CN208900282U - 一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，包括风力发电机、调理电路、数据采集卡、整流器、上位机以及可编程直流电子负载，所述可编程直流电子负载通过整流器连接于所述风力发电机的输出端；所述调理电路输入端与所述发电机输出端相连获得分压并输出分压的电压变化信号，所述上位机通过所述数据采集卡获得所述调整电路输出的频率转换成所述风力发电机的实时转速，并与目标转速比较，通过PID控制器计算出控制量调节所述可编程直流电子负载。采用本实用新型，使用可编程的直流电子负载作为电能消耗设备，根据上位机中自动计算的实时PID控制量进行直流电子负载电压值设定，从而改变负载值即发电机的反转矩，达到目标控制转速。

Description

一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机领域，尤其涉及一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统。

背景技术

风能作为一种清洁可再生能源在我国能源结构中的比重日益突出，风洞实验是风力机设计的关键环节，而风洞实验又是基于电机转速测控基础之上的。风洞实验中壁面会对气流产生阻塞作用，风机自身运转也会加大气流的湍流效应，导致风洞实验中的电机转速极难控制。

传统的风力机转速测控方法是以单片机作处理器，设计PI控制器或开环查表控制器，用单片机的拓展模块实现数据采集和输出。这种测控方法不便在风洞中安装，而且存在不易扩展、编程复杂、抗干扰能力不够强、转速控制不够精准稳定等缺陷，不适合风洞实验转速测控。同时，现有技术也用到滑动变阻器来调节阻转矩，但因滑动变阻器的实现方法是开环控制，而且无法实现自动调节。当风速波动或有其他干扰因素时，需要不断手动改变滑动变阻器的阻值才能保持转速在目标值，其动态特性较差。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统。可解决了风洞试验中风力发电机转速难以精准控制的难题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，包括风力发电机、调理电路、数据采集卡、整流器、上位机以及可编程直流电子负载，所述风力发电机设置于风洞中，所述可编程直流电子负载通过整流器连接于所述风力发电机的输出端；所述调理电路输入端与所述发电机输出端相连获得分压并输出分压的电压变化信号，所述上位机通过所述数据采集卡获得所述调整电路输出的频率转换成所述风力发电机的实时转速，并与目标转速比较，通过PID控制器计算出控制量调节所述可编程直流电子负载。

进一步地，所述控制量经过控制量增量Δu(k)进行Z变换得到，所述控制量增量Δu(k)通过以入公式计算：

Δu(k)＝K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

其中，K_p、K_i和K_d分别为比例、积分和微分系数，偏差e(k)为转速目标值r(k) 与实时转速值y(k)之差。

更进一步地，所述PID控制器在Labview中实现。

更进一步地，所述调理电路包括反向一阶惯性放大电路以及施密特触发器。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：本实用新型使用可编程的直流电子负载作为电能消耗设备，根据上位机中自动计算的实时PID控制量进行直流电子负载电压值设定，从而改变负载值即发电机的反转矩，达到目标控制转速。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构框图；

图2是本实用新型控制流程结构示意图；

图3是调理电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

如图1所示。

本实用新型实施例的一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，包括风力发电机02、调理电路03、数据采集卡04、整流器07、上位机05以及可编程直流电子负载06，风力发电机02的风轮设置于风洞中，风力发电机02为永磁同步发电机。

调理电路输入端与永磁同步三相发电机中的两相相连、输出端与采集卡相连，用于接收和处理永磁同步三相交流发电机的信号；数据采集卡输入端子与调理电路输出端子相连、并通过以太网协议与上位机通讯；可编程直流电子负载与上位机通过RS485－USB通讯线进行通讯，实现实时负载值的给定；整流器输入端接同步电机的三相电，输出端接直流电子负载，直流电子负载用电使发电机产生反转矩。

风轮受风旋转，并带动永磁同步三相发电机发电产生近似正弦的电压信号，调理电路将电压信号处理成幅值为5V的方波信号，NI数据采集卡采集方波信号，上位机Labview通过DAQ助手读取方波信号并测量其频率从而得到发电机实时转速，并与目标转速值进行比较，通过PID控制器计算出控制量来调节电子负载，实现转速的闭环控制，并在Labview中对发电机的转速进行监控，以便出现故障时，对永磁同步三相风力机进行停机处理，防止风力机超速导致叶片损坏或发电机烧坏，最后生成报表。因PID在Labview中实现，对转速进行监控后，根据转速的动态响应特性对PID参数直接通过Labview前面板进行现场调试和设置。

