5KW风力发电机整机输出特性风场测试.docx

1、5KW风力发电机整机输出特性风场测试目录第一章 绪论 21.1 引言 21.2 国内外风力发电现状及发展趋势 21.4 本课题研究内容 61.4.1 本课题的意义和目的 61.4.2 本课题的主要研究内容 6第二章 风力发电机概述 72.1小型风力发电系统基本结构及分类 72.2 风力机功率输出特性 103.1 测试系统硬件、软件部分 123.1.1 测试系统概述 123.1.2 测试系统硬件 123.1.3 测试系统软件 133.2 LabVIEW 软件概述 143.2.1 测试系统的软件框图 143.2.2软件前面板 153.3 测试数据的存储 173.4 采样参数的测定 183.5 数据

2、采集 19第四章 5kW风力发电机风场测试实验 214.1 风场测试内容 214.2 风场测试实验步骤及基本要求 214.2.1 风场测试实验步骤 214.2.2 风场测试的基本要求 214.2.3 风场实验测试方法 224.3 消除零点误差的方法 234.4 实验数据处理 244.5 实验结果分析 264.5.1 风机的输出功率分析 264.5.2 风机效率分析 27第五章 总结 28参考文献 29谢辞 31缩略语英文缩写 英文全拼 中文 GRP glass-reinforced plastic 加强玻璃塑料CFRP 碳纤维强化塑料DAQ DataAcquisition 数据采集系统 ADO

3、 Active Data Object 活动数据对象ODBC Open Database Connectivity 开放数据互连 DAQ Assistant 数据采集助手DSN 数据平滑网络雷达第一章 绪论1.1 引言风能作为绿色能源备受人们关注,而风力发电机是风能利用最多的方式之一。风力发电机中,离网型风力发电机的应用范围很广,因其体积小、操作方便、维修简单、造价低,在一些风力比较大的偏远地区以及农村具有极大的发展潜力。风力发电机能够更好、更有效的工作,风力发电机的测试实验是至关重要的。本课题主要对5kW风力发电机进行了测试实验, 为评估和改进所测的5kW风力发电机的性能提供了依据。1.2

4、国内外风力发电现状及发展趋势1.2.1 世界风力发电现状及趋势国际能源研究报告表明，如果各国采取有力措施，力发电到2010年可提供世界电力需要的10%，创造170多万个就业机会，并在全球范围内减少排放100 多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源, 到2010年风电总装机容量将达到40GW，到2020年将达到0.1TW，到2010年德国新增500万千瓦，西班牙新增520万千瓦，年生产能力将达到800万千瓦，可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能资源最好的国家。在美国50个州中，大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998- 2009年间，美国风力发电的总装机容量已经超过

5、16740MW，可以满足160万个中等家庭的日常用电需要。随着技术的不断进步和规模的不断扩大，风电发电成本的不断下降，估计10年后它完全可以和燃煤电厂竞争2。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行，更大单机容量的机组仍然在继续研制。随着风力发电容量在电力系统中所占的比例越来越大，对电力系统的影响日益明显，人们已经开始利用天气预报的技术来预测风电场的功率输出，以优化风力发电机的运行速度。由于600kW级大型风力发电机组技术已经成熟，正在大批量的生产，2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行，风力发电的造价由现在1000美元/kW很有可能下降为600800美元/kW，发电成本从现在的45美分/

6、 ( kWh)，下降到34美分/(kWh)，风力发电规模带来的经济效益更加明显，可以和火电、水电和核电相竞争，这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源，其环境效益也十分明显，随着风力发电技术的日益成熟，发电成本的进一步降低，风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电2。世界风力发电技术已渐趋完善，就其发展趋势而言主要反映在小容量向大容量发展，定桨矩向变桨矩、变速恒频发展，陆上风电向

7、海上风电发展，结构设计向紧凑化、柔性化、轻盈化发展等方面。2010年，业界关注的焦点在于10兆瓦风电技术，并且目前商业化的风力发电机的叶轮直径已经超过100米。变桨变速设计成为主流，同时直接驱动发电机技术的创新变得十分引人注目。最近的一个趋势是海上数兆瓦级的风力发电机的出现。随着风电的发展，风力发电电场的规模和单机容量越来越大，陆上风电场因受环境因素(占地、运输、吊装、噪声等)的制约，人们很自然把目光放到海上风电场。一般认为10MW是陆上风电机发展的极限。巨型风电机其桨叶长度将达到6070m，陆上运输极其困难，安装用的吊车容量将超过12001400吨，很多地区不具备这个条件。而这些问题对于海上

