CN105181307A - 双叶片模型风力发电机实验台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双叶片模型风力发电机实验台及实验方法，其包括两叶片风机平台、配电及控制系统。本实验台根据实际风机的空气动力学特性，在不具备实际风场环境下的实验室也可以模拟出风机的实际工况，给双叶片风力发电机组的实验带来极大的方便；实验台叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，以达到不同工作特性的需要，给实验人员提供很大的方便。本发明根据不同的风速风向，可以模拟双叶片风力发电机组的运行，对叶片的性能包括功率，气动性能，机械性能进行研究。

Description

双叶片模型风力发电机实验台及实验方法

技术领域

本发明涉及一种双叶片模型风力发电机实验台系统，特别涉及双叶片风力发电机叶片性能研究的双叶片模型风力发电机实验台及实验方法。

背景技术

能源危机将严重地影响人类社会的进步和发展。为此全世界都在为开发新能源以维持地球的可持续发展做着不懈的努力。风能是一种人类取之不尽的绿色能源，如何有效地利用和开发风能资源一直是科学界不断努力的方向。

双叶片风力发电机具有重量更轻、体积更小、成本更低、效率更高、便于维护等特点，将成为风力发电技术的发展方向。双叶片模型风力发电机实验台是针对叶片性能研究的实验平台，是对风机叶片气动性能和机械性能研究的一个重要的环节。

进行叶片性能研究，大多采用有限元分析软件对叶片结构设计进行分析，该方法属于理论性研究，不能直观的反应出风机叶片转动过程中功率及气动性能，机械性能参数变化。而直接在实际的机组上进行实验，首先是风力发电机组比较复杂，在风机系统中包括发电机，变桨距系统，液压系统，偏航系统，刹车系统，齿轮箱，控制系统等等，而且各个系统之间相互影响，这样的复杂和繁多的系统给叶片性能检测的实验带来极大的不便，大大增加了实验的周期和难度。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种双叶片模型风力发电机实验台及实验方法，其目的是解决双叶片风力发电机组叶片性能研究，以及理论分析不足，现场实验困难等问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种双叶片模型风力发电机实验台，其特征在于：该试验台两叶片风机平台和配电及控制系统构成；两叶片风机平台包括轮毂、变桨机构、叶片、主轴、扭矩检测仪、扭矩加载器、导电滑环及支撑架；叶片通过变桨机构与轮毂连接，叶片通过主轴与扭矩加载器连接，主轴上串入扭矩测试仪及轴向力测试仪，轮毂通过导电滑环实现与与外部电气联络；主轴设置在支撑架上；

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，控制系统包含主控制器、信号采集及通讯单元，主控制器连接信号采集及通讯单元，信号采集及通讯单元连接扭矩检测仪（5）。

如上所述的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

首先，实验台上电进行自检，将叶片通过变桨机构与轮毂连接，使变桨机构实现叶片0-90度旋转，使叶片吸收的风能通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节，利用主传动轴上串入的扭矩测试仪及轴向力测试仪负载对主传动轴所受的旋转扭矩及轴向力检测；

通过导电滑环实现轮毂与外部电气联络，在自动运行模式下，实验系统根据设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载，在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节；

通过人机界面观察数据采集显示系统，得到实验台的有关数据；在整个实验过程中，实验台的保护系统起到保护监视实验台的全部部件的设备安全和实验人员安全。

通过变桨系统进行偏航变桨，实现叶片的气动性能检测，以及对叶片的功率调整性能、低风发电、大风功率调整以及失速性能进行分析研究。

利用叶片吸收风能并通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节；加载力矩大小通过主控制系统控制设定，实现在无电机的情况下模拟实际风机运行。

在实验台运行中对扭矩，推力，转速进行检测并将数据传送到主控系统，对轮毂旋转角度进行测量。

将采集的信号以实时曲线的形式显示，并进行实时分析，记录保存给叶片性能分析研究提供极大的方便。

两叶片风机平台：

(1)变桨系统:通过电气信号，控制变桨电机动作，变桨电机以恒定速度实现桨叶0-90度位置同步控制。

(2)扭矩加载:扭矩加载通过扭矩加载仪实现，加载力矩大小通过主控制系统给定。

(3)扭矩检测:由扭矩测试仪检测主轴所受的转矩，并将信号传送到主控制系统。

(4)推力检测：由传感器将推力信号传送到主控制系统。

(5)偏航功能：塔筒底部手动旋转调节。

(6)转速检测：通过转速传感器检测主轴转速，将信号传送到主控系统

(7)轮毂旋转角度测量；

配电及控制系统：

(1)自动运行模式

在自动运行模式下，实验系统按照设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载等功能。

(2)手动运行模式

系统在手动运行模式下，完成以下功能：在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节。

优点及效果：

本发明提供一种双叶片模型风力发电机实验台及实验方法，其包括两叶片风机平台、配电及控制系统。

该实验平台适应于叶片性能研究，按照风力发电机组所实现的功能进行设计，通过变桨系统，桨距角调节，负载转矩加载等功能进行模拟风机运行，进行实验的效果与实际机组的基本一样。

