CN102680234B - 一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法及系统，所述的垂直轴风力发电系统的风能－机械能－电能等多场交叉耦合试验方法，不仅为风轮、发电机、电压控制器的结构设计和参数优化提供试验验证手段，更可为风能转换系统中的各部件之间的耦合匹配参数确定提供设计依据，同时为垂直轴风力发电的系统性能优化和耦合技术分析提供新的试验方法和手段。

Description

一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法及系统

技术领域

本发明属于垂直轴风力发电系统的耦合技术领域，涉及一种垂直轴风力发电系统的多场交叉耦合试验方法和手段。

背景技术

风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，储量十分丰富，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。近年来，风力发电在世界的能源总量中所占的比例逐渐提高，风电已经成为世界上发展最快、最具发展前景的能源开发方式。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的消耗、减少温室气体排放、保护环境。垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮（申请号：200810049517.4，授权公告号：CN101260864B）在垂直轴阻力风轮的基础上采用全新的三戟内腔二次风能传递技术为垂直轴风轮风能传递提供了新的设计理念和技术手段。失速可控式永磁风力发电机（申请号：200810049516.X，授权公告号：CN101539103B）设计的与风轮同轴的直接驱动失速可控式永磁风力发电可在较大风速范围内进行工作并具有失速自控功能,可为电力市场提供新的绿色环保能源装置。风力发电机组的电压控制器（申请号：200810141502.0，公开公告号：CN101447760）为离网型直驱式垂直轴风力发电机组提供一种结构简单可靠、运行稳定的电压控制方案。一种简捷型垂直轴风力发电机风轮的风洞试验装置（ZL201020253480.X）试图为垂直轴风轮设计提供优化的试验性能参数和发电机匹配设计参数。简捷型风洞试验装置结构简单、制造方便、成本低廉，在一定的风速范围内可以模拟风场进行试验探索。而实测结果表明，该装置风力损失系数过大，不能为垂直轴风轮设计提供有用的极限设计参数；再者，测力计与风轮之间采用皮带连接，皮带张紧力、皮带与风轮法兰之间的摩擦力以及不同的风力大小直接影响测力计的测试精度，致使无法定量分析和确定垂直轴风轮的特性参数。

另外，如何捕获垂直轴风轮的最大风能利用特性？如何根据风轮的输出性能匹配永磁发电机的功能参数？如何使得电压控制器能在优化充电次数、充电电压等参数的基础上最大限度将不稳定的电功率转化给蓄电池并有效地延长电池寿命。就有必要从风力发电系统的全局耦合技术角度出发，对垂直轴风力发电机系统的多场交叉耦合技术、试验方法和手段进行探索追究。将风能转换系统作为研究对象是国际上近年来系统集成分析技术在风能技术应用的热点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法，用以现有技术弥补现有技术的空白，用以系统地测试整个风力机组性能，评估设计参数。另外，本发明还提供了一种实施上述方法的试验系统。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法，包括如下步骤：

A.风轮试验，利用风洞产生一个可调节风能的风场；在风场中测试风轮特性，输入检测量为风速，输出检测量为扭矩、转速；

B.发电机试验，测试发电机输入输出特性，输入检测量为扭矩、转速和功率、输出检测量为三相电流、电压和电功率；

C.电压控制器试验，测试电压控制器输入输出特性，输入参数为三相电流、电压和电功率，输出参数为直流电流、电压和电功率；

D.参数分析，综合分析风轮、发电机和控制器的部件性能，通过各自的效率曲线估算出发电机组的整体性能，改进设计参数，为整机耦合试验做好技术准备；

E.整机试验，组装风轮、发电机、电压控制器、蓄电池为风力发电机组样机，进行试验；输入检测量为风速，输出检测量为电压控制器输出的电功率，判断出整体耦合最佳性能。

本发明的系统方案：一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，包括风洞，风洞中设有速度可控的通风机，风洞出口处的风场中设有用于安装垂直轴风轮试件的第一试验台，以及用于安装与垂直轴风轮试件传动连接的发电机试件的第二试验台，用于安装将发电机试件发出的三相电整流调压为直流电的电压控制器试件的第三试验台；所述第一试验台上设有用于测量风速的风速仪，第一试验台与第二试验台之间设有用于测量风轮试件扭矩的扭矩传感器，第二试验台上设有用于测量发电机试件输出电能的三相电参数监测装置；第三试验台上设有用于检测电压控制器试件输出电能的电源管理装置。