8、风电来说相对比较容易解决，海上运输方便(制造厂在海边)，海上浮吊容量大(超过1500吨的浮吊已比较普遍)。更重要的是，海上风力发电场的风能资源好，风速大并且稳定，年平均利用小时可达3000小时以上，每年的发电量可比陆上高出50% 4。随着风电单机容量的不断增大为了便于运输和吊装，要求风力发电机在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化。特别是其顶部的结构设计, 因为巨大型风电机如果是按常规设计，5MW级的风力发电机其顶部的重量为300500吨, 因此在设计上要简化系统的结构，如充分利用高新复合材料的叶片, 以加长风机叶片长度； 省去发电机轴承, 发电机直接与齿轮箱连接, 被直接置于驱动系统上, 同时使

9、转矩引起振动最小；无变速箱系统, 采用多极发电机与风轮直接连接；发电机中的中速永久磁铁采用水冷方式；调向系统放在塔架的底部；整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上, 使荷载力以最佳方式从轮彀传导到塔筒上等。因此,各风电机制造商都在结构设计的紧凑化、柔性化和轻盈化做了大量的工作5。1.2.2 我国风力发电现状及趋势 我国幅员辽阔，陆疆线总长2万多千米，海岸线总长1.8万多千米，是一个风力资源很丰富的国家，全国约有2/3的地带为多风地带，风能总储量为32.26亿千瓦，实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源利用条件。两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能

10、资源丰富区，跨全国21 个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台，并网型风电场24座，总装机容量约26万千瓦，其中大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的，最大单机容量为600kW。毫无疑问，中国风能等可再生能源的利用受到了一系列因素的限制和影响，其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不配套等，和常规资源相比，它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发，从中央到地方各级政府已经对这些资源的开发合利用给予了关注。目前, 我国国产化机组产量仍然偏小，远未达到一定的规模效益，使得零部件采购价格偏高，利润空间很小。因此，我国的风力发电装备市场至今仍然由国外风力发电机

11、组占据，这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电设备的研制进度，尽快提高大型风力发电设备的设计和制造技术，加大风力发电设备国产化进程。还应该注意稳定产品得质量，提高国产机组得可靠性，以取得风力发电场建设者的认可，逐步扩大市场份额3。据相关资料报道，到2020年，预计我国将新增发电能力500GW，其中121GW 为可再生能源。2010年以前，我国计划新建20座风力发电场，每座风力发电场的发电能力达到100MW以上，且达到4000MW的风力发电总目标，并要求风力发电设备本土化。风电发展必要性：发展风电有利于调整能源结构，能源结构中75是燃煤火电，增加风电等清洁能源的比

12、重刻不容缓。尤其是在减少CO等温室气体的排放，缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。火电厂虽然可以安装脱硫脱氮等装置，但是CO的排放却比较难得到控制。发展风电是解决我国能源供应不足的有效途径，我国常规能源资源人均拥有量相对较少，随着国民经济的发展，常规能源资源将不断减少。为保持我国经济和社会的可持续发展，必须采取措施以解决能源供应。开发风能资源也可以在减少石油、天然气进口方面发挥作用，对提高我国能源供应的多样性和安全性也能做出积极贡献。西部地区是我国陆地风能资源储量最大的地区，大规模开发风电也可以拉动西部地区得经济发展7。发展风电的有利条件：1、风能资源：初步估计可开发和可利用的风能储量为

13、10亿kW。2、电网条件：东部沿海地区有较强的高压输电网，不存在技术问题；西部地区随着经济的发展，电网将不断延伸和增强。3、风电设备：600kW发电机组关键部件能够在国内生产，价格比进口机组低廉，有利于大规模开发风电。4、电力体制和政策环境：电源和电网分开后有利于投资的多元化，新组建的国家发展与改革委员会能源局抓紧两个特许权风电示范项目的招标进程，取得经验后将大力推广6。风电发展思路：总结、推广特许权风电场开发经验，并推行固定电价方式的激励政策，促进中小型风电场的发展，发展稳定的风电市场，加强风电设备的国产化，扩大现有产品生产规模，引进、消化、生产大功率机组，并提高自主生产开发能力，降低机组生

