盧衛(wèi)萍　岳云峰

[摘要]風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)測(cè)試是驗(yàn)證、提高風(fēng)電機(jī)組性能必不可少的環(huán)節(jié)。本文針對(duì)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能參數(shù)測(cè)試提出了一整套的設(shè)計(jì)思路、研究?jī)?nèi)容、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證與分析，該測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，可靠，不僅可以滿足風(fēng)電專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，同時(shí)還可以為企業(yè)以及教師研發(fā)的新產(chǎn)品提供測(cè)試與驗(yàn)證。

[關(guān)鍵詞]中小型風(fēng)電機(jī)組 性能參數(shù) 測(cè)試平臺(tái)

[中圖分類號(hào)]TK83

引言

近幾年，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展引人注目，繼2010底連續(xù)三年總裝機(jī)容量位居世界第一。在國(guó)家《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，將繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展，促進(jìn)風(fēng)電裝備的壯大升級(jí)，建立完備的風(fēng)電裝備制造體系和不斷提高風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。要提高風(fēng)電設(shè)備的性能，其完整的整機(jī)測(cè)試平臺(tái)必不可少。目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室由于不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境或風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般采用直流電機(jī)或者異步電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬[3-4]，但由于電動(dòng)機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境、控制過(guò)程等本質(zhì)上的區(qū)別，使得其模擬出來(lái)的結(jié)果總存在這一些誤差。

本文根據(jù)建設(shè)省級(jí)新能源實(shí)訓(xùn)基地以及風(fēng)電專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)際需要，課題組研制出一套適合高等院校在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電相關(guān)課程學(xué)習(xí)的風(fēng)力發(fā)電性能參數(shù)測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)，該測(cè)試平臺(tái)還具有良好的科研價(jià)值和社會(huì)服務(wù)功能，為進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)提供了工作平臺(tái)。

一、測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路及研究?jī)?nèi)容

該測(cè)試平臺(tái)的研制主要用于中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主軸轉(zhuǎn)速在不同負(fù)載條件下電壓、電流、頻率、功率等之間的關(guān)系曲線。通過(guò)這些曲線，可以判斷該風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的效能好壞。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制過(guò)程中，主要研制的研究?jī)?nèi)容有：

（1）進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制原理分析；

（2）進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效能研究；

（3）進(jìn)行矢量控制技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用研究；

（4）進(jìn)行測(cè)試平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制裝置的設(shè)計(jì)；

（5）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)功能的研究。

二、測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

該測(cè)試平臺(tái)主要由三相變頻電源、三相變頻調(diào)速電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)頭和測(cè)試控制臺(tái)組成。

三相變頻電源的功能，主要通過(guò)對(duì)電源輸出頻率的調(diào)節(jié)，提供三相變頻調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能量，通過(guò)調(diào)頻調(diào)速達(dá)到模擬風(fēng)場(chǎng)的作用。在設(shè)計(jì)中選用三菱公司生產(chǎn)的FR-A740-11K-CHT型（11kW）變頻電源，如圖1所示。

三相變頻調(diào)速異步電機(jī)使用11kW四極調(diào)速電機(jī)，該電機(jī)具有寬范圍的恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。與所選三相變頻電源具有良好的參數(shù)匹配，配合矢量控制，可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩與高精度轉(zhuǎn)速控制。因此，可以更好地模擬風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)頭可以是各種中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用最常見(jiàn)的10kW機(jī)型，其工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)分別如表1和圖2所示。

測(cè)試控制臺(tái)通過(guò)GDW3001A電參數(shù)測(cè)試儀，可以測(cè)試發(fā)電機(jī)輸出三相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)；通過(guò)轉(zhuǎn)數(shù)儀顯示發(fā)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)數(shù)；通過(guò)電流表和數(shù)字電壓表顯示三相驅(qū)動(dòng)電流和電壓。同時(shí)，該測(cè)試平臺(tái)還具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)功能，利用GDW3001A電參數(shù)測(cè)試儀自帶的串行通訊接口RS232，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，通過(guò)Visual Basic通用的編程軟件進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算機(jī)同屏實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)打印等功能。

三、試驗(yàn)論證與分析

為驗(yàn)證所研制測(cè)試平臺(tái)的可行性和實(shí)用性，在該平臺(tái)上進(jìn)行空載特性試驗(yàn)和負(fù)載運(yùn)行特性試驗(yàn)。

（1）空載特性試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)不接負(fù)載，電樞繞組開(kāi)路，被測(cè)發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行?？蛰d試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)電磁性能的一個(gè)最基本的試驗(yàn)項(xiàng)目[5-11]。其目的主要是檢查發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活情況，有無(wú)異常噪聲和較強(qiáng)的振動(dòng)，通過(guò)測(cè)試求出電機(jī)額定電壓時(shí)的恒定損耗（即鐵芯損耗和機(jī)械損耗），同時(shí)檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)輸出電壓與設(shè)計(jì)值的偏差是否在允許范圍內(nèi)（其絕對(duì)值應(yīng)≤±5%）。

空載恒定損耗測(cè)定時(shí)，被測(cè)電機(jī)在額定電壓、額定電流、額定頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，立即在被測(cè)電機(jī)出線端測(cè)試定子繞線電阻。

空載曲線測(cè)定時(shí)，應(yīng)使發(fā)電機(jī)分別在65%、80%、100%、110%額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行（被測(cè)發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為160r/min，因此即分別在104r/min、128r/min、160r/min、176r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行），發(fā)電機(jī)定子電壓不超過(guò)1.3倍額定電壓。在其過(guò)程中，每點(diǎn)讀取三相電壓、頻率和轉(zhuǎn)速，然后以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，發(fā)電機(jī)的空載電壓（三相平均值）為縱坐標(biāo)，繪制發(fā)電機(jī)空載曲線，如圖3所示。

通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)定發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速110%，發(fā)電機(jī)的定子電壓最大值為280.5V，約為額定電壓240V的1.17倍。

（2）負(fù)載運(yùn)行特性曲線

負(fù)載特性曲線測(cè)定時(shí)，發(fā)電機(jī)分別在65%、80%、100%、125%額定轉(zhuǎn)速下用直流負(fù)載法測(cè)定此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[12-15]。以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪制發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)電機(jī)的功率發(fā)生變化，其負(fù)載特性良好，滿足了其設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)論

本文研制了一套中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)物圖如圖5所示。從該測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行過(guò)程來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果可以充分說(shuō)明方案在總體設(shè)計(jì)上的有效性和合理性，完全滿足了預(yù)期的目標(biāo)。該試驗(yàn)平臺(tái)不僅可以滿足風(fēng)電專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)還可以為企業(yè)以及教師研發(fā)的新產(chǎn)品提供測(cè)試與驗(yàn)證。

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（作者單位：1.南通理工學(xué)院 南通，2.南通大學(xué) 南通，3.江蘇省中小型風(fēng)電研發(fā)中心）