所述试验系统还包括一个采集数据并进行分析处理的上位机系统，上位机系统中的数据采集单元与所述风速仪、扭矩传感器、三相电参数监测装置、电源管理装置通讯连接。所述扭矩传感器为盘式耦合传感器，其输出通过AD转换模块连接所述数据采集单元。所述三相电参数监测装置通过所述AD转换模块连接所述数据采集单元。所述电压控制器试件输出连接蓄电池，蓄电池通过逆变器输出连接负载箱。所述风洞为回流式风洞。

本发明能够以风能转换系统为对象获得垂直轴风力发电系统中风能－机械能－电能等多场能量交叉耦合转换过程中各元器件的性能参数。

风洞装置由交流变频调速器（简称为变频器）通过调节电源频率来控制来流风速的大小，垂直轴风轮试件（专利文件200810049517.4）将风能转化为机械能，盘式耦合传感器（盘式扭矩信号耦合器）检测风轮试件的输出转速、力矩及功率等性能参数并通过A/D转换模块变换为计算机可读式数字信号，外传子永磁发电机试件（专利文件200810049516.X）为转换机械能至电能的器件，三相综合电参数测试仪检测发电机的输出电流、电压及功率等性能参数并通过A/D转换模块变换为计算机数字信号，通过盘式耦合传感器的检测值和三相综合电参数测试仪的检测值可计算出发电机试件的转换效率特性，电压控制器试件（专利文件200810141502.0）将不稳定的发电机输出参数变为蓄电池所需的充电电压和电流，电源管理装置所检测得到的电量参数结合三相综合电参数测试仪的测试值经分析计算便可以掌握电压控制器试件的效率特性，负载装置则是用来释放蓄电池的存储能量，而上位机系统则是以计算机为载体的多场耦合分析的数据采集平台。

所述的多场交叉耦合的试验设置变频器的频率值并启动之，与变频器相连的通风机运转在风洞的出口处产生一定风速的风场，设置在风场中的垂直轴风轮试件随之转动将风能转换为机械动能，与风轮同轴固联的外传子永磁发电机试件同时运转实现机械能到电能的传递转换，外传子永磁发电机试件的输出电能经电压控制器试件调整为蓄电池所需的充电能量，蓄电池的存储能量由负载装置释放。

所述的多场交叉耦合试验的性能参数有，以掠风面积和风速来衡量的风能大小E_W，以盘式耦合传感器检测得到的风轮试件转速和风轮力矩来确定的风轮输出功率E_M，以三相电参数测试仪检测得到的发电机试件的电压和电流来评价的发电机输出功率E_G，以电源管理装置所检测得到的电压控制器试件的电量参数E_C。

所述的风能功率E_W可根据空气密度ρ、风轮掠风面积A和风速V来计算，

E_W=1/2*ρ*A*V³（1）

所述的风轮输出功率E_M可根据盘式耦合传感器所检测得到的风轮扭矩T和风轮转速n来计算，

E_M=2π/60*T*n（2）

所述的发电机输出功率E_G可根据盘式耦合传感器所检测得到的发电机单相输出电压U和电流I来计算。当负载为纯电阻负载时，发电机输出功率E_G的计算公式为

E_G=3*U*I（3）

所述的电压控制器的转换能量E_C可由蓄电池参数测试仪所检测得到的输出电压U和电流I来计算，

E_C=U*I（4）

所述的多场交叉试验的耦合参数有，垂直轴风轮试件的风能利用率η_M，发电机试件的发电效率η_G以及电压控制器试件的工作效率η_C。其计算公式分别如下：

η_M=E_M/E_W*100%（5）

η_G=E_G/E_M*100%（6）

η_C=E_C/E_G*100%（7）

由风能利用率曲线（风速—η_M特性曲线）捕获得到的最大风能利用率所对应的风轮输出参数（转速、力矩和功率）既是外传子永磁发电机磁路计算与结构确定的耦合设计参数，由发电机特性曲线（转速—η_G特性曲线）得到的最大效率所对应的发电机输出参数（电流、电压和功率）就是电压控制器的输入设计参数。所述的多场耦合试验可衡量垂直轴风力发电系统的综合性能，其系统整体的效率计算式为