14、产成本。风电的发展与当地经济承受能力和电网容量相适应，在经济发达但是能源短缺的沿海地区加速风电发展；在资源丰富的西部地区，随着电网容量得增长，大规模开发风电，在政策上要解决跨省区销售风电的问题，如配额制，绿色电力交易等，因地制宜开发内陆局部风能丰富场所。海上风能资源比陆上更为丰富，应认真研究国外开发海上风能的经验，准备资源勘测和示范工程准备，为今后大规模发展海上风电创造有利条件6。 中国风力发电展望：为了加快我国风力发电的发展，在较短时间内使我国风电设计、制造技术水平大幅度提高，使建设成本和上网电价快速降低，成为能大规模提供清洁能源电力的重要能源，根据我国风电发展现状，借鉴国外风电发展的经验，

15、国家发改委制定了风力发电中长期发展规划，并广泛征集各省发改委(计委)和有关单位的意见，为全国风能资源丰富的省份确立了发展目标。截至20039年底，全国风电总装机规模为25805MW。到2010年底，全国风电总装机规模达到4万MW；到2015年底，全国风电总装机规模达到10万MW；到2020年底，全国风电总装机规模达到20万MW。风电规模化发展，使各项技术经济指标进一步提高，风电企业的竞争力和盈利能力明显增强4。2020年以后化石燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。2030年以后水能资源大部分也开发完，海上风电进入大规模开发时期，有可能形成“东电西送”的局面。风电，以其良

16、好的环境效益，逐步降低的发电成本，必将成为本世纪中国重要的电源。1.4 本课题研究内容1.4.1 本课题的意义和目的风能是一种清洁能源，也是可再生能源，在当今世界各国能源缺乏的情况下，风能的利用已经成为了能源利用的重要组成部分，而风力发电机就是风能利用的方法之一，风力发电机能够更好的工作是离不开风力发电机性能测试这个环节。通过风力发电机的测试实验，能够了解国内外风力发电机的发展状况和风力发电机的主要原理结构及运行特性，掌握离网型风力发电机的野外性能测试实验的方法和步骤，做到最后的数据采集以及数据分析。1.4.2 本课题的主要研究内容 风力发电机的运行特性，直接影响其发电效率，测试风力发电机的性

17、能，对于风力发电机的研究设计和推广应用有着现实的意义。本课题的主要内容如下：1、了解掌握国内外风力发电现状、有关小型风力发电机的基本原理，风力发电系统和风力发电机分类情况。2、熟悉掌握本课题采用的风场测试系统硬件、软件，在了解风场测试标准、测试实验方法的基础上进行了5kW风力发电机输出特性的测试。将采集到的数据用比恩法进行数据处理后得出得到5kW风力发电机在3m/s到18m/s风速下的风机的实测功率及风机的修正功率，而后用Excel软件描绘出风机在上述风速下的风机的实测功率及风机的修正功率对比曲线。再根据所测得的风速与电功率关系曲线，得出风力发电机的风速与效率的关系曲线。第二章 风力发电机概述

18、2.1小型风力发电系统基本结构及分类2.1.1 基本结构风力发电机是将风能转换为电能的机械装置。离网型风力发电机一般由：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等等附属设备组成。最常见的小型水平轴风力发电机的基本构造如图2-1： 图2-1 小型水平轴风力发电机的基本构造原理图 1、风轮风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由13个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。2、发电机在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异

19、步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。 3、塔架塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。 4、调向机构垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。 5、限速机构 当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。 6、贮能装置贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热

20、能贮能、化学能贮存。 7、逆变器用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。当风力发电机正常工作时，风轮吸收风的动能而旋转，同时拖动发电机旋转发出电能，从发电机发出的交流电经过整流器变为直流电为蓄电池充电；因为生活当中使用的电器多为交流负载，当负载需要用电时，蓄电池放出的直流电经过逆变器后变为交流电向负载供电；蓄电池对充电的电流、时间和放电电流、时间都是有严格要求的，过分充电和过分放电会使蓄电池报废，当蓄电池充饱时，控制器将控制风力发电机停止产生电能或将产生的电能送向卸荷器；当蓄电池达到规定的放电深度时，控制器也将会控制蓄电池停止给负载供电，以免破坏蓄电池。典型的离网型风力发电机工

