目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................................... 2
1.1 引言 .................................................................................................................................................. 2
1.2 国内外风力发电现状及发展趋势 ......................................................................................... 2
1.4 本课题研究内容 .......................................................................................................................... 6
1.4.1 本课题的意义和目的 ......................................................................................................... 6
1.4.2 本课题的主要研究内容 .................................................................................................. 6
第二章 风力发电机概述 ...................................................................................................................... 7
2.1小型风力发电系统基本结构及分类 . ...................................................................................... 7
2.2 风力机功率输出特性 . ................................................................................................................ 10
3.1 测试系统硬件、软件部分 ....................................................................................................... 12
3.1.1 测试系统概述 . ..................................................................................................................... 12
3.1.2 测试系统硬件 . ..................................................................................................................... 12
3.1.3 测试系统软件 . ..................................................................................................................... 13
3.2 LAB VIEW 软件概述 . ..................................................................................................................... 14
3.2.1 测试系统的软件框图 ....................................................................................................... 14
3.2.2软件前面板............................................................................................................................ 15
3.3 测试数据的存储 .......................................................................................................................... 17
3.4 采样参数的测定 .......................................................................................................................... 18
3.5 数据采集 ..................................................................................................................................... 19
第四章 5KW风力发电机风场测试实验 ......................................................................................... 21
4.1 风场测试内容 ............................................................................................................................... 21
4.2 风场测试实验步骤及基本要求 . ............................................................................................. 21
4.2.1 风场测试实验步骤 . ......................................................................................................... 21
4.2.2 风场测试的基本要求 . .................................................................................................... 21
4.2.3 风场实验测试方法 . ......................................................................................................... 22
4.3 消除零点误差的方法 . .............................................................................................................. 23
4.4 实验数据处理 ............................................................................................................................. 24
