垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统技术方案

一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，包括风洞，风洞中设有速度可控的通风机，风洞出口处的风场中设有用于安装垂直轴风轮试件的第一试验台，以及用于安装与垂直轴风轮试件传动连接的发电机试件的第二试验台，用于安装将发电机试件发出的三相电整流调压为直流电的电压控制器试件的第三试验台；所述第一试验台上设有用于测量风速的风速仪，第一试验台与第二试验台之间设有用于测量风轮试件扭矩的扭矩传感器，第二试验台上设有用于测量发电机试件输出电能的三相电参数监测装置；第三试验台上设有用于检测电压控制器试件输出电能的电源管理装置。不仅为风轮、发电机、电压控制器的结构设计和参数优化提供试验验证手段，更可为风能转换系统中的各部件之间的耦合匹配参数确定提供设计依据，同时为垂直轴风力发电的系统性能优化和耦合技术分析提供新的试验方法和手段。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统
本技术属于垂直轴风力发电系统的耦合
，涉及一种垂直轴风力发电系统的多场交叉耦合试验方法和手段。
技术介绍
风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，储量十分丰富，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。近年来，风力发电在世界的能源总量中所占的比例逐渐提高，风电已经成为世界上发展最快、最具发展前景的能源开发方式。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的消耗、减少温室气体排放、保护环境。垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮(申请号200810049517. 4，授权公告号CN 101260864 B)在垂直轴阻力风轮的基础上采用全新的三戟内腔二次风能传递技术为垂直轴风轮风能传递提供了新的设计理念和技术手段。失速可控式永磁风力发电机(申请号200810049516.X，授权公告号CN 101539103 B)设计的与风轮同轴的直接驱动失速可控式永磁风力发电可在较大风速范围内进行工作并具有失速自控功能，可为电力市场提供新的绿色环保能源装置。风力发电机组的电压控制器(申请号200810141502. 0，公开公告号CN101447760)为离网型直驱式垂直轴风力发电机组提供一种结构简单可靠、运行稳定的电压控制方案。一种简捷型垂直轴风力发电机风轮的风洞试验装置(ZL 2010 2 0253480. X)试图为垂直轴风轮设计提供优化的试验性能参数和发电机匹配设计参数。简捷型风洞试验装置结构简单、制造方便、成本低廉，在一定的风速范围内可以模拟风场进行试验探索。而实测结果表明，该装置风力损失系数过大， 不能为垂直轴风轮设计提供有用的极限设计参数；再者，测力计与风轮之间采用皮带连接， 皮带张紧力、皮带与风轮法兰之间的摩擦力以及不同的风力大小直接影响测力计的测试精度，致使无法定量分析和确定垂直轴风轮的特性参数。另外，如何捕获垂直轴风轮的最大风能利用特性？如何根据风轮的输出性能匹配永磁发电机的功能参数？如何使得电压控制器能在优化充电次数、充电电压等参数的基础上最大限度将不稳定的电功率转化给蓄电池并有效地延长电池寿命。就有必要从风力发电系统的全局耦合技术角度出发，对垂直轴风力发电机系统的多场交叉耦合技术、试验方法和手段进行探索追究。将风能转换系统作为研究对象是国际上近年来系统集成分析技术在风能技术应用的热点之一。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，用以现有技术弥补现有技术的空白，用以系统地测试整个风力机组性能，评估设计参数。本技术的方案一种垂直轴风力发电系统的多场耦合试验系统，包括风洞，风洞中设有速度可控的通风机，风洞出口处的风场中设有用于安装垂直轴风轮试件的第一试验台，以及用于安装与垂直轴风轮试件传动连接的发电机试件的第二试验台，用于安装将发电机试件发出的三相电整流调压为直流电的电压控制器试件的第三试验台；所述第一试验台上设有用于测量风速的风速仪，第一试验台与第二试验台之间设有用于测量风轮试件扭矩的扭矩传感器，第二试验台上设有用于测量发电机试件输出电能的三相电参数监测装置；第三试验台上设有用于检测电压控制器试件输出电能的电源管理装置。