η=η_M*η_G*η_C（8）

所述的垂直轴风力发电系统的风能－机械能－电能等多场交叉耦合试验方法，不仅为风轮、发电机、电压控制器的结构设计和参数优化提供试验验证手段，更可为风能转换系统中的各部件之间的耦合匹配参数确定提供设计依据，同时为垂直轴风力发电的系统性能优化和耦合技术分析提供新的试验方法和手段。

附图说明

图1为垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统框图；

图2为垂直轴风轮能量传递模型；

图3为发电机能量传递模型；

图4为电压控制器效率模型；

图5为回流式风洞示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。以下，风轮是指垂直轴风轮，发电机是垂直轴永磁发电机，风洞为回流式风洞。如图5所示，风洞中A为风场，B为通风机，C为蜂窝器，D为阻尼网。

系统实施例

图1为本发明的多场耦合试验系统结构示意图，动力电源经变频器1后为风洞2的驱动通风机提供交流变频电源，风洞2为多场耦合试验提供所需的模拟风场参数（层流均匀的来流风速V）。垂直轴风轮试件3在来流风速V的作用下将风能转化为机械能，永磁发电机试件4将机械能转化为电能，电压控制器试件5则将不稳定的电能调制为蓄电池10所需的稳定电源。蓄电池10所存储的电能则经过逆变器11由负载箱8吸收。电源管理装置是指蓄电池的电源管理系统（BMS）。

回流式风洞2的输出特性由风速计9来检测，其检测参数（风速V）通过RS232C通讯方式传输给数据采集单元15。垂直轴风轮试件3的输出特性由盘式耦合传感器6检测得到的转速n、扭矩T及机械功率E_M等参量经过AD转换器14传送给数据采集单元15。永磁发电机试件4的输出特性由三相电参数测试仪7来检测，其特性参数电压U、电流I及电功率E_G等参量经过AD转换器14输送给数据采集单元15。电压控制器试件5的输出特性则由电源管理装置13将直流电压参数和电流参数等通过RS232C通讯方式传输给数据采集单元15。数据采集单元15完成风能－机械能－电能等多场交叉能量转换的性能参数的数据分析和耦合试验检测报告等工作。

图2为垂直轴风轮试件3的输入输出特性计算模型，根据试验风轮的直径和高度尺寸可以确定风轮掠风面积A，则试验垂直轴风轮试件3的输入风能E_W可由式（1）来计算，而输出机械能E_M可根据由盘式耦合传感器6得来的风轮扭矩T和风轮转速n代入式（2）得到。在不同频率条件下所对应的不同风速这一系统输入参数，相对应的垂直轴风轮试件的风能利用率η_M可根据式（5）求得，从而可绘制出垂直轴风轮试件3的风能利用率曲线（V—η_M特性曲线）。由V—η_M特性曲线上的拐点极值即为最大风能利用率捕获值，其对应的风轮扭矩T、风轮转速n和功率E_M就是永磁发电机试件4的磁路计算与结构确定的耦合设计参数。

图3为永磁发电机试件4的输入输出特性计算模型，其输入能量即为垂直轴风轮试件3的输出机械能E_M，而输出电能E_G可根据由三相综合电参数测试仪7测来的发电机单相输出电压U和电流I代入式（3）而得到。按照式（6）求得发电机4的发电效率η_G后便可绘制出永磁发电机试件4的特性曲线（n—η_G特性曲线）。由n—η_G特性曲线上的拐点极值即为发电机的最大功率输出值，其对应的电压U、电流I和功率E_G就成为电压控制器试件5的电路设计与性能仿真的耦合设计参数。

