兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢測(cè)試驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)

王 營(yíng)， 王 斌， 張利強(qiáng)， 文 武， 夏 青

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性問(wèn)題，已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用， 甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中， 控制系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)用戶(hù)提出的功能上的要求， 但直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，往往不是控制系統(tǒng)功能，而是它的可靠性。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和使用者來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的安全可靠性是重中之重。

風(fēng)能具有很強(qiáng)的波動(dòng)性、間歇性特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的研發(fā)調(diào)試受到現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境的制約， 采取拖動(dòng)電機(jī)模擬風(fēng)場(chǎng)并不能夠完全滿(mǎn)足控制系統(tǒng)可靠性測(cè)試需求， 本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)試驗(yàn)風(fēng)洞， 兼顧產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試兩項(xiàng)功能， 能夠盡可能地模擬實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，獲取最真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，減少投資。

1 流場(chǎng)品質(zhì)

1.1 氣流穩(wěn)定性（η）

氣流穩(wěn)定性指氣流的動(dòng)壓q 或速度隨時(shí)間而脈動(dòng)的情況，即：

1.2 速度的均勻性（σV）

速度的均勻性用模型區(qū)各點(diǎn)的氣流速度與氣流平均速度相對(duì)偏差的均方根表示：

1.3 方向均勻性（△α，△β）

方向均勻性指的是試驗(yàn)段內(nèi)沿軸向氣流與地軸之間的夾角：

上下方向△α≤1.0°（俯仰方向）

左右方向△β≤1.0°（偏航方向）

1.4 湍流度（ε）

湍流度定義為三個(gè)方向脈動(dòng)均方根值的平均值：

1.5 軸向靜壓梯度

軸向靜壓梯度是由于洞壁邊界層的形成，有效流動(dòng)截面減小，沿風(fēng)洞軸向壓力不斷降低形成壓力梯度，要求：

1.6 能量比

能量比定義為試驗(yàn)段動(dòng)能流率與動(dòng)力系統(tǒng)輸入功率之比：

其中：ρ—空氣密度；V—試驗(yàn)段風(fēng)速；F—試驗(yàn)段截面積；E—電壓；I—電流。

2 控制率方案

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制功能，制定了仿真測(cè)試控制率方案，如圖1 所示。 首先建立小型風(fēng)洞，模擬自然界風(fēng)況，通過(guò)傳感器將信號(hào)輸送給變送器，然后通過(guò)PI 調(diào)節(jié)，將信號(hào)一方面?zhèn)鹘o變頻器， 從而控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行， 另一方面利用PC 機(jī)進(jìn)行組態(tài)記錄，最終通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示。

圖1 控制率方案Fig.1 Control rate scheme

3 風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)試驗(yàn)工況，分別制作了方筒、圓筒吹風(fēng)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Wind tunnel test system

系統(tǒng)總體構(gòu)成包括風(fēng)管、變頻配電柜、控制柜。 風(fēng)管起到空氣導(dǎo)流及加壓提高風(fēng)速的作用，變頻配電柜用于給7 臺(tái)小風(fēng)機(jī)配電及變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 控制柜用于把從風(fēng)管中采集的信號(hào)經(jīng)PI 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化的電信號(hào)送給變頻器以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及控制變頻配電柜中繼電器的通斷。配電柜結(jié)構(gòu)如圖3 所示，控制柜結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 配電柜結(jié)構(gòu)布局圖Fig.3 Structure layout of distribution cabinet

圖4 控制柜結(jié)構(gòu)布局圖Fig.4 Structural layout of control cabinet

接線端子排左側(cè)接380V 交流電，中間接線端子排下端接7 臺(tái)電機(jī)的指示燈和變頻器指示燈， 上端連接到控制柜，從而在上位機(jī)上顯示出7 臺(tái)風(fēng)機(jī)和變頻器的工作狀態(tài)。 右側(cè)接線端子排下端接2 臺(tái)變頻器的交流接觸器和7臺(tái)風(fēng)機(jī)的帶熱繼保護(hù)的交流接觸器以及變頻器的頻率控制端。 上端接PLC 數(shù)字輸出端以及PLC 模擬輸出端。

變頻器在基頻以下采用恒壓頻比（V/f）控制算法，即磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速。恒壓頻比（V/f）控制僅對(duì)電壓電流的幅值大小和頻率高低進(jìn)行控制， 不對(duì)相位進(jìn)行控制，即標(biāo)量控制。

控制柜的控制過(guò)程為通過(guò)風(fēng)速傳感器采集風(fēng)速信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?～10V 電信號(hào)，傳給PLC 模擬輸入端，經(jīng)過(guò)PID 自整定，輸出0～10V 電壓信號(hào)到變頻器的控制端，轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，從而控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析

圖5 為圓筒吹風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析， 圖6為方管吹風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析。

圖5 圓筒風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析Fig.5 Data and result analysis of cylinder wind tunnel test

圖6 方管風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析Fig.6 Test data and result analysis of square tube wind tunnel

結(jié)論： 風(fēng)機(jī)的理論風(fēng)速是風(fēng)量與風(fēng)機(jī)出口截面積之比，根據(jù)質(zhì)量守恒公式V1S1=V2S2可以計(jì)算出風(fēng)洞的出口風(fēng)速。 風(fēng)速的大量損失是由于縮口的制作數(shù)據(jù)不理想及風(fēng)機(jī)并聯(lián)效率低的原因所造成。

結(jié)論分析： 電機(jī)在超過(guò)50Hz 之后屬于恒功率運(yùn)行，頻率增加，理論上轉(zhuǎn)速也應(yīng)增加，但是此時(shí)電機(jī)功率不變，因此轉(zhuǎn)矩下降，同時(shí)，對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載，轉(zhuǎn)速越高，負(fù)載越重，相當(dāng)于阻力越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在到達(dá)極限后增幅將會(huì)逐漸減小。 當(dāng)達(dá)到60Hz 以上時(shí)， 電機(jī)的力矩已經(jīng)不能滿(mǎn)足負(fù)載的要求，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)速成下降趨勢(shì)。

變頻器顯示的輸出頻率是電機(jī)定子頻率，與轉(zhuǎn)子速度是存在轉(zhuǎn)差。 因此，當(dāng)變頻器的輸出頻率不變時(shí)，電機(jī)的定子頻率也不變。試驗(yàn)所選用的變頻器沒(méi)有使用自動(dòng)限流功能， 變頻器的輸出頻率恒定，轉(zhuǎn)子速度因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的降低而自動(dòng)下降。 因此，采用調(diào)高頻率來(lái)提高風(fēng)速的方法并不可行。

4 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)方案可以得出以下結(jié)論：

整流格柵的網(wǎng)格還需加密，而且要制作三層格柵及整流網(wǎng)。

縮口造成了風(fēng)速的大量損失，風(fēng)洞縮口應(yīng)根據(jù)維新斯基曲線來(lái)設(shè)計(jì)，以降低風(fēng)的湍流度，把風(fēng)阻減小到最小，提高風(fēng)速。

由于邊界層效應(yīng)， 隨著空氣的流動(dòng)，邊界層會(huì)逐漸加厚，因此，在試驗(yàn)段風(fēng)洞要有一定小角度的仰角。

采用吸氣式單臺(tái)風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)多個(gè)風(fēng)機(jī)槳葉。