CN109869287A - 一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，涉及风力发电机领域，包括信号测量采集系统、数据处理系统和控制系统；所述信号测量采集系统包括传感器模块、第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述数据处理系统包括第一存储模块、第二存储模块、预处理模块、二次处理模块和显示模块；所述控制系统包括转速控制模块、桨距角控制模块、偏航角控制模块和通信模块；所述信号测量采集系统将采集到的数据传输给所述数据处理系统进行存储、处理和展示；所述控制系统结合处理结果和预设策略，对模型进行控制。本发明对风力发电机模型试验中的多种物理数据进行测量和分析，并控制风机，有效满足当前风机模型试验的复杂测试要求。

Description

一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，尤其涉及一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统。

背景技术

近年来，清洁能源的开发与利用越来越受到重视，其中，风能作为广泛存在的清洁能源之一而备受关注。对于风能的开发利用，主要采用陆地和海上风力发电机，将风能转化为电能。

在风力发电机的设计研发阶段，为了提高发电机的工作效率，延长使用寿命，需要对发电机不同部件进行各种各样的测试与控制，但是不论是陆地风力发电机还是海上风力发电机，单台的造价都十分昂贵，建造一台实际的风机用来研究非常不现实。因此，在设计研发阶段，必须进行风力发电机的模型试验，即按照一定的缩尺比例，将实物缩小成可以在实验室进行试验的模型，从而研究实物的情况，以降低成本。

在进行模型试验时，最重要的工作是对选择对控制最关键运行参数进行数据采集，并且进行数据处理，以用于后期研究优化。由于风力发电机涉及的物理量多，包括受力、变形、加速度、扭矩、锚链力、风速、风向等，因此所需要选择合适的传感器种类；此外由于不同传感器采集原理和通信协议不同，还要求采集系统同时兼容多种类型的传感器。另外，试验过程中，采集系统采集到的数据量庞大且复杂，必须对数据进行各种合理的分析处理，以保证整个系统的高效运转。除此之外，在试验进行时，还需要调节风机的迎风方向和风轮的转速控制参数，所以还必须有适用于模型试验的控制系统，使试验更加真实地模拟实际情况。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，能够全面地测量风力发电机模型试验中的关键运行参数，并对数据进行高效的处理，以对风力发电机的迎风方向和风轮的转速有效控制。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是选择并采集对风力发电机模型试验中的关键运行参数，进行有效的采集、处理、存储和展示，以对风力发电机进行必要的控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，包括信号测量采集系统、数据处理系统和控制系统；所述信号测量采集系统采集风机模型试验的运行数据，传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统对所述运行数据进行存储、处理和展示，并将处理结果传输给所述控制系统；所述控制系统根据所述处理结果，以及预设的控制策略，控制风力发电机模型试验的迎风方向和风轮的转速。

进一步地，所述信号测量采集系统包括传感器模块、第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述传感器模块采集风机的运行数据，并根据所述传感器的通信协议不同，分别将所述运行数据传给所述第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述第一数据采集模块、所述第二数据采集模块均与所述数据处理系统相连接，并进行数据通信。

进一步地，所述传感器模块包括光纤传感器、加速度仪、扭矩传感器、第一六分力仪、第二六分力仪和风速风向仪；

所述光纤传感器用于测量风轮叶片旋转过程中叶片的受力变形情况；

所述加速度仪用于测量风机机舱处的加速度；

所述扭矩传感器用于测量风轮在外载荷作用下的扭矩值；

所述第一六分力仪用于测量风机塔筒底部固定端处的受力情况；

所述第二六分力仪用于测量风机机舱与塔筒连接处的受力情况；

所述风速风向仪用于测量风机所处环境的风速和风向。

进一步地，所述传感器模块还包括用来测量锚链力的单分力仪。

进一步地，所述数据处理系统包括预处理模块、二次处理模块、第二存储模块和显示模块；所述预处理模块与所述信号测量采集系统相连，获取并预处理所述信号测量采集系统采集的风机运行数据；所述预处理包括滤波、降采样和剔除坏点；所述二次处理模块与所述预处理模块相连，对所述预处理模块获取的数据进行时域分析、频谱分析和概率统计处理；所述第二存储模块存储所述二次处理模块的处理结果；所述显示模块通过图像或数据显示所述二次处理模块的处理结果。

进一步地，所述数据处理系统还包括第一存储模块，所述第一存储模块备份所述信号测量采集系统所采集到的源数据。

进一步地，所述控制系统包括通信模块，所述通信模块通过包括串口通信、网口通信或无线通信的方式，将控制指令下发给风机模型试验。

进一步地，所述控制系统包括转速控制模块；所述转速控制模块与所述通信模块相连，用于下发控制风轮转速的转速控制指令；所述转速控制模块还具有转速实时反馈风轮转速的功能。