21、作原理如图2-2所示：图2-2 风力发电机工作示意图2.1.2 分类 风力发电系统分为两大类，一类是并网的风电系统；另一类是独立的风电系统，即离网型风电系统。并网的风电系统的风电机组是直接与电网相连地。为了防止风电对电网的冲击，风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超过5%10%，因为风电的输出功率是不稳定的，这是限制风电场向大型化发展的一个重要的制约因素。独立的风电系统主要应用在电网不易到达的偏远地区。风力发电输出功率的不稳定和随机性，因此需要配置储能装置，在涡轮风电机组不能够提供足够的电力时，为照明、广播通讯、医疗设施等提供应急动力。当今最普遍使用的储能装置是蓄电池，风力发电机在运转时，一类

22、是为用电装置提供电力，同时还将过剩的电力通过逆变器中的整流部分转换成为直流电，向蓄电池充电。在风力发电机不能提供足够电力时侯，蓄电池再向逆变器提供直流电，逆变器将直流电转换成为交流电，向用电负荷提供电力。因此离网型的风电系统是包括由风力发电机、逆变器和蓄电池组成的系统。另一类离网型的风电系统是混合型风电系统，除了风力发电装置之外，还带有一套备用的发电系统，经常采用的就是柴油发电机组。风力发电机中的风轮是将流经风轮旋转面的流动空气的一部分的动能转变为轴上输出有用机械能的装置，就是实现将风能转变为机械能的装置。风机的造型按风轮轴的不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种。能量驱动链(即风轮、主轴、

23、发电机)成水平方向的，称为水平轴风力机。能量驱动链成垂直方向的，称为垂直轴风力机。垂直轴风力机具有很多优点。如增速箱和发电机可以置在塔底，安装和维修都非常的方便。同时，垂直轴风力机具有任意方向性，不用机舱对风和调向，因此省去了偏航装置，不存在扭缆和解缆等问题。然而，垂直轴风力机的效率较低，并且，由于传送轴重量的原因，将大容量的垂直轴的齿轮箱放在地面上是不可行的。再有一个明显的缺点就是，机翼的表面贴近于轴，越离旋转轴近的机翼部分速度就越慢，这减少了空气动力的效能。这些缺点使得垂直轴设计从商业的主流设计中渐渐消失。虽然人们在不断改进风力机的设计研究，但是，水平轴风力机仍然是目前世界范围内商业化运行

24、最成功的一种形式。其中最常见的结构是水平轴、三叶片、上风向，机舱安装在高高的塔架上。能量从风轮传递到齿轮箱，然后到达发电机。有些可变速运行，有些没有齿轮箱，采用直接驱动。目前最显著的改进就是不断的增加单机容量和机组性能。只有在微型和小容量的风力发电机组中或采用低速发电机的风力发电机组中不包括变速齿轮箱。还有在国际上通常按照机组容量的大小，将风力发电机组也可分为： 大型：容量在1兆瓦以上。中型：容量在100千瓦以上至1兆瓦。小型：容量在1千瓦以上至100千瓦。微型：容量在50瓦以上至1千瓦。2.2 风力机功率输出特性风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定特性的能源。当一个物体使流动的空气速度变慢时

25、，流动的空气中的动能部分转变成物体上的压力能，整个物体上的压力就是作用在这个物体上的力。功率是力和速度的乘积，这也可用于风轮的功率计算。因为风的动能与风速的平方成正比，所以风的功率与速度的三次方成正比。如果风速增加一倍风的功率便增加八倍。对于理想的风力机，气流在单位时间内流过截面积为时具有的动能与风速的三次方成正比 P= 2-1式中：为风轮输出功率，为空气密度，为风轮扫掠面积，为气流速度。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风轮所吸收，那么风轮后的空气就不动了。然而空气不可能完全停止，流经风轮后的风速不可能为零，因此风所拥有的能量不可能完全被利用，即只有风的一部分能量可能被吸收，成为桨叶

26、的机械能。实际风力机能够得到的有用输出功率等于风能与风能利用系数的乘积： 2-2式中：为风能利用系数，即在单位时间内，风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能之比。风能利用系数不是一个常数，它随风速、风力机转速、以及风力机叶片参数如攻角、桨距角等变化。 考虑到风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性和调速装置，所以吸收的风功率和风力机转速将受到限制。式2-3为： 0 2-3 0 其中：，分别为风力机切入风速、额定风速和切除风速，为风力机额定功率。某风力机输出功率曲线如图2-3所示。图2-3 风机输出功率曲线从图中可以看出，当风速在额定风速以下，输出功率不超过额定功率时，属于正常调节范围。但自然

