一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法

本發明屬于風力發電以及風洞測試，涉及風電機組模型性能曲線的測量，具體涉及一種測量風電機組模型功率曲線和推力曲線的試驗裝置及方法，解決了在風洞環境中復雜風電機組模型難以直接測量風輪氣動轉矩的問題，通過引入分段摩擦扭矩模型，提高了測量風輪氣動扭矩的準確性。同時，根據該裝置還提出了測量和修正風力發電機組模型推力曲線的方法。

背景技術：

1、當前風洞試驗是研究風電機組氣動及運行特性的有力手段，通過風洞試驗，可以模擬風電機組在實際風場中的運行環境，從而對其性能進行全面的評估和分析。而在風洞實驗過程中，測量風電機組模型的基本性能曲線對于深刻認識機組特性是至關重要的，其中功率曲線和推力曲線是兩個關鍵的性能指標，它們提供了風電機組在不同工況下的性能表現等重要信息。

2、功率曲線反映了風電機組在不同風速下產生的電力輸出，是評估其發電能力的重要依據。通過測量風輪的旋轉速度和扭矩，可以繪制功率曲線，從而幫助研究人員了解在不同運行條件下風電機組的發電性能。這一曲線不僅對于風電機組的設計和優化至關重要，也是風電項目經濟性評估的關鍵參數。

3、推力曲線則關注風電機組在不同工況下所受的推力，這也是在實際風場中設計和部署風電機組時至關重要的參數。推力曲線的測量和分析有助于評估風電機組在各種風速下的受力狀況，為設計和優化提供基礎。此外，推力曲線對于理解風電機組對風場內其他機組的氣動影響也具有重要意義。

4、因此，準確測量這些曲線對于確保風電機組安全且高效地運行具有重要意義。然而，盡管風洞試驗在風電領域的應用已相當成熟，但當前在風洞環境下，對于如何準確測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線的問題并沒有得到很好地解決，主要有以下兩方面原因：

5、(一)當前在風洞環境下測量功率曲線的方法主要為測量風輪轉矩和風輪轉速，進而計算輸出功率，測量轉矩的難點主要體現在小型風電機組的摩擦轉矩相對較大，而當轉速轉矩傳感器位于主軸中間位置時，難以準確測量傳感器前后的摩擦轉矩。這種情況導致獲取完整的轉矩分布十分困難，特別是在傳感器測量位置前部的摩擦扭矩難以被有效測量。

6、(二)當前在風洞環境下測量推力曲線的傳統方法是使用力傳感器測量傳感器及以上部分所受的總推力，并據此計算推力系數。然而，這種方法會將輪轂、塔筒等部件所受的氣動推力也包含在內，而這部分推力并不屬于風輪的氣動推力，這樣會導致推力系數被嚴重高估，使得推力曲線測量不準確。

7、綜上所述，當前在風洞環境下對風電機組模型的性能曲線進行測量，其難點在于缺乏準確測量風電機組模型摩擦轉矩的方法，以及準確修正所測推力的方法。這些問題的存在，限制了風電機組設計優化和性能評估的精確度，亟待通過新的測量技術和方法來解決。在此背景下，開發一種新的試驗裝置及方法，以準確測量風電機組縮比模型的功率曲線和推力曲線，對于全面評估風電機組性能、指導優化設計具有重要意義。

技術實現思路

1、(一)發明目的

2、針對現有風洞環境下測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線時，難以準確測量風輪氣動扭矩以及力傳感器測量推力時易將非氣動推力計入而導致推力系數被嚴重高估等問題，為解決現有技術中的上述以及其他方面的至少一種技術問題，本發明基于風電機組模型的功率曲線和推力曲線與主軸扭矩分布和風輪所受推力有關，而轉速轉矩傳感器和電機可以分別測量轉速轉矩傳感器處的扭矩和電機處的扭矩，力傳感器可以測得包括力傳感器本身、塔筒、輪轂和風輪所受到的氣動推力，因此本發明首先提出了一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置，基于該裝置提出了一種測量風電機組縮比模型性能曲線的方法，該方法解決了轉速轉矩傳感器不直接連接風輪轉子時，難于直接準確測量風輪氣動扭矩的困難，特別的，該方法適用于轉速轉矩傳感器安裝于風輪和電機之間的任何主軸位置。其次，該方法通過除去力傳感器、塔筒和輪轂所受的氣動推力，進而計算出準確的風輪所受的氣動推力，從而得到準確的ct-λ曲線，解決了在風洞環境下使用力傳感器所測推力計算推力系數時，推力系數被嚴重高估而難以獲得準確ct-λ曲線的困難。

3、(二)技術方案

4、本發明為實現其發明目的、解決其技術問題具體所采取的技術方案為：

5、本發明的第1個發明目的在于提供一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置，用于在模擬風場環境下測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線，包括風洞、風電機組模型和數據采集控制器，其中：

6、--所述風電機組模型，設置在風洞試驗段內并與其尺寸相適配，包括塔架、設置在塔架頂端的機艙和設置在機艙前端的風輪，其中，

7、所述塔架的下端通過三分力傳感器固定設置在風洞試驗段底面上的基礎上，三分力傳感器用于測量風電機組模型在風場作用下所受到的推力載荷，

8、所述風輪包括固定設置在主軸上的輪轂、以可拆卸方式設置在輪轂上的風電葉片和固定設置在輪轂前端的整流罩，所述整流罩內設有若干與各風電葉片一一對應并傳動連接的變槳電機，用于調整各對應風電葉片的槳矩，