进一步地，所述控制系统包括桨距角控制模块；所述桨距角控制模块与所述通信模块相连，用于下发调节风机风轮叶片桨距角的桨距角控制指令。

进一步地，所述控制系统包括偏航角控制模块；所述偏航角控制模块与所述通信模块相连，用于下发调节风机风轮与风向的夹角的偏航角控制指令。

本发明合理地搭建了一套适用于风力发电机模型试验的信号采集和控制系统，优点包括：

(1)通过多种类型的传感器，充分采集用于风机模型试验控制的关键参数。

(2)对不同协议的传感器设置不同的采集模块，效率高，有利于硬件集成。

(3)对数据进行分级高效、多样的处理和直观的展示，并进行完备的存储，可靠性高。

(4)根据数据处理的结果，对风力发电机模型的转速、桨距角和偏航角进行控制，使风力发电机模型更加符合实际风机的使用情况，提高了模型试验的精确度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的系统框图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，为一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，包括信号测量采集系统、数据处理系统和控制系统；所述信号测量采集系统采集风机模型试验的运行数据，传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统对所述运行数据进行存储、处理和展示，并将处理结果传输给所述控制系统；所述控制系统根据所述处理结果，以及预设的控制策略，控制风力发电机模型试验的迎风方向和风轮的转速。

实际运行时，为对风机模型试验进行有效控制，需要采集电压、电流、切入风速、以及加速度、扭矩值等多种参数，对应地，需要各种种类传感器及传感器初始化系统和传感器数据接收系统。由于这些传感器所需的工作电压、反馈信号和通信协议差异较大，考虑到硬件集成和接口设计紧凑，优选地，信号测量采集系统包括传感器模块、第一数据采集模块和第二数据采集模块；传感器模块与第一数据采集模块、第二数据采集模块相连接；不同通信协议的所述传感器，选择满足对应协议的第一数据采集模块或第二数据采集模块；第一数据采集模块、第二数据采集模块均与数据处理系统相连接，并进行数据通信。

虽然风机实际运行时可采集的参数众多，除了传统的电压、电流，还包括切入风速、切出风速、桨距角、风机旋转速度、温度等，考虑到风力发电机控制的关键是风叶迎风方向和风轮的转速控制参数，优选地，所述传感器模块包括光纤传感器、加速度仪、扭矩传感器、第一六分力仪、第二六分力仪和风速风向仪；其中，光纤传感器用于测量风轮叶片旋转过程中叶片的受力变形情况；加速度仪用于测量风机机舱处的加速度；扭矩传感器用于测量风轮在外载荷作用下的扭矩值，用于对发电功率的研究；第一六分力仪用于测量风机塔筒底部固定端处的受力情况；第二六分力仪用于测量风机机舱与塔筒连接处的受力情况；风速风向仪用于测量风机所处环境的风速和风向。

进一步地，考虑浮式风机水池试验中还需要测量测量风机所受的单方向的力，如拉力、浮式风机水池试验中的锚链力，优选地，所述传感器模块还包括单分力仪。

本实施例中，风速风向仪采集的数据传给所述第一数据采集模块，其余所述传感器采集的数据，传给所述的第二数据采集模块。

本实施例中，所述数据处理系统包括第一存储模块、第二存储模块、预处理模块、二次处理模块和显示模块；所述信号测量采集系统的传感器模块将被测物理量转换为数据，并根据协议不同传输给支持对应协议的第一数据采集模块和第二数据采集模块；第一数据采集模块和第二数据采集模块将数据传给第一存储模块和预处理模块。第一存储模块用于存储信号测量采集系统所采集到的源数据，起到原始数据的备份作用。

由于传感器采集变量的转换数据量较大，具有较高处理能力的单一数据处理硬件成本较高、功耗较大，优选地，设置预处理模块和二次处理模块，数据预处理模块对信号测量采集系统所采集到的源数据进行初始数据处理；二次处理模块对数据初始处理结果进行二次处理。

由于电磁噪声、振动、采样频率多种环境因素导致传感器采集参数包含大量噪声或无效数据，且各传感器采样及反馈数据速度差异较大，优选地，所述预处理模块的初始数据处理包括滤波、降采样和剔除坏点操作。对于所述预处理模块预处理之后的数据，还要将采集的数据转换为实际的测量物理量，优选地，所述二次处理模块置入所述各传感器的标定系数，将采集的数据转换为实际的测量物理量。进一步地，为分析风机模型实验各控制量及干扰量的含量和成分，优选地，二次处理模块还包括时域分析、频谱分析和概率统计。

所述二次处理模块处理后的数据，传递给第二存储模块进行存储；所述第二存储模块与控制系统相连，传输所需的风机模型试验的参数给所述控制系统。

为进一步提高数据处理结果的可视性和交互性，优选地，二次处理模块还将处理结果传递给所述显示模块进行数据显示或图像显示，且用户可根据需求选择合适的展示方式。

本实施例中，控制系统包括转速控制模块、桨距角控制模块、偏航角控制模块和通信模块；所述转速控制模块、所述桨距角控制模块与所述偏航角控制模块分别和通信模块相连接，根据预先设定的策略及从所述第二存储模块获取的风机模型试验参数，进行闭环控制，并通过所述通信模块向风机模型试验的控制中心(下位机)发送控制指令，控制风力发电机模型的状态。

