中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)測試平臺的研制

盧衛(wèi)萍　岳云峰

[摘要]風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)測試是驗證、提高風(fēng)電機(jī)組性能必不可少的環(huán)節(jié)。本文針對中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能參數(shù)測試提出了一整套的設(shè)計思路、研究內(nèi)容、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，并經(jīng)過試驗論證與分析，該測試平臺運(yùn)行平穩(wěn)，可靠，不僅可以滿足風(fēng)電專業(yè)相關(guān)課程的實驗教學(xué)的需要，同時還可以為企業(yè)以及教師研發(fā)的新產(chǎn)品提供測試與驗證。

[關(guān)鍵詞]中小型風(fēng)電機(jī)組 性能參數(shù) 測試平臺

[中圖分類號]TK83

引言

近幾年，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展引人注目，繼2010底連續(xù)三年總裝機(jī)容量位居世界第一。在國家《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，將繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電的規(guī)模化發(fā)展，促進(jìn)風(fēng)電裝備的壯大升級，建立完備的風(fēng)電裝備制造體系和不斷提高風(fēng)電的市場競爭力[1-2]。要提高風(fēng)電設(shè)備的性能，其完整的整機(jī)測試平臺必不可少。目前，大多數(shù)實驗室由于不具備風(fēng)場環(huán)境或風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般采用直流電機(jī)或者異步電動機(jī)來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬[3-4]，但由于電動機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境、控制過程等本質(zhì)上的區(qū)別，使得其模擬出來的結(jié)果總存在這一些誤差。

本文根據(jù)建設(shè)省級新能源實訓(xùn)基地以及風(fēng)電專業(yè)人才培養(yǎng)的實際需要，課題組研制出一套適合高等院校在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電相關(guān)課程學(xué)習(xí)的風(fēng)力發(fā)電性能參數(shù)測試平臺。同時，該測試平臺還具有良好的科研價值和社會服務(wù)功能，為進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)提供了工作平臺。

一、測試平臺的設(shè)計思路及研究內(nèi)容

該測試平臺的研制主要用于中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主軸轉(zhuǎn)速在不同負(fù)載條件下電壓、電流、頻率、功率等之間的關(guān)系曲線。通過這些曲線，可以判斷該風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的效能好壞。

在實驗平臺研制過程中，主要研制的研究內(nèi)容有：

（1）進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制原理分析；

（2）進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效能研究；

（3）進(jìn)行矢量控制技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用研究；

（4）進(jìn)行測試平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制裝置的設(shè)計；

（5）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測與存儲功能的研究。

二、測試平臺的結(jié)構(gòu)組成

該測試平臺主要由三相變頻電源、三相變頻調(diào)速電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)頭和測試控制臺組成。

三相變頻電源的功能，主要通過對電源輸出頻率的調(diào)節(jié)，提供三相變頻調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動能量，通過調(diào)頻調(diào)速達(dá)到模擬風(fēng)場的作用。在設(shè)計中選用三菱公司生產(chǎn)的FR-A740-11K-CHT型（11kW）變頻電源，如圖1所示。

三相變頻調(diào)速異步電機(jī)使用11kW四極調(diào)速電機(jī)，該電機(jī)具有寬范圍的恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩脈動。與所選三相變頻電源具有良好的參數(shù)匹配，配合矢量控制，可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩與高精度轉(zhuǎn)速控制。因此，可以更好地模擬風(fēng)場驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)頭可以是各種中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在設(shè)計過程中選用最常見的10kW機(jī)型，其工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)分別如表1和圖2所示。

測試控制臺通過GDW3001A電參數(shù)測試儀，可以測試發(fā)電機(jī)輸出三相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)；通過轉(zhuǎn)數(shù)儀顯示發(fā)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)數(shù)；通過電流表和數(shù)字電壓表顯示三相驅(qū)動電流和電壓。同時，該測試平臺還具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和存儲功能，利用GDW3001A電參數(shù)測試儀自帶的串行通訊接口RS232，與計算機(jī)進(jìn)行連接，通過Visual Basic通用的編程軟件進(jìn)行編程，從而實現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的計算機(jī)同屏實時顯示、數(shù)據(jù)分析、實驗數(shù)據(jù)報表生成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印等功能。