本实验台根据实际风机的空气动力学特性，在不具备实际风场环境下的实验室也可以模拟出风机的实际工况，给双叶片风力发电机组的实验带来极大的方便；实验台叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，以达到不同工作特性的需要，给实验人员提供很大的方便。本发明根据不同的风速风向，可以模拟双叶片风力发电机组的运行，对叶片的性能包括功率，气动性能，机械性能进行研究。

附图说明：

图1为风机平台结构示意图；

图2为系统控制界面图；

图3为参数修订界面图；

图4为机组参数设置图；

图5为手动控制模式图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种双叶片模型风力发电机实验台，该试验台两叶片风机平台和配电及控制系统构成；两叶片风机平台包括轮毂1、变桨机构2、叶片3、主轴4、扭矩检测仪5、扭矩加载器6、导电滑环7及支撑架8；叶片通过变桨机构与轮毂连接，叶片通过主轴与扭矩加载器连接，主轴上串入扭矩测试仪及轴向力测试仪，轮毂通过导电滑环实现与与外部电气联络；主轴4设置在支撑架8上；

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，控制系统包含主控制器、信号采集及通讯单元，主控制器连接信号采集及通讯单元，信号采集及通讯单元连接扭矩检测仪5。

实验台控制系统按以下步骤对叶片的性能进行研究实验：

首先，实验台上电进行自检，将叶片通过变桨机构与轮毂连接，使变桨机构实现叶片0-90度旋转，使叶片吸收的风能通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节，利用主传动轴上串入的扭矩测试仪及轴向力测试仪负载对主传动轴所受的旋转扭矩及轴向力检测；

通过导电滑环实现轮毂与外部电气联络，在自动运行模式下，实验系统根据设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载，在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节；

通过人机界面可以观察数据采集显示系统，可以得到实验台的有关数据；在整个实验过程中，实验台的保护系统起到保护监视实验台的全部部件的设备安全和实验人员安全。

本发明通过变桨系统进行偏航变桨，实现叶片的气动性能检测，可以以及对叶片的功率调整性能、低风发电、大风功率调整以及失速性能进行分析研究。

利用叶片吸收风能并通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节；加载力矩大小可以通过主控制系统控制设定，实现在无电机的情况下模拟实际风机运行。在实验台运行中对扭矩，推力，转速进行检测并将数据传送到主控系统，对轮毂旋转角度进行测量。

本发明将采集的信号以实时曲线的形式显示，并进行实时分析，记录保存给叶片性能分析研究提供极大的方便。

两叶片风机平台：

(1)变桨系统:通过电气信号，控制变桨电机动作，变桨电机以恒定速度实现桨叶0-90度位置同步控制。

(2)扭矩加载:扭矩加载通过扭矩加载仪实现，加载力矩大小通过主控制系统给定。

(3)扭矩检测:由扭矩测试仪检测主轴所受的转矩，并将信号传送到主控制系统。

(4)推力检测：由传感器将推力信号传送到主控制系统。

(5)偏航功能：塔筒底部手动旋转调节实现偏航功能。

(6)转速检测：通过转速传感器检测主轴转速，将信号传送到主控系统

(7)轮毂旋转角度测量

配电及控制系统：

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，包含220V母线配电系统及24V线路配电系统等。控制系统包含主控制器，信号采集及通讯单元，逻辑控制及保护功能。实现方法：

(8)自动运行模式

在自动运行模式下，实验系统按照设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载等功能。

自动控制流程如下：

(9)手动运行模式

系统在手动运行模式下，完成以下功能：在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节。

参照图1叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，叶片吸收的风能通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节，主传动轴串入扭矩测试仪及轴向力测试仪，负载对主传动轴所受的旋转扭矩及轴向力检测。轮毂与外部电气联络通过导电滑环实现。