图4为电压控制器试件5的输入输出特性计算模型，它的输入即为永磁发电机试件4的三相不稳定电源，输出则是蓄电池所需的充电电压和充电电流。其输入电功率即为电压控制器试件5的输出能量E_G，而输出能量E_C可根据由电源管理装置所检测得到的输出电压U和电流I代入式（4）而得到。由式（7）便可计算出电压控制器试件5的工作效率η_C。

对于垂直轴风力发电系统的综合性能，可根据多场耦合试验的结果由式（8）计算出的试验系统的整机效率。

方法实施例

第1步：风轮试验，通过耦合传感器测试风轮的风能转换效率，输入检测量为风速（可计算出风能），输出检测量为扭矩、转速（可计算出机械动能）。

此试验可评估出风轮效率曲线（风速为横坐标轴和风轮效率为纵坐标轴之间的关系曲线）。同时可将风轮的启动扭矩、设计转速（小型风机常用的是风速在10m/s时所对应的转速）以及该转速所对应的功率作为发电机的原始设计参数。风轮效率曲线中的最佳效率点如果和设计转速相差较大时还需要改变风轮几何结构参数来调整。所需试验设备有：风洞和风轮试验台。测试仪器有：风速仪和耦合传感器。

耦合传感器连接上位机系统的RS232C接口，直接将试验转速、扭矩和功率的参数值传输到上位机系统。

第2步：发电机试验，通过耦合传感器测试发电机的输入参数（扭矩、转速和功率）、三相综合电参数测试仪测试发电机的输出参数（电流、电压和电功率）。此试验可评估出发电机效率曲线（转速为横坐标轴和发电机效率为纵坐标轴之间的关系曲线）。本试验所需试验设备有：变频器、驱动电动机、发电机试件和电阻负载。测试仪器有：耦合传感器和三相综合电参数测试仪。本试验和风轮试验可以共享整套设备、也可以单独构建。

第3步：电压控制器试验，通过三相综合电参数测试仪测试控制器的输入参数（电流、电压。电功率=发电机的输出参数）、蓄电池参数测试仪测试控制器的输出参数（电流、电压和电功率）。此试验可评估出电压控制试验的效率曲线（转速为横坐标轴和电压控制试验效率为纵坐标轴之间的关系曲线）。本试验需要和发电机试验配合进行，未安装电压控制试验时作电机试验，安装电压控制试验后作本试验。

第4步：参数分析。需要从系统整体的角度出发，综合分析风轮、发电机和控制器的部件性能，通过各自的效率曲线估算出发电机组的整体性能，改进设计参数，为整机耦合试验做好技术准备。

第5步：整机试验，组装风轮、发电机、控制器、蓄电池为风力发电机组样机，在风洞试验场地进行产品样机模拟试验。输入检测量为风速（可计算出风能），输出检测量为电功率。此试验可评估出风机效率曲线（风速为横坐标轴和效率为纵坐标轴之间的关系曲线），作为风力发电机的特性曲线可以判断出整体耦合最佳性能。

第1步到第4步主要考虑的是元器件在设计阶段需要分析，使得部件性能首先达到最优。只有分析结束后才有能有效地进入第5步的系统集成阶段。

最佳效率点的设计思路为，通过风轮结构的空气动力学分析并通过试验测试可以获得风轮的效率曲线。根据风轮效率曲线的最佳效率工作点估计发电机的启动扭矩、额定转速和功率来设计发电机，尽可能使发电机的最佳效率点和风轮的最佳效率点吻合。由于实际上影响因素较多难以实现同步最优，就需要耦合试验来检测，而后参照试验结果改变发电机的设计参数来完善结构设计和性能分析。至于电压控制器，由于成本低廉而使得后期调整较为容易实现。最终的风力发电机组的性能就需要本申请提出的耦合试验来检测。

