【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风力发电以及风洞测试，涉及风电机组模型性能曲线的测量，具体涉及一种测量风电机组模型功率曲线和推力曲线的试验装置及方法，解决了在风洞环境中复杂风电机组模型难以直接测量风轮气动转矩的问题，通过引入分段摩擦扭矩模型，提高了测量风轮气动扭矩的准确性。同时，根据该装置还提出了测量和修正风力发电机组模型推力曲线的方法。
技术介绍
1、当前风洞试验是研究风电机组气动及运行特性的有力手段，通过风洞试验，可以模拟风电机组在实际风场中的运行环境，从而对其性能进行全面的评估和分析。而在风洞实验过程中，测量风电机组模型的基本性能曲线对于深刻认识机组特性是至关重要的，其中功率曲线和推力曲线是两个关键的性能指标，它们提供了风电机组在不同工况下的性能表现等重要信息。
2、功率曲线反映了风电机组在不同风速下产生的电力输出，是评估其发电能力的重要依据。通过测量风轮的旋转速度和扭矩，可以绘制功率曲线，从而帮助研究人员了解在不同运行条件下风电机组的发电性能。这一曲线不仅对于风电机组的设计和优化至关重要，也是风电项目经济性评估的关键参数。
3、推力曲线则关注风电机组在不同工况下所受的推力，这也是在实际风场中设计和部署风电机组时至关重要的参数。推力曲线的测量和分析有助于评估风电机组在各种风速下的受力状况，为设计和优化提供基础。此外，推力曲线对于理解风电机组对风场内其他机组的气动影响也具有重要意义。
4、因此，准确测量这些曲线对于确保风电机组安全且高效地运行具有重要意义。然而，尽管风洞试验在风电领域的应用已相当成熟，但当前
5、(一)当前在风洞环境下测量功率曲线的方法主要为测量风轮转矩和风轮转速，进而计算输出功率，测量转矩的难点主要体现在小型风电机组的摩擦转矩相对较大，而当转速转矩传感器位于主轴中间位置时，难以准确测量传感器前后的摩擦转矩。这种情况导致获取完整的转矩分布十分困难，特别是在传感器测量位置前部的摩擦扭矩难以被有效测量。
6、(二)当前在风洞环境下测量推力曲线的传统方法是使用力传感器测量传感器及以上部分所受的总推力，并据此计算推力系数。然而，这种方法会将轮毂、塔筒等部件所受的气动推力也包含在内，而这部分推力并不属于风轮的气动推力，这样会导致推力系数被严重高估，使得推力曲线测量不准确。
7、综上所述，当前在风洞环境下对风电机组模型的性能曲线进行测量，其难点在于缺乏准确测量风电机组模型摩擦转矩的方法，以及准确修正所测推力的方法。这些问题的存在，限制了风电机组设计优化和性能评估的精确度，亟待通过新的测量技术和方法来解决。在此背景下，开发一种新的试验装置及方法，以准确测量风电机组缩比模型的功率曲线和推力曲线，对于全面评估风电机组性能、指导优化设计具有重要意义。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、针对现有风洞环境下测量风电机组模型的功率曲线和推力曲线时，难以准确测量风轮气动扭矩以及力传感器测量推力时易将非气动推力计入而导致推力系数被严重高估等问题，为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本专利技术基于风电机组模型的功率曲线和推力曲线与主轴扭矩分布和风轮所受推力有关，而转速转矩传感器和电机可以分别测量转速转矩传感器处的扭矩和电机处的扭矩，力传感器可以测得包括力传感器本身、塔筒、轮毂和风轮所受到的气动推力，因此本专利技术首先提出了一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，基于该装置提出了一种测量风电机组缩比模型性能曲线的方法，该方法解决了转速转矩传感器不直接连接风轮转子时，难于直接准确测量风轮气动扭矩的困难，特别的，该方法适用于转速转矩传感器安装于风轮和电机之间的任何主轴位置。其次，该方法通过除去力传感器、塔筒和轮毂所受的气动推力，进而计算出准确的风轮所受的气动推力，从而得到准确的ct-λ曲线，解决了在风洞环境下使用力传感器所测推力计算推力系数时，推力系数被严重高估而难以获得准确ct-λ曲线的困难。
3、(二)技术方案
4、本专利技术为实现其专利技术目的、解决其技术问题具体所采取的技术方案为：
5、本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，用于在模拟风场环境下测量风电机组模型的功率曲线和推力曲线，包括风洞、风电机组模型和数据采集控制器，其中：
