0 引言

　　全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在目前一次能源供應(yīng)日趨緊張,，以及人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)的大背景下得到了持續(xù)快速的發(fā)展，截至2015年底,，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已超過432吉瓦,，年新增裝機(jī)容量63吉瓦，市場(chǎng)年增長(zhǎng)率達(dá)到22%[1],。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為全球風(fēng)電最為活躍的場(chǎng)所,，在積極推動(dòng)大型風(fēng)電基地建設(shè)的同時(shí)，對(duì)靠近負(fù)荷中心的分散式風(fēng)電和低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè),，給予了進(jìn)一步的重視,。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)型，其風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向垂直,，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與風(fēng)向無(wú)關(guān),，相比于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低,、安全性好,、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2-7]，目前逐漸在分散式風(fēng)電和低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中,，以獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng),、多源互補(bǔ)分布式電源系統(tǒng),，以及能源建筑一體化系統(tǒng)等發(fā)電形式，獲得了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8-10],。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,，安裝運(yùn)行位置特殊，采用傳統(tǒng)的人工有線測(cè)試方式,，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高,、數(shù)據(jù)精度分散性大、布線復(fù)雜,、成本高,、安全性差等不足。為此,，本文依據(jù)機(jī)組運(yùn)行的工作原理,，結(jié)合國(guó)標(biāo)《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第2部分：試驗(yàn)方法部分(GB/T 19068.2-2003)》給出的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW軟件平臺(tái)和WiFi無(wú)線通信技術(shù)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電綜合智能測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)機(jī)組氣動(dòng)和電氣性能的自動(dòng)連續(xù)無(wú)線測(cè)量,，以應(yīng)對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作性能評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用需求。

1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試原理

　　1.1 機(jī)組測(cè)試需求分析

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一般組成結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

圖1  垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成

　　如圖1所示,，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速v的帶動(dòng)下風(fēng)輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)功率Pa轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)主軸上的機(jī)械功率Pm,，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn),，并在風(fēng)力發(fā)電控制器及功率變換系統(tǒng)的控制下，將機(jī)械功率Pm轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β蔖e,，最后經(jīng)過電力配電接口輸送給用戶負(fù)載使用或并入電力系統(tǒng),。

　　實(shí)際運(yùn)行的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪,、發(fā)電機(jī)和控制器具有多種形式,，機(jī)電連接結(jié)構(gòu)各異，因此,，為了評(píng)估發(fā)電系統(tǒng)的整體效能,，風(fēng)輪本身的啟動(dòng)風(fēng)速、空氣動(dòng)力特性,、機(jī)械輸出特性,，以及機(jī)組的切入風(fēng)速值、功率輸出特性和效率等指標(biāo)需要進(jìn)行具體監(jiān)測(cè)和分析評(píng)估,。

　　1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)采集原理

　　1.2.1 風(fēng)功率方程與基本風(fēng)速

　　風(fēng)速是決定風(fēng)功率大小的重要因素,，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，在垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)風(fēng)方向的風(fēng)功率Pa,，以及能夠被風(fēng)輪捕獲得到的機(jī)械功率Pm分別表示為：

　　式中：v為風(fēng)速,；為空氣密度,，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、15 ℃條件時(shí),，,；R和H分別為垂直軸風(fēng)輪半徑和高度；Cp為風(fēng)能利用率系數(shù),。

　　為了反映風(fēng)輪總摩擦損耗和機(jī)組電氣損耗基本量的大小,，在機(jī)組空載時(shí)，觀測(cè)能夠使風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速,，記錄為啟動(dòng)風(fēng)速vs,；在機(jī)組連接負(fù)載情況下，觀測(cè)功率變換系統(tǒng)在額定電壓下有功率輸出時(shí)的最小風(fēng)速,，記錄為切入風(fēng)速vcutin,。

　　1.2.2 風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性

　　空氣動(dòng)力特性反映了風(fēng)輪本身吸收風(fēng)功率Pa強(qiáng)弱的能力，由函數(shù)f(λ,，Cm)和f(λ,，Cp)表示。

　　這兩個(gè)函數(shù)是風(fēng)輪葉尖速度比λ分別與其相對(duì)力矩系數(shù)Cm和風(fēng)能利用率系數(shù)Cp之間的關(guān)系曲線,，由基本原理可知：