三、試驗論證與分析

為驗證所研制測試平臺的可行性和實用性，在該平臺上進(jìn)行空載特性試驗和負(fù)載運(yùn)行特性試驗。

（1）空載特性試驗

試驗時，發(fā)電機(jī)不接負(fù)載，電樞繞組開路，被測發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行。空載試驗是檢驗發(fā)電機(jī)電磁性能的一個最基本的試驗項目[5-11]。其目的主要是檢查發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活情況，有無異常噪聲和較強(qiáng)的振動，通過測試求出電機(jī)額定電壓時的恒定損耗（即鐵芯損耗和機(jī)械損耗），同時檢驗發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時輸出電壓與設(shè)計值的偏差是否在允許范圍內(nèi)（其絕對值應(yīng)≤±5%）。

空載恒定損耗測定時，被測電機(jī)在額定電壓、額定電流、額定頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，試驗結(jié)束時，立即在被測電機(jī)出線端測試定子繞線電阻。

空載曲線測定時，應(yīng)使發(fā)電機(jī)分別在65%、80%、100%、110%額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行（被測發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為160r/min，因此即分別在104r/min、128r/min、160r/min、176r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行），發(fā)電機(jī)定子電壓不超過1.3倍額定電壓。在其過程中，每點讀取三相電壓、頻率和轉(zhuǎn)速，然后以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，發(fā)電機(jī)的空載電壓（三相平均值）為縱坐標(biāo)，繪制發(fā)電機(jī)空載曲線，如圖3所示。

通過試驗，測定發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速110%，發(fā)電機(jī)的定子電壓最大值為280.5V，約為額定電壓240V的1.17倍。

（2）負(fù)載運(yùn)行特性曲線

負(fù)載特性曲線測定時，發(fā)電機(jī)分別在65%、80%、100%、125%額定轉(zhuǎn)速下用直流負(fù)載法測定此時發(fā)電機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[12-15]。以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪制發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)電機(jī)的功率發(fā)生變化，其負(fù)載特性良好，滿足了其設(shè)計要求。

四、結(jié)論

本文研制了一套中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)測試平臺，實物圖如圖5所示。從該測試平臺的運(yùn)行過程來看，整個系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，試驗結(jié)果可以充分說明方案在總體設(shè)計上的有效性和合理性，完全滿足了預(yù)期的目標(biāo)。該試驗平臺不僅可以滿足風(fēng)電專業(yè)相關(guān)課程的實驗教學(xué)，同時還可以為企業(yè)以及教師研發(fā)的新產(chǎn)品提供測試與驗證。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李春林.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計與計算[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報，2013.3（23）：12-14

[2]劉貽雄.大型風(fēng)力機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)動力學(xué)與穩(wěn)定性分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012

[3]喬明，林飛等.基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬實驗平臺的研究[J].電氣傳動，2009.39（1）：40-43

[4]劉其輝，賀益康等.直流電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬.中國電機(jī)工程學(xué)報，2006.26（7）：134-139

[5]任永峰，李含善.離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電測試與實驗一體化研究[J].太陽能學(xué)報，2007.10（10）：1158-1162

[6]高雪峰，王濤等.離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能測試概述[J].中國農(nóng)機(jī)化，2006.2：：7-81

[7]盧為平、盧衛(wèi)萍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配與調(diào)試[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.6

[8]蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行與設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2002

[9]嚴(yán)干貴，于文杰等.永磁風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實驗平臺的研制[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2009.29（4）：67-71

[10]范源，劉志璋.基于Labview的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2007（1）：31-32

[11]王濤.離網(wǎng)型戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能測試系統(tǒng)的研發(fā)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2005.6

[12]張岳，王鳳翔.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能研究[D].電機(jī)與控制學(xué)報，2009.13（1）：78-82

[13]王鳳翔，張鳳閣.磁場調(diào)制式無刷雙饋交流電機(jī)[M].長春：吉林大學(xué)出版社，2004

[14]謝若初.直接驅(qū)動式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.6

[15]郭雪巖.雙饋發(fā)電機(jī)型式試驗平臺的搭建與試驗論證[J].機(jī)電信息2011（6）：55-56

（作者單位：1.南通理工學(xué)院 南通，2.南通大學(xué) 南通，3.江蘇省中小型風(fēng)電研發(fā)中心）