兆瓦級風力發電機組檢測試驗風洞設計

王 營， 王 斌， 張利強， 文 武， 夏 青

（1.中機生產力促進中心， 北京 100044； 2. 北京機械工業自動化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

風力發電機組控制系統工作的安全可靠性問題，已經成為風力發電系統能否發揮作用， 甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發電機組控制與檢測系統中， 控制系統比較容易實現用戶提出的功能上的要求， 但直接影響風力發電機組的運行效率，往往不是控制系統功能，而是它的可靠性。對于風力發電機組控制系統的設計者和使用者來說，系統的安全可靠性是重中之重。

風能具有很強的波動性、間歇性特點，控制系統的研發調試受到現場氣候環境的制約， 采取拖動電機模擬風場并不能夠完全滿足控制系統可靠性測試需求， 本文設計開發風電機組檢測試驗風洞， 兼顧產品研發和產品測試兩項功能， 能夠盡可能地模擬實際風電機組的運行狀況，獲取最真實的試驗數據，減少投資。

1 流場品質

1.1 氣流穩定性（η）

氣流穩定性指氣流的動壓q 或速度隨時間而脈動的情況，即：

1.2 速度的均勻性（σV）

速度的均勻性用模型區各點的氣流速度與氣流平均速度相對偏差的均方根表示：

1.3 方向均勻性（△α，△β）

方向均勻性指的是試驗段內沿軸向氣流與地軸之間的夾角：

上下方向△α≤1.0°（俯仰方向）

左右方向△β≤1.0°（偏航方向）

1.4 湍流度（ε）

湍流度定義為三個方向脈動均方根值的平均值：

1.5 軸向靜壓梯度

軸向靜壓梯度是由于洞壁邊界層的形成，有效流動截面減小，沿風洞軸向壓力不斷降低形成壓力梯度，要求：

1.6 能量比

能量比定義為試驗段動能流率與動力系統輸入功率之比：

其中：ρ—空氣密度；V—試驗段風速；F—試驗段截面積；E—電壓；I—電流。

2 控制率方案

為實現機組控制功能，制定了仿真測試控制率方案，如圖1 所示。 首先建立小型風洞，模擬自然界風況，通過傳感器將信號輸送給變送器，然后通過PI 調節，將信號一方面傳給變頻器， 從而控制風機運行， 另一方面利用PC 機進行組態記錄，最終通過上位機進行顯示。

圖1 控制率方案Fig.1 Control rate scheme

3 風洞試驗測試

3.1 測試系統構成

根據試驗工況，分別制作了方筒、圓筒吹風試驗平臺進行試驗驗證。 試驗測試系統如圖2 所示。

圖2 風洞試驗測試系統Fig.2 Wind tunnel test system

系統總體構成包括風管、變頻配電柜、控制柜。 風管起到空氣導流及加壓提高風速的作用，變頻配電柜用于給7 臺小風機配電及變頻調節風機的轉速， 控制柜用于把從風管中采集的信號經PI 調節轉化的電信號送給變頻器以調節風機轉速以及控制變頻配電柜中繼電器的通斷。配電柜結構如圖3 所示，控制柜結構如圖4 所示。

圖3 配電柜結構布局圖Fig.3 Structure layout of distribution cabinet

圖4 控制柜結構布局圖Fig.4 Structural layout of control cabinet

接線端子排左側接380V 交流電，中間接線端子排下端接7 臺電機的指示燈和變頻器指示燈， 上端連接到控制柜，從而在上位機上顯示出7 臺風機和變頻器的工作狀態。 右側接線端子排下端接2 臺變頻器的交流接觸器和7臺風機的帶熱繼保護的交流接觸器以及變頻器的頻率控制端。 上端接PLC 數字輸出端以及PLC 模擬輸出端。

變頻器在基頻以下采用恒壓頻比（V/f）控制算法，即磁通恒定時轉矩也恒定，屬于恒轉矩調速。 在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，屬于恒功率調速。恒壓頻比（V/f）控制僅對電壓電流的幅值大小和頻率高低進行控制， 不對相位進行控制，即標量控制。

控制柜的控制過程為通過風速傳感器采集風速信號，將其轉變為0～10V 電信號，傳給PLC 模擬輸入端，經過PID 自整定，輸出0～10V 電壓信號到變頻器的控制端，轉變成頻率信號，從而控制風機的風速。

3.2 試驗數據以及結果分析

圖5 為圓筒吹風測試試驗數據以及結果分析， 圖6為方管吹風測試試驗數據以及結果分析。

圖5 圓筒風洞測試試驗數據及結果分析Fig.5 Data and result analysis of cylinder wind tunnel test

圖6 方管風洞測試試驗數據及結果分析Fig.6 Test data and result analysis of square tube wind tunnel

結論： 風機的理論風速是風量與風機出口截面積之比，根據質量守恒公式V1S1=V2S2可以計算出風洞的出口風速。 風速的大量損失是由于縮口的制作數據不理想及風機并聯效率低的原因所造成。

結論分析： 電機在超過50Hz 之后屬于恒功率運行，頻率增加，理論上轉速也應增加，但是此時電機功率不變，因此轉矩下降，同時，對于風機水泵類負載，轉速越高，負載越重，相當于阻力越大，電機的轉速在到達極限后增幅將會逐漸減小。 當達到60Hz 以上時， 電機的力矩已經不能滿足負載的要求，電機的轉速降低，風速成下降趨勢。

變頻器顯示的輸出頻率是電機定子頻率，與轉子速度是存在轉差。 因此，當變頻器的輸出頻率不變時，電機的定子頻率也不變。試驗所選用的變頻器沒有使用自動限流功能， 變頻器的輸出頻率恒定，轉子速度因為轉矩的降低而自動下降。 因此，采用調高頻率來提高風速的方法并不可行。

4 結論

通過上述試驗測試，對于風洞總體設計方案可以得出以下結論：

整流格柵的網格還需加密，而且要制作三層格柵及整流網。

縮口造成了風速的大量損失，風洞縮口應根據維新斯基曲線來設計，以降低風的湍流度，把風阻減小到最小，提高風速。

由于邊界層效應， 隨著空氣的流動，邊界層會逐漸加厚，因此，在試驗段風洞要有一定小角度的仰角。

采用吸氣式單臺風機，設計多個風機槳葉。