　　式中：ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度,，n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Tm為風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸扭矩,，Tm=Pa/ω(Nm),。

　　為此，根據(jù)式(3)~式(6),，該特性曲線需要采集的狀態(tài)量包括風(fēng)速、大氣密度,、風(fēng)輪角速度,、風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸扭矩等。

　　1.2.3 風(fēng)輪機(jī)械輸出特性

　　風(fēng)輪機(jī)械輸出特性反映了在各種風(fēng)速v條件下,，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速n與其旋轉(zhuǎn)主軸機(jī)械功率Pm的關(guān)系,，由函數(shù)f(n，Pm)表示,。

　　該函數(shù)是一組曲線簇,，可利用f(λ，Cm)特性曲線,，取風(fēng)速v在切入風(fēng)速vcutin至額定風(fēng)速vrated區(qū)間內(nèi),，λ在其最優(yōu)值λopt附近條件下，按照式（2）和式（7）計(jì)算風(fēng)輪的機(jī)械輸出功率Pm和轉(zhuǎn)速n：

2 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)通過氣溫,、氣壓,、風(fēng)速,、扭矩、頻率,、電壓和電流等分布式傳感器檢測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)各類物理量信號(hào),，再通過相關(guān)功能電路完成對(duì)被監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集、變送,、分析,、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ),，其總體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

圖2  測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖2中，分布式傳感器,、信號(hào)調(diào)理電路,、數(shù)據(jù)采集微處理單元與WiFi通信模塊構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端硬件系統(tǒng)，上位機(jī)測(cè)試分析平臺(tái)則由計(jì)算機(jī)及LabVIEW軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn),。

3 數(shù)據(jù)采集前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集前端以MSP430微控器為核心設(shè)計(jì),，放置于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)將分布式傳感器輸出的各類模擬和數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)理變送,、驅(qū)動(dòng)整形,，變換成由數(shù)據(jù)采集微處理單元臨時(shí)存儲(chǔ)的帶格式數(shù)字量信號(hào)，再由無(wú)線通信接口,，按要求發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),。

　　風(fēng)速傳感器的輸出是與風(fēng)速v大小成比例的TTL頻率信號(hào)，為了避免長(zhǎng)線傳輸?shù)男盘?hào)衰減,，調(diào)理電路利用定時(shí)芯片NE555,，將其高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TR連接起來(lái)作為信號(hào)輸入端，構(gòu)成施密特觸發(fā)器,，在MSP430微控器數(shù)字接口前端對(duì)風(fēng)速傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行整波,，風(fēng)速傳感器調(diào)理電路如圖3所示。

　　數(shù)據(jù)采集前端采用UART轉(zhuǎn)WiFi無(wú)線通信模塊USR-WIFI232,，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)無(wú)線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸通信,。該無(wú)線通信模塊最高波特率450 kb/s，可選TCP Server/TCP Client/UDP Server/UDP Client工作模式,，TCP Server模式時(shí)可支持多達(dá)32個(gè)Client連接,，有效通信距離達(dá)400 m，技術(shù)指標(biāo)滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需,。

　　在本文中,，MSP430微處理器的UART串口連接到該無(wú)線模塊，無(wú)線模塊設(shè)置為透明傳輸模式,，使用IE瀏覽器Web方式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信,。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集前端MSP430微控器與上位機(jī)采用半雙工通信模式，上位機(jī)設(shè)定為通信主站,，數(shù)據(jù)采集前端設(shè)定為通信從站,，收與發(fā)的來(lái)回時(shí)序關(guān)系嚴(yán)密，因此,，MSP430軟件需嚴(yán)格按照通信協(xié)議編寫,。通信協(xié)議中定義2類通信幀：信令幀（命令數(shù)據(jù)的發(fā)送格式）、數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送格式）,。

4 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā),。系統(tǒng)采用模塊化方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示,。其中參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置相應(yīng)通信接口,、網(wǎng)絡(luò)配置、采樣周期,、存儲(chǔ)路徑,、報(bào)警上下限等，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，包括風(fēng)速、轉(zhuǎn)速,、扭矩,、電壓、電流等,，即時(shí)地顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)曲線,；歷史數(shù)據(jù)查詢界面能夠查看保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)信息，并具有查詢相應(yīng)時(shí)間區(qū)間信息的功能,；特性曲線界面可將保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理,，獲得相應(yīng)的特性曲線，給出機(jī)組的基本性能參數(shù),。

