0 引言

　　全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在目前一次能源供應(yīng)日趨緊張，以及人們生態(tài)環(huán)保意識不斷增強(qiáng)的大背景下得到了持續(xù)快速的發(fā)展，截至2015年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已超過432吉瓦，年新增裝機(jī)容量63吉瓦，市場年增長率達(dá)到22%[1]。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為全球風(fēng)電最為活躍的場所，在積極推動(dòng)大型風(fēng)電基地建設(shè)的同時(shí)，對靠近負(fù)荷中心的分散式風(fēng)電和低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，給予了進(jìn)一步的重視。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)型，其風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與風(fēng)向無關(guān)，相比于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音低、安全性好、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2-7]，目前逐漸在分散式風(fēng)電和低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中，以獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)、多源互補(bǔ)分布式電源系統(tǒng)，以及能源建筑一體化系統(tǒng)等發(fā)電形式，獲得了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8-10]。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，安裝運(yùn)行位置特殊，采用傳統(tǒng)的人工有線測試方式，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、數(shù)據(jù)精度分散性大、布線復(fù)雜、成本高、安全性差等不足。為此，本文依據(jù)機(jī)組運(yùn)行的工作原理，結(jié)合國標(biāo)《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第2部分：試驗(yàn)方法部分(GB/T 19068.2-2003)》給出的測試要求，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW軟件平臺(tái)和WiFi無線通信技術(shù)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電綜合智能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組氣動(dòng)和電氣性能的自動(dòng)連續(xù)無線測量，以應(yīng)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作性能評估與現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)測試的實(shí)際應(yīng)用需求。

1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測試原理

　　1.1 機(jī)組測試需求分析

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一般組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成

　　如圖1所示，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速v的帶動(dòng)下風(fēng)輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)功率Pa轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)主軸上的機(jī)械功率Pm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，并在風(fēng)力發(fā)電控制器及功率變換系統(tǒng)的控制下，將機(jī)械功率Pm轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β蔖e，最后經(jīng)過電力配電接口輸送給用戶負(fù)載使用或并入電力系統(tǒng)。

　　實(shí)際運(yùn)行的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和控制器具有多種形式，機(jī)電連接結(jié)構(gòu)各異，因此，為了評估發(fā)電系統(tǒng)的整體效能，風(fēng)輪本身的啟動(dòng)風(fēng)速、空氣動(dòng)力特性、機(jī)械輸出特性，以及機(jī)組的切入風(fēng)速值、功率輸出特性和效率等指標(biāo)需要進(jìn)行具體監(jiān)測和分析評估。

　　1.2 測試數(shù)據(jù)采集原理

　　1.2.1 風(fēng)功率方程與基本風(fēng)速

　　風(fēng)速是決定風(fēng)功率大小的重要因素，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，在垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)風(fēng)方向的風(fēng)功率Pa，以及能夠被風(fēng)輪捕獲得到的機(jī)械功率Pm分別表示為：

　　式中：v為風(fēng)速；為空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、15 ℃條件時(shí)，；R和H分別為垂直軸風(fēng)輪半徑和高度；Cp為風(fēng)能利用率系數(shù)。

　　為了反映風(fēng)輪總摩擦損耗和機(jī)組電氣損耗基本量的大小，在機(jī)組空載時(shí)，觀測能夠使風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速，記錄為啟動(dòng)風(fēng)速vs；在機(jī)組連接負(fù)載情況下，觀測功率變換系統(tǒng)在額定電壓下有功率輸出時(shí)的最小風(fēng)速，記錄為切入風(fēng)速vcutin。

　　1.2.2 風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性

　　空氣動(dòng)力特性反映了風(fēng)輪本身吸收風(fēng)功率Pa強(qiáng)弱的能力，由函數(shù)f(λ，Cm)和f(λ，Cp)表示。

　　這兩個(gè)函數(shù)是風(fēng)輪葉尖速度比λ分別與其相對力矩系數(shù)Cm和風(fēng)能利用率系數(shù)Cp之間的關(guān)系曲線，由基本原理可知：