6、--所述风电机组模型，设置在风洞试验段内并与其尺寸相适配，包括塔架、设置在塔架顶端的机舱和设置在机舱前端的风轮，其中，
7、所述塔架的下端通过三分力传感器固定设置在风洞试验段底面上的基础上，三分力传感器用于测量风电机组模型在风场作用下所受到的推力载荷，
8、所述风轮包括固定设置在主轴上的轮毂、以可拆卸方式设置在轮毂上的风电叶片和固定设置在轮毂前端的整流罩，所述整流罩内设有若干与各风电叶片一一对应并传动连接的变桨电机，用于调整各对应风电叶片的桨矩，
9、所述机舱内设有滑环、转动支撑装置及负载电机，所述主轴穿过所述滑环及转动支撑装置与负载电机传动连接，且所述主轴上设有转速转矩传感器；
10、--所述数据采集控制器，用于控制风电机组模型的运行状态和采集并处理所需数据，包括模型控制模块和数据采集模块，其中，
11、所述模型控制模块与风电机组模型通信连接，用于根据预设的运行工况控制所述风电机组模型的运行状态，包括负载电机驱动器及变桨驱动器，所述负载电机驱动器与负载电机通信连接并发出控制指令，所述变桨驱动器与各变桨电机通信连接并发出控制指令，
12、所述数据采集模块包括转速转矩数据采集卡及力数据采集卡，所述转速转矩数据采集卡与转速转矩传感器通信连接，用于采集所述负载电机的转速、转矩及位置数据，所述力数据采集卡与三分力传感器通信连接，用于采集所述塔架的气动推力载荷数据，所述气动推力载荷数据包括横荡和纵荡两个方向的气动推力fx、fy以及垂荡一个方向上的气动力矩mz。
13、本专利技术的另一个专利技术目的在于提供一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，所述试验方法基于本专利技术的上述试验装置开展风电机组模型性能曲线的测量，其特征在于，所述试验方法在实施时至少包括如下步骤：
14、ss1.建立分段摩擦扭矩模型
15、基于风电机组模型主轴的能量转化路径，将该路径上各环节的转矩分别定义为风轮气动转矩trotor、传感器前部摩擦转矩tf1、传感器测量转矩tsensor、传感器后部摩擦扭矩tf2以及电机输出扭矩tmotor，其中，风轮气动转矩trotor对应风轮捕获能量，传感器前部摩擦转矩tf1对应风轮捕获能量到达转速转矩传感器路径上的摩擦能量损失，传感器测量转矩tsensor对应转速转矩传感器测量得到的转矩，传感器后部摩擦扭矩tf2对应转速转矩传感器到达负载电机路径上的摩擦能量损失，电机输出扭矩tmotor对应负载电机输出的能量，
16、规定风本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，用于在模拟风场环境下测量风电机组模型的功率曲线和推力曲线，包括风洞、风电机组模型和数据采集控制器，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述负载电机为无刷直流电机，采用转速、电流双环控制并通过PID算法实现，速度给定信号与速度反馈信号送给转速调节器，转速调节器的输出作为电流信号的参考值，将其与电流信号的反馈值同步送至电流调节器，电流调节器的输出为电压参考值，与给定载波比较后形成PWM调制波，控制电子开关线路的实际输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述试验装置在拆除将风电叶片情况下，调控负载电机的转速使风轮运行于指定转速并进行数据的同步采集，所采集的数据至少包括负载电机的输出转矩Tmotor、实时转速Ωmotor和当前位置Ψ，转速转矩传感器的转矩Tsensor和转速Ωsensor，以及三分力传感器测量的推力气动载荷数据Fx、Fy、Mz，基于传感器前后部摩擦扭矩分别满足Tf1＝Tsensor、Tf2＝
4.根据权利要求3所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述试验装置在安装风电叶片情况下，控制负载电机的转速使风轮运行于指定转速并进行数据的同步采集，所采集的数据至少包括转速转矩传感器反馈的转速、转矩，负载电机反馈的转速、转矩，以及三分力传感器反馈的推力气动载荷数据，根据所采集的Tsensor、Tmotor以及所确定的Tf1-Ω和Tf2-Ω关系，求出风轮对应转速下所受转矩Trotor，继而求出风轮的功率系数Cp、叶尖速比λ并绘出风电机组模型的Cp-λ曲线，其中：
