃料电池，所述氢燃料电池通过数据采集卡与工控机相连。

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