　　式中：ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Tm為風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸扭矩，Tm=Pa/ω(Nm)。

　　為此，根據(jù)式(3)~式(6)，該特性曲線需要采集的狀態(tài)量包括風(fēng)速、大氣密度、風(fēng)輪角速度、風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸扭矩等。

　　1.2.3 風(fēng)輪機(jī)械輸出特性

　　風(fēng)輪機(jī)械輸出特性反映了在各種風(fēng)速v條件下，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速n與其旋轉(zhuǎn)主軸機(jī)械功率Pm的關(guān)系，由函數(shù)f(n，Pm)表示。

　　該函數(shù)是一組曲線簇，可利用f(λ，Cm)特性曲線，取風(fēng)速v在切入風(fēng)速vcutin至額定風(fēng)速vrated區(qū)間內(nèi)，λ在其最優(yōu)值λopt附近條件下，按照式（2）和式（7）計(jì)算風(fēng)輪的機(jī)械輸出功率Pm和轉(zhuǎn)速n：

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測試系統(tǒng)通過氣溫、氣壓、風(fēng)速、扭矩、頻率、電壓和電流等分布式傳感器檢測出現(xiàn)場各類物理量信號，再通過相關(guān)功能電路完成對被監(jiān)測信號的采集、變送、分析、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，其總體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖2中，分布式傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集微處理單元與WiFi通信模塊構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端硬件系統(tǒng)，上位機(jī)測試分析平臺(tái)則由計(jì)算機(jī)及LabVIEW軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)采集前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集前端以MSP430微控器為核心設(shè)計(jì)，放置于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備現(xiàn)場，系統(tǒng)將分布式傳感器輸出的各類模擬和數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)理變送、驅(qū)動(dòng)整形，變換成由數(shù)據(jù)采集微處理單元臨時(shí)存儲(chǔ)的帶格式數(shù)字量信號，再由無線通信接口，按要求發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　風(fēng)速傳感器的輸出是與風(fēng)速v大小成比例的TTL頻率信號，為了避免長線傳輸?shù)男盘査p，調(diào)理電路利用定時(shí)芯片NE555，將其高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TR連接起來作為信號輸入端，構(gòu)成施密特觸發(fā)器，在MSP430微控器數(shù)字接口前端對風(fēng)速傳感器輸出的信號進(jìn)行整波，風(fēng)速傳感器調(diào)理電路如圖3所示。

　　數(shù)據(jù)采集前端采用UART轉(zhuǎn)WiFi無線通信模塊USR-WIFI232，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)無線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸通信。該無線通信模塊最高波特率450 kb/s，可選TCP Server/TCP Client/UDP Server/UDP Client工作模式，TCP Server模式時(shí)可支持多達(dá)32個(gè)Client連接，有效通信距離達(dá)400 m，技術(shù)指標(biāo)滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需。

　　在本文中，MSP430微處理器的UART串口連接到該無線模塊，無線模塊設(shè)置為透明傳輸模式，使用IE瀏覽器Web方式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集前端MSP430微控器與上位機(jī)采用半雙工通信模式，上位機(jī)設(shè)定為通信主站，數(shù)據(jù)采集前端設(shè)定為通信從站，收與發(fā)的來回時(shí)序關(guān)系嚴(yán)密，因此，MSP430軟件需嚴(yán)格按照通信協(xié)議編寫。通信協(xié)議中定義2類通信幀：信令幀（命令數(shù)據(jù)的發(fā)送格式）、數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送格式）。

4 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用LabVIEW圖形化編程語言進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)。系統(tǒng)采用模塊化方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置相應(yīng)通信接口、網(wǎng)絡(luò)配置、采樣周期、存儲(chǔ)路徑、報(bào)警上下限等，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓、電流等，即時(shí)地顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)曲線；歷史數(shù)據(jù)查詢界面能夠查看保存在Access數(shù)據(jù)庫中的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)信息，并具有查詢相應(yīng)時(shí)間區(qū)間信息的功能；特性曲線界面可將保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，獲得相應(yīng)的特性曲線，給出機(jī)組的基本性能參數(shù)。