4.5 实验结果分析............................................................................................................................ 26
4.5.1 风机的输出功率分析 . .................................................................................................... 26
4.5.2 风机效率分析 ................................................................................................................... 26
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
ODBC
DAQ Assistant
DSN
Active Data Object Open Database Connectivity 活动数据对象 开放数据互连 数据采集助手 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 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600~800美元/kW，发电成本从现在的4~5美分/ ( kWh) ，下降到3~4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60~70m，陆上运输极其困难，安装用的吊车容量将超过1200~1400吨，很多地区不具备这个条件。而这些问题对于海上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300~500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，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5K W 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5K W 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E XCEL 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
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1~3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[2]。典型的离网型风力发电机工作原理如图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[3]。
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、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，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S 时具有的动能与风速的三次方成正比
P=1ρSV 3 2-1 2
式中：P 为风轮输出功率，ρ为空气密度，S 为风轮扫掠面积，V 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：
13 P =C P ρSV 2-2 2
式中：C P 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C P 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 V m
P = 1C P ρAV 3 V in
P N V N ≤V m
0 V m ≥V out
其中：V in ，V N ，V out 分别为风力机切入风速、额定风速和切除风速，P N 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(4~20mA电流信号或0~5V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DAQcard ―6024E 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，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、扭矩传感器
输出的是电压信号，电压、电流、频率、风速输出的是标准信号(4---20mA)，电流信号经过转换为数据卡所接受的电压信号，而后进行数据采集，再通过软件实时的显示测量数据：实验数据实时记录；显示出风力发电机在不同风速下的输出功率，得到其特性曲线。图3-3中是最基本得软件框图。
3.2.2软件前面板
前面板是用户接口，是指一些图形化的测试界面，用于向程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果，包括菜单、参数设置、结果显示等。我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头、按钮、波形图等各种控件与显示模块，并可根据用户实际需要定制控件，用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显示模块（如图3-4）。
图
3-4 测试程序前面板
前面板的具体分析如下：
1、数据显示模块
利用LabVlEW 中的图形化显示函数Wave chart实现小型风力发电机性能测 试系统的温度、电压、电流、风速、频率、扭矩、风向、折尾角等性能参数随时间的变化波形图，在这里，可以形象地看到以上参数的变化趋势，进而确定风力发电机的所处的状态（如图3-5）。
图 3-5 数据显示模块
2、 数据存储模块
数据存储模块如图3-6所示，将采集到的数据通过Save 按钮实时的保存到电子表格中，可以直接填写存盘路径，也可以通过查找按钮将数据保存。
图3-6 数据存储模块
3、参数设定模块
采样率足数据采集卡采样输入模拟信号的速率，采样率决定了模数转换发生的频率。进行平均点数是有限采样时每个通道的采样数量。根据不同的风力发电
机设置不同的极对数，设定合理的采样率和采样平均点数会提高测量的准确性，
经过多次实验，本文将采样率和平均点数设定为200（图3-7）。
图3-7 参数设定模块
4、档位控制模块
档位转换开关包括电压档和扭矩档两个档位，电压档控制电压为100V 和500V , 扭矩档控制扭矩为50Nm 和100Nm （图3-4）。
3.3 测试数据的存储
数据存储主要实现测试数据的中央存储和交换，存取系统运行过程中产生的数据。LabVIEW 具有很丰富的文件操作函数库，可以方便地进行文件的读写操作。LabVIEW 可以读写文本文件、数据表文件、二进制文件和测试数据文件。其中测试数据文件是一种特定格式的文本文件，以.Lvm 为扩展名，它除了保存测试数据之外，还保存数据生成的日期时间等信息。本文采用这种数据存取方式来存取数据。
图3-8 数据存储模块连接图
数据存储模块连接如图3-8所示，将采集到的数据通过ADO （Active Data
Object ）技术与ODBC(Open Database Connectivity, 开放数据互连) 访问数据库。
ODBC
是微软开放服务结构中有关数据库的一个组成部分，它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准API 。这些API 利用SQL 来完成其大部分任务。ODBC 本身也提供了对SQL 语言的支持，用户可以直接将SQL 语句送给ODBC 。LabSQL 是一个完全免费的数据库访问工具。由于它完全就是由一个许多VI 组成的包，可以把它直接添加在LabVIEW “函数面板” 的“用户库”面板下，从而方便调用[8]。