5.根据权利要求4所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，通过分别计算轮毂、塔架、三分力传感器本体这三部分沿流向的投影面积A1、A2、A3以及这三部分的阻力系数Cd1、Cd2、Cd3，根据计算出这三部分所受的气动推力之和，之后根据Frotor＝Fx-FT-other计算风轮所受气动推力Frotor，进而求出风轮的推力系数最后根据求得推力系数的Ct、叶尖速比λ绘出风电机组模型的Ct-λ曲线。
6.一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，其特征在于，采用上述权利要求1～5任一项所述的试验装置开展风电机组模型性能曲线测量，其特征在于，所述试验方法在实施时至少包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，其特征在于，上述步骤SS1中，根据风轮气动扭矩Trotor和电机输出扭矩Tmotor的方向将风电机组模型在风洞环境中各工况下的扭矩关系划分为四种情况：
8.根据权利要求6所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，其特征在于，上述步骤SS2、SS3中，预设运行参数至少包括不同工况下的风电机组模型转速、试验时长、控制时间步长、采样频率、初始标零，按照预设运行参数启动试验装置直至运行状态稳定。
9.根据权利要求6所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，其特征在于，上述步骤SS3中，通过控制变桨电机以调整各风电叶片的桨矩，使得在不同风速和转速工况下，叶片的迎角保持最佳攻角，从而最大限度提高风轮的气动效率和功率捕获效率。
10.根据权利要求6所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验方法，其特征在于，上述步骤SS4中，按照分别计算轮毂、塔架、三分力传感器本体这三部分的雷诺数Re1、Re2、Re3，其中，ρ为空气密度，l为部件的特征长度，μ为空气的动力粘度，之后根据圆柱体雷诺数与阻力系数的关系曲线获得塔架、三分力传感器本体的阻力系数Cd2、Cd3，根据锥体雷诺数与阻力系数的关系曲线近似获得轮毂的阻力系数Cd1。
...【技术特征摘要】
1.一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，用于在模拟风场环境下测量风电机组模型的功率曲线和推力曲线，包括风洞、风电机组模型和数据采集控制器，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述负载电机为无刷直流电机，采用转速、电流双环控制并通过pid算法实现，速度给定信号与速度反馈信号送给转速调节器，转速调节器的输出作为电流信号的参考值，将其与电流信号的反馈值同步送至电流调节器，电流调节器的输出为电压参考值，与给定载波比较后形成pwm调制波，控制电子开关线路的实际输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述试验装置在拆除将风电叶片情况下，调控负载电机的转速使风轮运行于指定转速并进行数据的同步采集，所采集的数据至少包括负载电机的输出转矩tmotor、实时转速ωmotor和当前位置ψ，转速转矩传感器的转矩tsensor和转速ωsensor，以及三分力传感器测量的推力气动载荷数据fx、fy、mz，基于传感器前后部摩擦扭矩分别满足tf1＝tsensor、tf2＝tsensor+tmotor，通过进行不同转速试验获得传感器前后两部分摩擦扭矩与转速的对应关系tf1-ω、tf2-ω。
4.根据权利要求3所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置，其特征在于，所述试验装置在安装风电叶片情况下，控制负载电机的转速使风轮运行于指定转速并进行数据的同步采集，所采集的数据至少包括转速转矩传感器反馈的转速、转矩，负载电机反馈的转速、转矩，以及三分力传感器反馈的推力气动载荷数据，根据所采集的tsensor、tmotor以及所确定的tf1-ω和tf2-ω关系，求出风轮对应转速下所受转矩trotor，继而求出风轮的功率系数cp、叶尖速比λ并绘出风电机组模型的cp-λ曲线，其中：
5.根据权利要求4所述的一种测量风电机组缩比模型性能曲线的试验装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：武广兴，张攀，张海瑞，罗添校，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。