基于IEC标准的虚拟式中小型风力发电机功率特性测试系统的研究
相比于大型风力发电系统,中小型风力发电系统投资小、灵活性好,可在高山、游牧民区、海岛等地区并网或独立运行。在评估中小型风力机性能的众多指标中,功率特性最为重要。目前,国际上有关风力发电机功率特性测试最权威的标准是IEC61400-12-1。目前对于中小型风力发电机功率特性测试系统的研究,普遍存在着造价昂贵、测试携带不方便和没有实现试验数据的自动分析和处理等问题。因此,研制出造价低、便携性、能够自动地处理和分析实验数据,并且满足IEC61400-12-1标准的高精度中小型风力发电机功率特性测试系统,对中小型风力发电系统的设计和改进具有现实的理论和工程指导意义。 本文在详细分析风力发电机功率特性测试原理的基础上,依照虚拟仪器设计原则和IEC61400-12-1标准对中小型风力发电机组功率特性测试的相关规定,利用虚拟仪器LabVIEW2011软件和Matlab2010a软件,并整合相应的硬件设施,开发了一套适合于中小型风力发电机功率特性的测试系统。 论文首先查阅大量文献资料,了解了近年来国内外学者在中小型风力发电机性能改进和功率特性测试等方面的研究成果。并指出开展符合IEC61400-12-1标准的中小型风力发电机功率特性测试和认证工作的必要性。 第二,详细介绍了风力发电机功率特性测试的基本理论以及IEC61400-12-1标准对中小型风力发电机功率特性测试的相关要求,并结合虚拟仪器系统的设计原则,确定了测试系统的设计流程图和总体结构。 第三,根据测试系统的总体设计方案和IEC61400-12-1标准以及国标对中小型风力发电机功率特性测试硬件设备的相关要求,完成了系统的硬件选型和设计。包括对传感器、变送器、数据采集卡的选型,考虑实际测试过程中电子元件易受干扰和蓄电池不方便携带的问题,对测试机箱和电池模拟器进行了设计。 第四,根据IEC61400-12-1标准对中小型风力发电机功率特性测试数据采集、数据修正的要求,以LabVIEW2011为软件开发平台,具体实现了数据采集卡的参数设置、测试工况调节、软件消除零点误差的设计以及测试数据的修正、存储和显示。并对测试系统的精度进行了分析。 第五,根据IEC61400-12-1对中小型风力发电机功率特性测试数据处理方法的要求,基于Matlab2010a软件平台编写了数据处理程序,可对测试数据进行处理和分析,得到中小型风力发电机标准化到ρ0的功率曲线、实际输出功率的散点图、Cp曲线以及年发电量估算值。 最后,参照GB/T19068.3-2003标准对离网型风力发电机风洞试验方法的相关要求,在回流式风洞,对500W离网型风力发电机进行了模拟自然风况的功率特性测试试验。测试结果表明:该风力发电机启动风速约2m/s,切入风速约为3m/s,在风速约为10m/s时,达到额定功率500W,在风速约为6.5m/s时,Cp达到最大值0.3。另外,参照IEC61400-12-1对中小型风力发电机功率特性测试的要求,在内蒙古达茂旗水利部牧区水利科学研究所试验中心的自然风场,对400W离网型风力发电机进行了功率特性测试试验。测试结果表明:该风力发电机启动风速约2.5m/s,切入风速约为3.6m/s,风速约为12m/s时,达到额定功率400W,当风速约为6m/s时,Cp达到最大值0.32。综合风洞试验和风场试验的测试结果可知:风力发电机的功率输出散点图较标准化到ρ0的测量功率曲线,更能全面地反映出风力机在同一轮毂高度风速下的运行状态;风场中所测风力发电机功率曲线的标准偏差较大,这是因为自然风况下的风速波动大,影响了风力发电机的稳定运行。 通过样机的风洞试验和风场试验以及对试验测试数据的分析和处理,验证了本文所开发的虚拟式测试系统和数据处理程序的实时性、稳定性、准确性和可靠性。本文的测试手段和数据处理程序为今后中小型风力发电机的功率特性测试提供了科学依据和实践经验,并启发了对中小型风力发电机性能测试技术的深入研究。
风力发电机;功率特性测试;IEC标准;虚拟仪器;LabVIEW2011软件
内蒙古工业大学
硕士
动力机械及工程
包道日娜
2013
中文
TM315;TM933.3
92
2013-12-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）