图2为上位机LabView中基于PID的闭环控制原理图，为减少累积误差，采用增量式PID控制器。转速目标值在上位机中设定，转速目标值r(k)与实时转速值y(k)之差为偏差e(k)，控制量增量Δu(k)由偏差的比例、积分和微分三环线性组合而成，如下式，其中K_p、K_i和K_d分别为比例、积分和微分系数，在现场调试时根据普通PID调试方法进行设置，这三个基本参数在实际调试程序时不断改变大小。经过z变换得到控制量u(k)，该控制量作为电子负载的电压给定值，从而改变发电机的反转矩，实现对转速的闭环控制。

Δu(k)＝K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

图3为调理电路的原理图。VCC为高电平，GND为地。发电机三相输出端一端接入电阻R1，一端接入电阻R2，使发电机输出电压按电阻R1和R2电阻值比值分压，从而使电压降至电子负载可接受的电压范围。瞬变抑制二极管TVS 起到吸收由发电机转速改变过快产生的脉冲，并消除不必要的电源噪声干扰的作用。转速变化过大而引起PID环节控制量的增量过大，以致产生过大反转矩冲量，对风力机产生巨大冲击。为了保险起见，后面再加一个一阶惯性环节。电容C1、电阻R5、电阻R3及电阻R4以及运算放大器构成反向一阶惯性放大电路。R4构成电压反馈回路。施密特触发器根据设定的阈值将来自放大电路输出端的正弦电压信号转化为方波电信号，并输出至NI数据采集卡。

可编程直流电子负载根据上位机的控制信号调整负载，经过整流器作用于发电机，从而达到控制发电机转速。Labview通过电子负载控制模块对直流电子负载进行负载给定，模块可进行通信设置(波特率、停止位等的选择)和模式选择 (恒流，恒阻，恒压，恒功率，恒流+恒压，恒阻+恒压)，并可通过模块读取电子负载的实时电流、功率和电压。

现有技术使用滑动变阻器作为负载，成本低但精度不高，反应慢，可调范围小，稳定性差，难于实现自动控制，抗干扰能力差。

本实用新型使用可编程的直流电子负载作为电能消耗设备，当可编程的直流电子负载与上位机进行通讯，可根据上位机中自动计算的实时PID控制量进行直流电子负载电压值设定，从而改变负载值即发电机的反转矩，能够较为方便地是实现自动控制。可编程的直流电子负载调节精度较高，同时可以较为方便对电压和功率进行监控，对现场PID调试提供一定的参考。

现有的风力机转速测控方法是以单片机作处理器，设计PI控制器或开环查表控制器，用单片机拓展模块实现数据采集。单片机作为廉价的处理器，厂家在设计的时候，没有过多考虑抗干扰性能并难实现状态监控。

本实用新型使用美国NI数据采集卡进行数据采集，在数据采集前，对含有噪音的正弦波信号进行处理，得到方波，以便测量，上位机LabView能够非常方便地用DAQ助手对数据采集卡的数据进行处理而得到转速，并对采集信号进行状态监控，根据转速的动态响应特性对PID参数直接通过Labview前面板进行现场调试和设置。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，其特征在于，包括风力发电机、调理电路、数据采集卡、整流器、上位机以及可编程直流电子负载，所述风力发电机的风轮设置于风洞中，所述可编程直流电子负载通过整流器连接于所述风力发电机的输出端；所述调理电路输入端与所述发电机输出端相连获得分压并输出分压的电压变化信号，所述上位机通过所述数据采集卡获得所述调理电路输出的频率转换成所述风力发电机的实时转速，并与目标转速比较，通过PID控制器计算出控制量调节所述可编程直流电子负载。

2.根据权利要求1所述的用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，其特征在于，所述PID控制器在Labview中实现。

3.根据权利要求2所述的用于风洞试验的风力发电机转速测控系统，其特征在于，所述调理电路包括反向一阶惯性放大电路以及施密特触发器。