参考图2本设备监控与操作软件采用西门子WINCC组态软件。通过人机界面，进行机组参数设定包括启动桨距角，启动最大转速，额定转速，最大转速，变桨参数设定，转速转矩设定等控制系统运行模式。通过人机界面和数据采集显示单元实时采集风速、转速、转矩、浆角，推力、方位角等数据，调整转速或转矩，曲线显示风速、转速、转矩、浆角，推力、方位角等数据的变化和趋势。历史数据的实时记录和分析导出。

参考图3机组参数修订功能是对机组各类传感器数值进行初始化校对。包括变桨零度角校正，偏航角度值设定，传感器参数校正，方位角触发角度设定等。

参考图4机组参数表是用来设定机组的一些特定参数，包括启动参数设定，运行参数设定，变桨参数设定，转速-转矩设定等。

参考图5在手动模式下，可以对机组桨距角，转矩进行手动调节。

本发明通过控制变桨电机的动作实现变桨系统，对风轮特性进行模拟。利用扭矩加载仪实现扭矩加载，在不具备实际风场环境的实验室也可以模拟出风力发电机组的实际工作特性，利用人机界面的实时信号采集，实时曲线显示，实现了对双叶片风机叶片的性能研究，尤其是叶片的气动性能检测，可以对叶片的功率调整性能，低风发电，大风功率调整，以及失速性能进行分析研究。

Claims (7)

1.一种双叶片模型风力发电机实验台，其特征在于：该试验台两叶片风机平台和配电及控制系统构成；两叶片风机平台包括轮毂（1）、变桨机构（2）、叶片（3）、主轴（4）、扭矩检测仪（5）、扭矩加载器（6）、导电滑环（7）及支撑架（8）；叶片通过变桨机构与轮毂连接，叶片通过主轴与扭矩加载器连接，主轴上串入扭矩测试仪及轴向力测试仪，轮毂通过导电滑环实现与与外部电气联络；主轴（4）设置在支撑架（8）上；

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，控制系统包含主控制器、信号采集及通讯单元，主控制器连接信号采集及通讯单元，信号采集及通讯单元连接扭矩检测仪（5）。

2.如权利要求1所述的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

首先，实验台上电进行自检，将叶片通过变桨机构与轮毂连接，使变桨机构实现叶片0-90度旋转，使叶片吸收的风能通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节，利用主传动轴上串入的扭矩测试仪及轴向力测试仪负载对主传动轴所受的旋转扭矩及轴向力检测；

通过导电滑环实现轮毂与外部电气联络，在自动运行模式下，实验系统根据设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载，在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节；

通过人机界面观察数据采集显示系统，得到实验台的有关数据；在整个实验过程中，实验台的保护系统起到保护监视实验台的全部部件的设备安全和实验人员安全。

3.根据权利要求2所说的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：通过变桨系统进行偏航变桨，实现叶片的气动性能检测，以及对叶片的功率调整性能、低风发电、大风功率调整以及失速性能进行分析研究。

4.根据权利要求2所说的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：利用叶片吸收风能并通过主轴传递给扭矩加载器，调节主轴加载器的加载力矩实现负载大小调节；加载力矩大小通过主控制系统控制设定，实现在无电机的情况下模拟实际风机运行。

5.根据权利要求2所说的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：在实验台运行中对扭矩，推力，转速进行检测并将数据传送到主控系统，对轮毂旋转角度进行测量。

6.根据权利要求2所说的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：将采集的信号以实时曲线的形式显示，并进行实时分析，记录保存给叶片性能分析研究提供极大的方便。

7.根据权利要求2所说的双叶片模型风力发电机实验台的实验方法，其特征在于：

两叶片风机平台：

（1）变桨系统:通过电气信号，控制变桨电机动作，变桨电机以恒定速度实现桨叶0-90度位置同步控制；

（2）扭矩加载:扭矩加载通过扭矩加载仪实现，加载力矩大小通过主控制系统给定；

（3）扭矩检测:由扭矩测试仪检测主轴所受的转矩，并将信号传送到主控制系统；

（4）推力检测：由传感器将推力信号传送到主控制系统；

（5）偏航功能：塔筒底部手动旋转调节；

（6）转速检测：通过转速传感器检测主轴转速，将信号传送到主控系统

（7）轮毂旋转角度测量；

配电及控制系统：

（1）自动运行模式

在自动运行模式下，实验系统按照设定的控制流程进行自动运行控制，其中包括自动桨距角调节，负载转矩自动加载等功能；

（2）手动运行模式

系统在手动运行模式下，完成以下功能：在自动模式转矩-功率数据的基础上，手动调节变桨角度、负载力矩的给定值调节。