圖4  系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 主程序流程

　　軟件系統(tǒng)采用“事件觸發(fā)”的方式編寫。當(dāng)上位機(jī)處于數(shù)據(jù)采集前端WiFi無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，通過搜索查找數(shù)據(jù)采集前端無線IP地址10.10.100.255并與之建立連接，如果WiFi網(wǎng)絡(luò)連接成功，則返回“網(wǎng)絡(luò)連接成功”消息。此時(shí)，上位機(jī)保持向數(shù)據(jù)采集前端發(fā)送關(guān)斷指令，使數(shù)據(jù)采集前端依然處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)“開始監(jiān)測”事件觸發(fā)后，上位機(jī)則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送打開指令，直到收到數(shù)據(jù)采集前端的激活確認(rèn)符為止，此時(shí)“接收”事件自動(dòng)觸發(fā)，程序開始接收數(shù)據(jù)采集前端所傳來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。當(dāng)“停止監(jiān)測”事件觸發(fā)后，程序則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送關(guān)斷指令，使下位機(jī)重新處于休眠狀態(tài)。上位機(jī)通信程序流程如圖5所示。

圖5  上位機(jī)通信程序流程

　　4.3 編程實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)程序的WiFi無線通信功能主要通過LabVIEW軟件開發(fā)系統(tǒng)中自帶的TCP函數(shù)和VI子程序來實(shí)現(xiàn)。

　　對于系統(tǒng)的前面板的設(shè)計(jì)，采用Windows多頁面風(fēng)格布局。將整個(gè)程序分成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、特性曲線和參數(shù)設(shè)置等多個(gè)頁面，方便在前面板進(jìn)行整合和布局。最終的前面板設(shè)計(jì)顯示效果如圖6所示。

圖6  前面板顯示圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

　　通過吹風(fēng)機(jī)給垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供風(fēng)速，在風(fēng)速v由7.5 m/s～5 m/s變化條件下，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集獲得的風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7、圖8所示。

時(shí)間

圖7  風(fēng)速

時(shí)間

圖8  風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

　　在繪制風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線時(shí)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19068.2-2003）的試驗(yàn)方法，使風(fēng)輪空載、制動(dòng)、迎風(fēng)，松開制動(dòng)，自風(fēng)輪起動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速的全過程，連續(xù)采樣，每0.5 s同步測取風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速變化幅值應(yīng)小于0.5 m/s，保存數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到的特性曲線如圖9所示。利用繪制的風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線，分別取風(fēng)速v在5 m/s、10 m/s、15 m/s條件，在每種風(fēng)速下改變負(fù)載功率，使得λ變化范圍在0～3.4區(qū)間，保存數(shù)據(jù)、繪制曲線簇、連接各曲線頂點(diǎn)即是風(fēng)輪機(jī)械輸出特性曲線，如圖10所示。經(jīng)過與風(fēng)輪設(shè)計(jì)階段的CFD計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)對比，證明了測試曲線的正確性。

圖9  風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性曲線圖

圖10  風(fēng)輪機(jī)械輸出特性曲線

6 結(jié)束語

　　本文分析垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測試工作原理，依據(jù)國標(biāo)要求，應(yīng)用LabVIEW和WiFi技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)組測試數(shù)據(jù)的無線采集系統(tǒng)，能夠?qū)L(fēng)速、轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓和電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)多狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示及儲(chǔ)存，不但降低了線路布設(shè)與維護(hù)成本，還提高了采集系統(tǒng)的靈活性、可拓展性和易維護(hù)性。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正確有效性。系統(tǒng)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的進(jìn)一步研究和優(yōu)化提供了有效測試技術(shù)手段。

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