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)保意識不斷增強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)電累計裝機容量已超過432吉瓦，年新增裝機容量63吉瓦，市場年增長率達到22%[1],。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為全球風(fēng)電最為活躍的場所,，在積極推動大型風(fēng)電基地建設(shè)的同時，對靠近負(fù)荷中心的分散式風(fēng)電和低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè),，給予了進一步的重視,。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組是一種低風(fēng)速風(fēng)電機型，其風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向垂直,，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動方向與風(fēng)向無關(guān),，相比于水平軸風(fēng)力發(fā)電機組具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音低,、安全性好,、易維護等優(yōu)點[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,，以獨立運行風(fēng)電系統(tǒng),、多源互補分布式電源系統(tǒng)，以及能源建筑一體化系統(tǒng)等發(fā)電形式,，獲得了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8-10],。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組屬于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，安裝運行位置特殊,，采用傳統(tǒng)的人工有線測試方式,，存在勞動強度高、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)機組運行的工作原理，結(jié)合國標(biāo)《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組 第2部分：試驗方法部分(GB/T 19068.2-2003)》給出的測試要求,，設(shè)計了一套基于LabVIEW軟件平臺和WiFi無線通信技術(shù)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電綜合智能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，實現(xiàn)機組氣動和電氣性能的自動連續(xù)無線測量，以應(yīng)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組工作性能評估與現(xiàn)場運行參數(shù)測試的實際應(yīng)用需求,。

1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組測試原理

　　1.1 機組測試需求分析

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

圖1  垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組組成

　　如圖1所示，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)速v的帶動下風(fēng)輪以角速度ω旋轉(zhuǎn),，將風(fēng)功率Pa轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)主軸上的機械功率Pm,，發(fā)電機轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)主軸帶動下以轉(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),。

　　實際運行的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，垂直軸風(fēng)力機風(fēng)輪,、發(fā)電機和控制器具有多種形式,，機電連接結(jié)構(gòu)各異，因此,，為了評估發(fā)電系統(tǒng)的整體效能，風(fēng)輪本身的啟動風(fēng)速,、空氣動力特性,、機械輸出特性，以及機組的切入風(fēng)速值,、功率輸出特性和效率等指標(biāo)需要進行具體監(jiān)測和分析評估,。

　　1.2 測試數(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)空氣動力學(xué)原理,，在垂直軸風(fēng)力機風(fēng)輪進風(fēng)方向的風(fēng)功率Pa,，以及能夠被風(fēng)輪捕獲得到的機械功率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，,；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)輪總摩擦損耗和機組電氣損耗基本量的大小,，在機組空載時,，觀測能夠使風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速，記錄為啟動風(fēng)速vs,；在機組連接負(fù)載情況下,，觀測功率變換系統(tǒng)在額定電壓下有功率輸出時的最小風(fēng)速，記錄為切入風(fēng)速vcutin,。

　　1.2.2 風(fēng)輪空氣動力特性

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

　　這兩個函數(shù)是風(fēng)輪葉尖速度比λ分別與其相對力矩系數(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)輪機械輸出特性

　　風(fēng)輪機械輸出特性反映了在各種風(fēng)速v條件下,，風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速n與其旋轉(zhuǎn)主軸機械功率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）計算風(fēng)輪的機械輸出功率Pm和轉(zhuǎn)速n：

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組測試系統(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出現(xiàn)場各類物理量信號，再通過相關(guān)功能電路完成對被監(jiān)測信號的采集,、變送,、分析、計算,、顯示和存儲,，其總體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  測試數(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)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端硬件系統(tǒng),，上位機測試分析平臺則由計算機及LabVIEW軟件編程來實現(xiàn),。

3 數(shù)據(jù)采集前端系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集前端以MSP430微控器為核心設(shè)計，放置于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備現(xiàn)場,，系統(tǒng)將分布式傳感器輸出的各類模擬和數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)理變送,、驅(qū)動整形，變換成由數(shù)據(jù)采集微處理單元臨時存儲的帶格式數(shù)字量信號,，再由無線通信接口,，按要求發(fā)送給上位機數(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,，為了避免長線傳輸?shù)男盘査p,，調(diào)理電路利用定時芯片NE555,，將其高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TR連接起來作為信號輸入端，構(gòu)成施密特觸發(fā)器,，在MSP430微控器數(shù)字接口前端對風(fēng)速傳感器輸出的信號進行整波,，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無線通信模塊USR-WIFI232,，實現(xiàn)與上位機無線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸通信,。該無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模式時可支持多達32個Client連接,，有效通信距離達400 m，技術(shù)指標(biāo)滿足本系統(tǒng)設(shè)計所需,。