27、风速的变化常会超出这一风速，在自然条件下运行时，风力机运行不仅需要限制结构载荷的大小，而更重要的是发电机超载后过热的问题。控制系统允许发电机短时过载，但绝不能长时间或经常过载。当风速高于额定风速时，必需将风力机的输出功率和转速限制在所允许的最大值内。第三章 风力发电机测试系统硬件、软件部分3.1 测试系统硬件、软件部分3.1.1 测试系统概述一般的风力发电机测试时开发的测试系统采用了当前流行的虚拟仪器测试技术, 可以实现对被测风力发电机实时实地的数据采集、监控以及数据分析和处理。被测数据包括大气压力、 大气温度、 直流电流、 直流电压、 频率、 风速、 扭矩等。整个测试系统包括硬件组配和软件编

28、程两部分。对于系统硬件部分,依据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布的 离网型风力发电机组 最新国家标准对性能测试部分的要求以及根据各待测参量的特点，选择合适的传感器和变送器，并依据测试所采集信号的特点选择能够满足信号要求的数据采集卡,遵照电气规范以及组配测试仪。一般测试设备应能在野外连续作业，所以选用的计算机应是稳定性和可靠性较高、 操作简单、 携带方便、 性价比高的笔记本电脑，软件部分一般是利用当前广为使用的 LabVIEW 编写程序,实现对数据采集的控制、显示和存储7。测试时，各路模拟标准信号(420mA电流信号或05V电压信号)经相应的变送器采集变送传输,通过数据采集卡上已经设定

29、的信号通道传递给笔记本电脑,实验数据由软件处理后作结果显示,同时以 Excel电子表格文件存储于电脑硬盘。最后,利用 Excel 软件的数学计算、分析处理功能得到实验结果。通过Excel 计算出风力机的发电功率并绘制出各参数曲线图形。通过对大气温度、 湿度、 大气压、 风速等实验数据的分析和处理,计算出风能的功率;利用电流和电压参数的分析、 处理,计算出风力发电机的输出功率。通过两个参数的比值从而得到评估风力机的转换效率及风力机的性能7。3.1.2 测试系统硬件 测试时一般采用基于PC的数据采集系统(DataAcquisition,简称DAQ)来完成测试研究,建立在计算机DAQ设备基础上的虚拟

30、仪器系统具有多性能、高功能、集成化、网络化、性价比高和使用维护方便等特点。测试系统由笔记本电脑、数据采集卡、各类传感器、变送器等组成，如图3-1所示。各路信号通过相应的变送器, 以标准电信号形式输入DAQcard6024E型多功能数据采集卡,通过数据采集卡上对应通道的运算功能,输出并存储测试结果。 硬件部分的工作包括以下几个方面： 1、对风速、风向、环境温度、大气压力、电流、电压等变送器或传感器进行合理的选择及正确的安装。 2、合理地设计，为测试系统的电动机（室内）、风力发电机、变频器、逆变器选择合适的电源、指示灯、开关及按钮，并将其集中安放到系统中的电路部分。测试系统硬件部分以及模拟电池负载

31、，使其能更好地模拟蓄电池的充电特性，以便更好地测试风力机的性能。3、选择数据采集卡及确定采样率，选取合理的抗干扰措施。考虑到室外风力发电机测试，对整个测试系统合理配置，使其携带方便且能在车内测试7。图3-1数据采集流程3.1.3 测试系统软件基于 LabVIEW 环境的风力发电机测试程序具有将来自传感器的信号采集、 存储、处理和显示的功能，所以程序总体上包括数据采集、数据存储(将数据存入 Excel 表格文件)、数据处理等几个模块。数据采集包括通道控制、触发控制、设置采样参数。数据处理及参数分析包括计算模拟参数的实际值,与发电机性能有关的参数计算和性能曲线的显示。应用程序结构框图如图3-2。LabVIEW程序包括前面板和流程图。前面板就是图形化的用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中，用户可以使用各种图标，如旋钮、 按钮、实时趋势图和事后记录图等，就像是真实的仪器面板一样。每个前面板都有一个框图程序与之相对应7。 图3-2 应用程序结构框图3.2 LabVIEW 软件概述3.2.1 测试系统的软件框图 图3-3 软件程序的结构框图系统软件包括人机界面、参数输入、数据采集、数据显示、性能分析、报表输出等功能模块。测试系统的功能有：采集各个传感器的输出信号，其中温度、压力、扭