下面看如何具体建立一个Access 的数据源，从而进行LabSQL 的配置。首先在Access 中建立一个数据库，命名为ZYH.mdb 。在“Windows 控制面板”的“管理工具”中选择“数据源（ODBC ）”，将会弹出ODBC 数据管理器。在“系统DSN ”选项卡中单击“ADD ”按钮（如没有数据源名DSN ，需创建），在打开的创新数据源窗口中选择“Microsoft Access Driver（＊.mdb ）”，单击“完成”按钮。在随后出现的“ODBC Miscrosoft Access 安装”对话框的“数据源名”中创建自己的DSN 名称为“ZYH ”，在数据库栏中单击“确定”按钮选择开始时创建好的Access 数据库名ZYH.mdb 。之后在“ODBC 数据源管理器”中就可以看到新建的系统DSN 了。LabSQL 就是利用这个DSN 来实现对Access 数据库ZYH.mdb 的访问。具体见软件编程中框图程序中的数据存储部分。
3.4 采样参数的测定
采样率(rate)就是进行A ／D 转换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。下面的图3-9及图3-10表示了采样率对精度的影响。
进行平均点数(Samples to Read) 是有限采样时每个通道的采样数量。根据不同的风力发电机设置不同的极对数，设定合理的采样率和采样平均点数会提高测量的准确性，而在本测试系统的各测量参数中，风轮转速对采样率的要求最高，小型风力发电机的转速一般最大不超过1000rpm ，而且多数不超过6对极，由此可计算出其信号的变化频率，计算结果如下：
f ===100 3-1 由此可知，采样率可设置为200，经过多次实验，实验中设置不同的采样率，并对数据进行分析，最终得到结论：对大多数常见的小型风力发电机，多数情况下可将采样率和平均点数设定为200，如果采样时间较长或进行特殊实验可根据需要适当调整，通过调整二者的比例关系可调整测试数据记录的间隔时间, 调试时双击程序框图
中的数据采集助手（DAQ Assistant）节点，过一会儿就见到下图界面，从而在此界面中对数据记录的间隔时间进行调整。
图3-9 足够采样频率结果
图3-10 过低采样频率的结果
3.5 数据采集
基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构为：传感器一信号调理器一采集设 备一计算机。数据采集设备主要功能是将模拟信号转换为数字信号，此外一般还 有放大、采样保持、多路复用等功能。
数据采集过程如图所示．在这个过程中来自传感器的模拟量被转化为数
字量．模拟信号X(t)经脉冲序列采样后，成为离散信号x(n)，再量化以后得到取值也是离散化的数字信号。
数据采集是测试系统最主要的基础环节，根据信号的特征和测试的的，模拟 信号可以分为三类：
1、对于随时间缓慢变化的信号，本课题所测试的大气温度、大气压力，通常叫做直流信号，对直流信号一般只需要比较慢的采样频率。
2、对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为一个时域信号处理。这时需要比较快的采样频率。如本课题所测试的风速、频率等信号。
3、对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一个
频域信号处理。根据“赖奎斯特”理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大于信号高频率成分的两倍[11]。
第四章 5kW风力发电机风场测试实验
4.1 风场测试内容
风场测试实验符合风力发电机的实际应用情况，实验可以测定风力发电系统在不同温度、压力、风速条件下发电机的输出功率，通过测试结果可以进行该风力发电系统输出特性分析。本文主要进行5kW 风力发电机的野外风场测试实验。其中测试工作包括实验基地选取，风力发电机的设计与安装，实验设备的调试，实验数据的采集以及存储，最终的数据处理以及结果分析。实验过程中主要测试风力发电机输出电流、电压和发电机输出电功率以及大气的温度、大气压力、风速等性能参数。
4.2 风场测试实验步骤及基本要求
4.2.1 风场测试实验步骤
1、按规范摆放好计算机、测试仪器及其附件；
2、将蓄电池与蓄电池模拟箱并联；
3、连接逆变器与48V 蓄电池；
4、连接风机控制器与蓄电池模拟箱，
5、把传感器与风力发电机各测试部件对应正确地连接起来，用仪与测试仪相连；
6、把风机三相线与风机控制器相连；
7、将接线端子与计算机中的数据采集卡连接起来。
8、按照标准的电气规范，对线路进行检查，确保无误；
9、检查完毕，开启计算机进入测试软件程序；
10、按照风力发电机测试规范的测试步骤对风力机进行测试。
4.2.2 风场测试的基本要求
1、本系统测试精度和准确度必须符合国标对离网型风力发电测试系统的要求；
2、选择和安装符合国标规定的传感器或变送器；
3、有较强的抗干扰性和安全性；
4、风力发电系统各个参数能够同步、实时显示；
5、测试程序具有虚拟显示、分析、处理和存储功能；
6、室外测试时便于携带。
4.2.3 风场实验测试方法
风场实验中将叶片安装在TL1OkW/360V永磁交流发电机上，参照国标GB/T19068.2—2003《小型风力发电机组实验方法》对样机进行整机性能测试。实验样机如图4-1所示：
图4-1 实验样机图
样机安装在内蒙古工业大学能源示范基地。风力发电机外风场测试地点的选择至关重要，因为需要测试风力发电机在各种风速下的输出特性，所以预选站点应具有丰富的风能资源，以便考核风力发电机输出性能。
室外的测试系统应符合风力发电机的实际应用情况，可以得出风力发电系统在不同温度、压力、风速条件下的输出特性。风机测试系统如图4-2。
测试系统的硬件部分由笔记本电脑、测试机箱、DC-Ⅱ型电源模拟器、蓄电池、FDC-Ⅲ型数据采集卡等组成。软件部分是利用当前广为使用的最新图形化编程测试软件—Labview 编写程序，实现对数据采集的控制，显示和存储。测试时，各路模拟标准信号（4－20mA 电流信号 或0－5V 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标定的信号通道的处理，传递给计算机，由软件处理后显示结果。同时实验数据以Excel 电子表格文件存储于计算机硬盘。最后，利用Excel 软件数学计算、分析处理功能得到实验结果。
本章实验所用负载为直流负载（48V 蓄电池并联内蒙古工业大学研制的模拟电池负载），使整个测试过程中蓄电池充电电压在220V 到230V 之间变化，以保证测试结果与风力发电机实际运行情况符合。负载两端的电压、流过负载的电流以及风速、大气温度、大气压力等数据均由虚拟仪器测试系统自动采集。
图4-2 风机测试系统
4.3 消除零点误差的方法
零点误差又称零输入误差，即无被测信号输入时测试系统的响应。在测试系统中零点误差主要包括两个部分。一是测试系统本身所具有的零点误差，如各种模拟电路、传感器及仪器，一般都存在零点误差。二是零输入时引入的外界噪声、干扰误差，即静态噪声和静态干扰误差。
本测试系统考虑到零点误差会随环境的变化而改变，所以将测试系统整体误差统一来考虑，而不考虑中间环节，只考虑测试系统最终输出的零点误差。即让系统预热足够时间后开启测试程序空运行，取一个合理区段的空采样数据去极值后进行加权平均，最后将此数值作为程序中的零点校正值输入并保存。如发现测试系统的零点显示超出测试精度的允许范围则应对本测试系统进行调零，方法如下：
1、使系统处在所测环境下，先打开笔记本电脑中的测试程序, 在程序的“前面板界面下（Front Panel）”，把程序零点修正之中的各输入项下的默认值分别改为“0”.
2、接着将鼠标分别放在输入的各修正值上右击，在出现的对话框中将鼠标放在“数据操作（Data Operations）”上，在随后出现的对话框中点击“当前值设置为默认值（Make Current Value Default）”.