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

　　3.2 軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集前端MSP430微控器與上位機采用半雙工通信模式,，上位機設(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)的來回時序關(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 上位機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　4.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用LabVIEW圖形化編程語言進行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā),。系統(tǒng)采用模塊化方式設(shè)計,，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、存儲路徑,、報警上下限等,，保證系統(tǒng)正常運行；實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面對風(fēng)力發(fā)電機組運行過程實時監(jiān)測,，包括風(fēng)速,、轉(zhuǎn)速、扭矩,、電壓,、電流等,，即時地顯示機組的運行狀態(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)庫中的機組運行數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)信息,，并具有查詢相應(yīng)時間區(qū)間信息的功能,；特性曲線界面可將保存的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，獲得相應(yīng)的特性曲線,，給出機組的基本性能參數(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)上位機處于數(shù)據(jù)采集前端WiFi無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時,，通過搜索查找數(shù)據(jù)采集前端無線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,，上位機保持向數(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”事件觸發(fā)后,，上位機則向數(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“接收”事件自動觸發(fā),，程序開始接收數(shù)據(jù)采集前端所傳來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實時顯示和儲存。當(dāng)“停止監(jiān)測”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,，使下位機重新處于休眠狀態(tài)。上位機通信程序流程如圖5所示,。

圖5  上位機通信程序流程

　　4.3 編程實現(xiàn)

　　上位機程序的WiFi無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子程序來實現(xiàn),。

　　對于系統(tǒng)的前面板的設(shè)計，采用Windows多頁面風(fēng)格布局,。將整個程序分成實時數(shù)據(jù),、歷史數(shù)據(jù)、特性曲線和參數(shù)設(shè)置等多個頁面,，方便在前面板進行整合和布局,。最終的前面板設(shè)計顯示效果如圖6所示。

圖6  前面板顯示圖

5 試驗結(jié)果

　　通過吹風(fēng)機給垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組提供風(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,。

時間

圖7  風(fēng)速

時間

圖8  風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

　　在繪制風(fēng)輪空氣動力特性曲線時,，按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19068.2-2003）的試驗方法，使風(fēng)輪空載,、制動,、迎風(fēng),，松開制動，自風(fēng)輪起動到同步轉(zhuǎn)速的全過程,，連續(xù)采樣,，每0.5 s同步測取風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,，試驗時風(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、連接各曲線頂點即是風(fēng)輪機械輸出特性曲線,，如圖10所示。經(jīng)過與風(fēng)輪設(shè)計階段的CFD計算機仿真數(shù)據(jù)對比,，證明了測試曲線的正確性,。

圖9  風(fēng)輪空氣動力特性曲線圖

圖10  風(fēng)輪機械輸出特性曲線

6 結(jié)束語

　　本文分析垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的測試工作原理，依據(jù)國標(biāo)要求,，應(yīng)用LabVIEW和WiFi技術(shù)設(shè)計了機組測試數(shù)據(jù)的無線采集系統(tǒng),，能夠?qū)L(fēng)速、轉(zhuǎn)速,、扭矩,、電壓和電流等運行數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)多節(jié)點多狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集,、顯示及儲存,，不但降低了線路布設(shè)與維護成本，還提高了采集系統(tǒng)的靈活性,、可拓展性和易維護性,。試驗結(jié)果驗證了該測試數(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)電機組的進一步研究和優(yōu)化提供了有效測試技術(shù)手段,。

　　參考文獻

　　[1] Global Wind Energy Council.Global wind report 2015[R].Belgium：Global Wind Energy Council,，2016.3.

　　[2] LI Q G，MAEDA T,，KAMADA Y,，et al.Study on power performance for straight-bladed vertical axis wind turbine by field and wind tunnel test[J].Renewable Energy,，2016，90：291-300.

　　[3] BURLANDO M,，RICCI A,，F(xiàn)REDA A，et al.Numerical and experimental methods to investigate the behavior of verticalaxis wind turbines with stators[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,，2015,，144：125-133.

　　[4] LAM H F，PENG H Y.Study of wake characteristics of a vertical axis wind turbine by two- and three-dimensional computational fluid dynamics simulations[J].Renewable Energy,，2016,，90：386-398.

　　[5] Wang Ying，Sun Xiaojing,，Dong Xiaohua,，et al.Numerical investigation on aerodynamic performance of a novel vertical axis wind turbine with adaptive blades[J].Energy Conversion and Management，2016,，108：275-286.

　　[6] Chen Jian,，Yang Hongxing，Yang Mo,，et al.A comprehensive review of the theoretical approaches for the airfoil design of lift-type vertical axis wind turbine[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,，2015，51：1709-1720.

　　[7] 陳興華,，吳國慶,，曹陽，等.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)研究進展[J].機械設(shè)計與制造,，2011(8)：84-86.

　　[8] Willy Tjiu,，Tjukup Marnoto，Sohif Mat,，et al.Darrieus vertical axis wind turbine for power generation II：Challenges in HAWT and the opportunity of multi-megawatt Darrieus VAWT development[J].Renewable Energy,，2015，75：560-571.

　　[9] ELKHOURY M,，KIWATA T,，AOUN E.Experimental and numerical investigation of a three-dimensional vertical-axis wind turbine with variable-pitch[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2015,，139：111-123.　

　　[10] 楊益飛,，邢紹邦，朱熀秋.小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在中國發(fā)展前景概述[J].微特電機,，2014,，42(12)：87-91.