由于实际风机工作过程中转速是可以改变的，而且不同转速下发电效果不一样，所以需要对风机转速进行控制；优选地，采用转速控制模块用于控制风轮的转速；考虑到速度的无极变动和实时调节的需要，所述转速控制模块还具有实时反馈转速的功能。

为调整风机的输出功率，本实施例采用桨距角控制模块根据风速和风向的测量数值，依靠控制策略调节风机风轮叶片的桨距角，使桨距角匹配当前环境。通过桨距角的主动控制，可以使风机变速恒频，也可以恒功率输出，或者恒风速输出。本实施例通过桨距角控制，使得风机输出为变速恒频为模式。当风速低于额定风速时，根据实时风向，调节风叶迎风角度，令调节桨距角0°，风速变化时，改变风机转子转速，使风能利用系数固定于Cpmax，捕获最大风能；风速高于额定值时，调节桨距角减少叶轮的输入功率，使风机输出功率稳定在额定功率。本实施例中，采用所述偏航角控制模块根据风向的测量值，调节风轮与风向的夹角。

考虑到下位机可能有不同的接口，为扩大装置的适用范围，优选地，通信模块向下位机发送控制指令的通信方式，包括串口通信、网口通信和无线通信。

在使用本发明时，首先保证各系统对应的模块都能够正常开启并且进入工作状态，初始化各模块参数值，例如：传感器的标定系数、需要存储的文件路径名、存储类型、数据处理方法、结果显示的方式等，然后开始数据采集。

对试验模型施加环境载况后，数据处理系统对信号测量采集系统采集的数据进行处理，并按照要求进行显示；控制系统根据包含在控制系统中的对风机的控制策略，结合采集处理后的数据，控制风机的迎风方向、桨距角和风轮转速进行。除此之外，为防止数据丢失，以及适应数据分布式处理的需要，数据处理系统还将采集到的源数据和经过处理以后需要保存的数据都被存储在指定位置，方便后续使用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，包括信号测量采集系统、数据处理系统和控制系统；所述信号测量采集系统采集风机模型试验的运行数据，传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统对所述运行数据进行存储、处理和展示，并将处理结果传输给所述控制系统；所述控制系统根据所述处理结果，以及预设的控制策略，控制风力发电机模型试验的迎风方向和风轮的转速。

2.如权利要求1所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述信号测量采集系统包括传感器模块、第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述传感器模块采集风机的运行数据，并根据所述传感器的通信协议不同，分别将所述运行数据传给所述第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述第一数据采集模块、所述第二数据采集模块均与所述数据处理系统相连接，并进行数据通信。

3.如权利要求2所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括光纤传感器、加速度仪、扭矩传感器、第一六分力仪、第二六分力仪和风速风向仪；

所述光纤传感器用于测量风轮叶片旋转过程中叶片的受力变形情况；

所述加速度仪用于测量风机机舱处的加速度；

所述扭矩传感器用于测量风轮在外载荷作用下的扭矩值；

所述第一六分力仪用于测量风机塔筒底部固定端处的受力情况；

所述第二六分力仪用于测量风机机舱与塔筒连接处的受力情况；

所述风速风向仪用于测量风机所处环境的风速和风向。

4.如权利要求2所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括用来测量锚链力的单分力仪。

5.如权利要求1所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述数据处理系统包括预处理模块、二次处理模块、第二存储模块和显示模块；所述预处理模块与所述信号测量采集系统相连，获取并预处理所述信号测量采集系统采集的风机运行数据；所述预处理包括滤波、降采样和剔除坏点；所述二次处理模块与所述预处理模块相连，对所述预处理模块获取的数据进行时域分析、频谱分析和概率统计处理；所述第二存储模块存储所述二次处理模块的处理结果；所述显示模块通过图像或数据显示所述二次处理模块的处理结果。

6.如权利要求5所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述数据处理系统还包括第一存储模块，所述第一存储模块备份所述信号测量采集系统所采集到的源数据。

7.如权利要求1所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述控制系统包括通信模块，所述通信模块通过包括串口通信、网口通信或无线通信的方式，将控制指令下发给风机模型试验。

8.如权利要求7所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转速控制模块；所述转速控制模块与所述通信模块相连，用于下发控制风轮转速的转速控制指令；所述转速控制模块还具有转速实时反馈风轮转速的功能。

9.如权利要求7所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述控制系统包括桨距角控制模块；所述桨距角控制模块与所述通信模块相连，用于下发调节风机风轮叶片桨距角的桨距角控制指令。

10.如权利要求7所述的一种用于风力发电机模型试验的信号采集与控制系统，其特征在于，所述控制系统包括偏航角控制模块；所述偏航角控制模块与所述通信模块相连，用于下发调节风机风轮与风向的夹角的偏航角控制指令。