需要指出的是：1，风速是随机变量，风洞只是模拟试验设备。将风速作为输入变量进行理论计算其误差可达50%。因此，目前常用的方法是计算流体力学分析外加试验验证来衡量，风轮性能取决于几何结构和形状，其输出特性也悬殊颇大。风轮单体试验的结果是为发电机设计提供耦合匹配的设计参数，其结果仍需要整体耦合试验来检测，目的在于通过耦合使得整体最优。2，风场选址与评估是风力发电的第一环节，它主要考察风能的稳定性和持续性。风机的设计基本上与风场关系不大，在强度和刚度满足要求的前提条件（日本要求极限风速为60m/s，英国在要求极限风速为100m/s，而我国标准未明确规定）下，对于室外设置的风机，产品安全是首位要考虑的因素。对特定的气象资料已掌握的风场，风速范围也不受设计限制。针对强大罕见风暴，设计时还要考虑对风机进行采取失速控制措施。目前，对于不同的风场，主要考虑的是选择合适容量大小的风机就可以了。

Claims (6)

1.一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

风轮试验，利用风洞产生一个风力可调节的风场；在风场中测试风轮特性，输入检测量为风速，输出检测量为扭矩、转速；由扭矩T、转速n计算出风轮输出功率，将风轮的扭矩、转速以及该转速所对应的功率作为发电机的原始设计参数；风能功率E_W的计算公式为：E_W＝0.5*ρ*A*V³，其中，ρ为空气密度，A为风轮掠风面积，V为风速；风轮输出功率E_M的计算公式为E_M＝(2π/60)*T*n；所述风洞为回流式风洞；

发电机试验，测试发电机输入输出特性，输入检测量为扭矩、转速和功率、输出检测量为三相电流、电压和电功率，将该电功率作为电压控制器的输入参数；发电机输出功率E_G的计算公式为E_G＝3*U_G*I_G，其中，U_G为发电机单相输出电压，I_G为发电机单相输出电流；

电压控制器试验，测试电压控制器输入输出特性，输入参数为三相电流、电压和电功率，输出参数为直流电流I_C、电压U_C和电功率E_C，E_C＝U_C*I_C；

垂直轴风轮试件的风能利用率η_M，发电机试件的发电效率η_G以及电压控制器试件的工作效率η_C的计算公式分别如下：

η_M＝E_M/E_W*100％，η_G＝E_G/E_M*100％，η_C＝E_C/E_G*100％；

整体的效率计算式为η＝η_M*η_G*η_C；

参数分析，综合分析风轮、发电机和控制器的性能，通过各自的效率曲线估算出发电机组的整体性能，改进设计参数，为整机耦合试验做好技术准备；由风能利用率曲线即V-η_M特性曲线，捕获得到的最大风能利用率所对应的风轮输出参数即转速、力矩和功率，为发电机磁路计算与结构确定的耦合设计参数；由发电机特性曲线即n-η_G特性曲线，得到的最大效率所对应的发电机输出参数即电流、电压和功率，就是电压控制器的输入设计参数；

整机试验，组装风轮、发电机、电压控制器、蓄电池为风力发电机组样机，进行试验；输入检测量为风速，输出检测量为电压控制器输出的电功率，此试验可评估出风机效率曲线，作为风力发电机的特性曲线判断出整体耦合最佳性能。

2.一种利用如权利要求1所示的一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验方法的垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，其特征在于，包括风洞，风洞中设有速度可控的通风机，风洞出口处的风场中设有用于安装垂直轴风轮试件的第一试验台，以及用于安装与垂直轴风轮试件传动连接的发电机试件的第二试验台，用于安装将发电机试件发出的三相电整流调压为直流电的电压控制器试件的第三试验台；所述第一试验台上设有用于测量风速的风速仪，第一试验台与第二试验台之间设有用于测量风轮试件扭矩的扭矩传感器，第二试验台上设有用于测量发电机试件输出电能的三相电参数监测装置；第三试验台上设有用于检测电压控制器试件输出电能的电源管理装置。

3.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括一个采集数据并进行分析处理的上位机系统，上位机系统中的数据采集单元与所述风速仪、扭矩传感器、三相电参数监测装置、电源管理装置通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，其特征在于，所述扭矩传感器为盘式耦合传感器，其输出通过AD转换模块连接所述数据采集单元。

5.根据权利要求3所述的一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，其特征在于，所述三相电参数监测装置通过AD转换模块连接所述数据采集单元。

6.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，其特征在于，所述电压控制器试件输出连接蓄电池，蓄电池通过逆变器输出连接负载箱。