9、所述機艙內設有滑環、轉動支撐裝置及負載電機，所述主軸穿過所述滑環及轉動支撐裝置與負載電機傳動連接，且所述主軸上設有轉速轉矩傳感器；

10、--所述數據采集控制器，用于控制風電機組模型的運行狀態和采集并處理所需數據，包括模型控制模塊和數據采集模塊，其中，

11、所述模型控制模塊與風電機組模型通信連接，用于根據預設的運行工況控制所述風電機組模型的運行狀態，包括負載電機驅動器及變槳驅動器，所述負載電機驅動器與負載電機通信連接并發出控制指令，所述變槳驅動器與各變槳電機通信連接并發出控制指令，

12、所述數據采集模塊包括轉速轉矩數據采集卡及力數據采集卡，所述轉速轉矩數據采集卡與轉速轉矩傳感器通信連接，用于采集所述負載電機的轉速、轉矩及位置數據，所述力數據采集卡與三分力傳感器通信連接，用于采集所述塔架的氣動推力載荷數據，所述氣動推力載荷數據包括橫蕩和縱蕩兩個方向的氣動推力fx、fy以及垂蕩一個方向上的氣動力矩mz。

13、本發明的另一個發明目的在于提供一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗方法，所述試驗方法基于本發明的上述試驗裝置開展風電機組模型性能曲線的測量，其特征在于，所述試驗方法在實施時至少包括如下步驟：

14、ss1.建立分段摩擦扭矩模型

15、基于風電機組模型主軸的能量轉化路徑，將該路徑上各環節的轉矩分別定義為風輪氣動轉矩trotor、傳感器前部摩擦轉矩tf1、傳感器測量轉矩tsensor、傳感器后部摩擦扭矩tf2以及電機輸出扭矩tmotor，其中，風輪氣動轉矩trotor對應風輪捕獲能量，傳感器前部摩擦轉矩tf1對應風輪捕獲能量到達轉速轉矩傳感器路徑上的摩擦能量損失，傳感器測量轉矩tsensor對應轉速轉矩傳感器測量得到的轉矩，傳感器后部摩擦扭矩tf2對應轉速轉矩傳感器到達負載電機路徑上的摩擦能量損失，電機輸出扭矩tmotor對應負載電機輸出的能量，

16、規定風電機組模型正常工作下的風輪旋轉方向為扭矩正方向，反方向為扭矩負方向，則傳感器前部摩擦扭矩tf1和后部摩擦扭矩tf2均為負扭矩，各扭矩間滿足tsensor＝trotor+tf1＝-(tmotor+tf2)、trotor+tf1+tf2+tmotor＝0的關系；

17、ss2.分段摩擦扭矩的測量

18、拆除風電葉片，按照預設運行參數啟動試驗裝置直至運行狀態穩定；

19、調控負載電機的轉速使風輪運行于指定轉速并進行數據的同步采集，所采集的數據至少包括負載電機的輸出轉矩、實時轉速和當前位置，轉速轉矩傳感器的轉矩和轉速，以及三分力傳感器測量的推力氣動載荷數據；

20、基于傳感器前部摩擦扭矩滿足tf1＝tsensor，傳感器后部摩擦扭矩滿足tf2＝tsensor+tmotor，通過進行不同轉速試驗獲得傳感器前后兩部分摩擦扭矩與轉速ω的對應關系tf1-ω、tf2-ω；

21、ss3.cp-λ曲線的測量

22、安裝風電葉片，按照預設運行參數重啟試驗裝置直至運行狀態穩定；

23、控制負載電機的轉速使風輪運行于指定轉速并進行數據的同步采集，所采集的數據至少包括轉速轉矩傳感器反饋的轉速、轉矩，負載電機反饋的轉速、轉矩，以及三分力傳感器反饋的推力氣動載荷數據；

24、根據所采集的tsensor、tmotor以及所確定的tf1-ω和tf2-ω關系，求出風輪對應轉速下所受轉矩trotor，基于求出風輪的功率系數cp、葉尖速比λ并繪出風電機組模型的cp-λ曲線，其中，ω為風輪的轉速，r為風輪的半徑，ρ為空氣密度，v為來流風速，a為風輪掃掠面積；

25、ss4.ct-λ曲線的測量和修正

26、計算輪轂、塔架、三分力傳感器本體這三部分沿流向的投影面積a1、a2、a3以及阻力系數cd1、cd2、cd3，根據計算出這三部分所受的氣動推力之和，之后根據frotor＝fx-ft-other計算風輪所受氣動推力frotor，進而求出風輪的推力系數根據求得推力系數的ct、葉尖速比λ繪出風電機組模型的ct-λ曲線。

27、(三)技術效果

28、同現有技術相比，本發明提出的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法具有顯著的技術效果：

29、(1)本發明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，適用于轉速轉矩傳感器安裝于主軸任何位置的情況，有效解決了傳統方法中轉矩傳感器必須直接與風輪轉子連接的限制。這種靈活的安裝方式允許在不同位置對摩擦扭矩進行精確測量，從而可準確地計算出風輪的氣動扭矩。此外，通過拆除風電葉片，即可測算出轉速轉矩傳感器前后的摩擦扭矩，從而可有效分離系統內的摩擦扭矩，計算出準確的風輪氣動扭矩，為功率曲線的準確測量提供了一種新穎且有效的試驗手段。

30、(2)本發明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，通過計算出力傳感器、塔筒和輪轂所受的氣動推力，并將其從力傳感器測得的總推力中進行剝離，從而對力傳感器測得的推力進行修正，獲得準確的風輪所受氣動推力，為準確繪制推力曲線提供了一種有效的修正方法，為風電機組的設計和性能評估提供了更為準確的數據支持。

31、(3)本發明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，有效解決了轉速轉矩傳感器不直接連接風輪轉子、推力測量存在誤差等技術難題，克服了現有技術的缺陷，能夠實現風電機組模型功率曲線和推力曲線的精確測量，具有顯著的技術效果和應用價值。