圖4  系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 主程序流程

　　軟件系統(tǒng)采用“事件觸發(fā)”的方式編寫。當(dāng)上位機(jī)處于數(shù)據(jù)采集前端WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時(shí),，通過搜索查找數(shù)據(jù)采集前端無(wú)線IP地址10.10.100.255并與之建立連接,，如果WiFi網(wǎng)絡(luò)連接成功，則返回“網(wǎng)絡(luò)連接成功”消息,。此時(shí),，上位機(jī)保持向數(shù)據(jù)采集前端發(fā)送關(guān)斷指令，使數(shù)據(jù)采集前端依然處于低功耗休眠狀態(tài),。當(dāng)“開始監(jiān)測(cè)”事件觸發(fā)后,，上位機(jī)則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送打開指令,，直到收到數(shù)據(jù)采集前端的激活確認(rèn)符為止，此時(shí)“接收”事件自動(dòng)觸發(fā),，程序開始接收數(shù)據(jù)采集前端所傳來(lái)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存,。當(dāng)“停止監(jiān)測(cè)”事件觸發(fā)后，程序則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送關(guān)斷指令,，使下位機(jī)重新處于休眠狀態(tài),。上位機(jī)通信程序流程如圖5所示。

圖5  上位機(jī)通信程序流程

　　4.3 編程實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)程序的WiFi無(wú)線通信功能主要通過LabVIEW軟件開發(fā)系統(tǒng)中自帶的TCP函數(shù)和VI子程序來(lái)實(shí)現(xiàn),。

　　對(duì)于系統(tǒng)的前面板的設(shè)計(jì),，采用Windows多頁(yè)面風(fēng)格布局。將整個(gè)程序分成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),、歷史數(shù)據(jù),、特性曲線和參數(shù)設(shè)置等多個(gè)頁(yè)面，方便在前面板進(jìn)行整合和布局,。最終的前面板設(shè)計(jì)顯示效果如圖6所示,。

圖6  前面板顯示圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

　　通過吹風(fēng)機(jī)給垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供風(fēng)速，在風(fēng)速v由7.5 m/s～5 m/s變化條件下,，測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集獲得的風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7,、圖8所示。

時(shí)間

圖7  風(fēng)速

時(shí)間

圖8  風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

　　在繪制風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線時(shí),，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19068.2-2003）的試驗(yàn)方法,，使風(fēng)輪空載、制動(dòng),、迎風(fēng),，松開制動(dòng)，自風(fēng)輪起動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速的全過程,，連續(xù)采樣,，每0.5 s同步測(cè)取風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速變化幅值應(yīng)小于0.5 m/s,，保存數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到的特性曲線如圖9所示,。利用繪制的風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線,，分別取風(fēng)速v在5 m/s、10 m/s,、15 m/s條件,，在每種風(fēng)速下改變負(fù)載功率，使得λ變化范圍在0～3.4區(qū)間，保存數(shù)據(jù),、繪制曲線簇,、連接各曲線頂點(diǎn)即是風(fēng)輪機(jī)械輸出特性曲線，如圖10所示,。經(jīng)過與風(fēng)輪設(shè)計(jì)階段的CFD計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,，證明了測(cè)試曲線的正確性。

圖9  風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線圖

圖10  風(fēng)輪機(jī)械輸出特性曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文分析垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測(cè)試工作原理,，依據(jù)國(guó)標(biāo)要求,，應(yīng)用LabVIEW和WiFi技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)線采集系統(tǒng)，能夠?qū)L(fēng)速,、轉(zhuǎn)速,、扭矩、電壓和電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)多狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,、顯示及儲(chǔ)存，不但降低了線路布設(shè)與維護(hù)成本,，還提高了采集系統(tǒng)的靈活性,、可拓展性和易維護(hù)性。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正確有效性,。系統(tǒng)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的進(jìn)一步研究和優(yōu)化提供了有效測(cè)試技術(shù)手段,。

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