所述试验系统还包括一个采集数据并进行分析处理的上位机系统，上位机系统中的数据采集单元与所述风速仪、扭矩传感器、三相电参数监测装置、电源管理装置通讯连接。所述扭矩传感器为盘式耦合传感器，其输出通过AD转换模块连接所述数据采集单元。 所述三相电参数监测装置通过所述AD转换模块连接所述数据采集单元。所述电压控制器试件输出连接蓄电池，蓄电池通过逆变器输出连接负载箱。所述风洞为回流式风洞。本技术能够以风能转换系统为对象获得垂直轴风力发电系统中风能一机械能一电能等多场能量交叉耦合转换过程中各元器件的性能参数。风洞装置由交流变频调速器(简称为变频器)通过调节电源频率来控制来流风速的大小，垂直轴风轮试件(专利文件200810049517. 4)将风能转化为机械能，盘式耦合传感器(盘式扭矩信号耦合器)检测风轮试件的输出转速、力矩及功率等性能参数并通过A/D转换模块变换为计算机可读式数字信号，外传子永磁发电机试件(专利文件200810049516. X)为转换机械能至电能的器件，三相综合电参数测试仪检测发电机的输出电流、电压及功率等性能参数并通过A/D转换模块变换为计算机数字信号，通过盘式耦合传感器的检测值和三相综合电参数测试仪的检测值可计算出发电机试件的转换效率特性，电压控制器试件 (专利文件200810141502. 0)将不稳定的发电机输出参数变为蓄电池所需的充电电压和电流，电源管理装置所检测得到的电量参数结合三相综合电参数测试仪的测试值经分析计算便可以掌握电压控制器试件的效率特性，负载装置则是用来释放蓄电池的存储能量，而上位机系统则是以计算机为载体的多场耦合分析的数据采集平台。所述的多场交叉耦合的试验设置变频器的频率值并启动之，与变频器相连的通风机运转在风洞的出口处产生一定风速的风场，设置在风场中的垂直轴风轮试件随之转动将风能转换为机械动能，与风轮同轴固联的外传子永磁发电机试件同时运转实现机械能到电能的传递转换，外传子永磁发电机试件的输出电能经电压控制器试件调整为蓄电池所需的充电能量，蓄电池的存储能量由负载装置释放。所述的多场交叉耦合试验的性能参数有，以掠风面积和风速来衡量的风能大小 Eff,以盘式耦合传感器检测得到的风轮试件转速和风轮力矩来确定的风轮输出功率&，以三相电参数测试仪检测得到的发电机试件的电压和电流来评价的发电机输出功率Ee，以电源管理装置所检测得到的电压控制器试件的电量参数&。所述的风能功率~可根据空气密度P、风轮掠风面积A和风速V来计算，~ = 1 / 2 * P * A * V3 (1)所述的风轮输出功率&可根据盘式耦合传感器所检测得到的风轮扭矩T和风轮转速η来计算，Em = 2 π / 60 * T * η(2)所述的发电机输出功率&可根据盘式耦合传感器所检测得到的发电机单相输出电压U和电流I来计算。当负载为纯电阻负载时，发电机输出功率Ee的计算公式为Eg = 3 * U * I(3)所述的电压控制器的转换能量&可由蓄电池参数测试仪所检测得到的输出电压U和电流I来计算，Ec = U * I(4)所述的多场交叉试验的耦合参数有，垂直轴风轮试件的风能利用率ηΜ，发电机试件的发电效率、以及电压控制器试件的工作效率nc。其计算公式分别如下nM = Em / Eff * 100% (5)nG = Eg / Em * 100%(6)nc = Ec / Eg * 100%(7)由风能利用率曲线(风速一 ηΜ特性曲线)捕获得到的最大风能利用率所对应的风轮输出参数(转速、力矩和功率)既是外传子永磁发电机磁路计算与结构确定的耦合设计参数，由发电机特性曲线(转速一、特性曲线)得到的最大效率所对应的发电机输出参数(电流、电压和功率)就是电压控制器的输入设计参数。所述的多场耦合试验可衡量垂直轴风力发电系统的综合性能，其系统整体的效率计算式为η = nM * nG * nc(8)所述的垂直轴风力发电系统的风能一机械能一电能等多场交叉耦合试验方法，不仅为风轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宗霄，宋磊，张春阳，王隆彪，杨航航，张方舟，徐萧，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：实用新型
国别省市：