3、最后保存【右击程序界面上方“文件（file ）”，在随后出现的对话框中点击“保存（save ）” 】即可。
4、给测试主机供电, 预热20分钟后，运行测试程序6分钟，取最后5分钟的数据进行加权作为零点修正值，并在程序零点修正值之中的相应项下输入（注意：程序中各项都默认为减去此零点修正值；如需加，则需在各输入的零点修正值前加上 “-”即可）。
5、再重复步骤2、3。
4.4 实验数据处理
根据国标GB/T 19068.2—2003数据采集和处理的要求, 测取机组的输出功率和风速，用比恩法（Bin ）通过计算绘制特性图线。
测试标准要求，机组正常工作时，从切入风速至切出风速的整个范围内，由计算机同步采集风速，输出电功率。
本测试实验，采样频率定为每秒钟200次，平均周期定为1秒。
1、比恩法（Bin ）法处理方法
在一个很大的风速范围内，所述实验需采集大量的包括风速和对应风能转换装置输出功率在内的各种参数数据，同时也要采集一些有关大气温度，大气压力数据。在实验现场测得的风速/功率输出数据往往具有很大的分散性，所以采用了“比恩法（Bin ）的简单的相关处理方法。
1） 推荐比恩范围 3m/s 到 18m/s；
2） 平均风速小于或者等于15m/s时，推荐比恩宽度为0.5m/s，平均风速大于15m/s时，推荐比恩区间宽度为1m/s；
3） 平均风速小于或者等于12m/s，每个比恩区间所记录的点数最少为60点；或者最少累积采样10分钟数据。平均风速在大于12m/s，小于等于15m/s时，每个
比恩区间所记录的点数最少为20点，或者最少累积采样5分钟数据。平均风速大于15m/s，时，每个比恩区间所记录的点数最少为10点，或者累积至少2分钟数据；
4） 所有比恩区间组合的采样时间不少于10小时。
2、数据修正
1）当风速传感器安装高度H w 不符合4-1式时，应按4-2式进行修正风速值：
H w = H±0.1D 4-1
式中：H 风轮中心到地面的垂直距离，单位为米（m ）；
D 风轮直径，单位为米（m ）；
H w 风速传感器安装高度，单位为米（m ）。
s =(Hw ) a v 4-2 式中：a 高度幂指数，按GB /T13981中的表取值;
s 修正后的平均风速，单位为m/s；
H w 风速传感器安装高度，单位为米（m ）。
分析本课题的测试地点为草原，地势平坦，在规定范围内无障碍物对其产生影响，因此，高度幂指数取值为1.4。
2）为了对不同地区条件的风力发电机性能进行有效的对比，要对实测的性能参数进行修正，反映在标准条件（海平面15ºC 状态下）下的工作状态, 即平均功率修正到标准大气状态下的平均功率：
ρT =1.225 ⎛288. 15⎫⎪⎝T ⎭⎛P ⎫ ⎪ 101. 325⎪ 4-3
⎝⎭
式中：ρT —实验时的空气密度，kg/m3； —大气热力学温度，K ；
—大气压力，KPa
通过下述公式对每一区间内的输出功率进行修正[17]
⎡1. 225⎤ s =T ⎢⎥ ⎣ρT ⎦4-4
式中：S —已经按标准条件修正过的输出功率，W ；
T —未经修正过的输出功率，W ；
本文用Excel 软件对所得室外实验数据进行修正处理并作图，而得出风力机输入输出特性，即可得到 “功率—风速”“效率—风速”的曲线。
4.5 实验结果分析
4.5.1 风机的输出功率分析
根据上述的测试方法，在外场条件下，对风机的输出功率进行了测试，如图4-3(系列1是实测功率—风速曲线， 系列2是修正功率—风速曲线) ：
图4-3 风机的实测功率
由图4-3可见，当发电机电压从无到有，风轮已启动旋转，取此风速作为启动风速。如图可知，风机在一开便时启动，额定风速V=10m/s时功率达到5006W ，因为没有相关数据，所以没有功率修正曲线。但是通过分析可以得到，标准条件下，在同一个风速点，风力发电机输出的功率，要比在当地条件输出的功率高。因为测试地点海拔高度大约在1000m 左右，常年空气密度在1.18左右，影响了风力发电机的功率输出。
4.5.2 风机效率分析
图4-4为风机效率曲线。
在风速为5m/s到8m/s时随着风速的增加，转速也在增加，叶尖速比基本上保持不变，风机在最佳尖速比附近运行，基本上都在相对较高效率点运行。
在风速大于10m/s时，风机效率比较低，即风机大风时的失速性能比较好。
图4-4 风机效率曲线
第五章 总结
80年代生产的小型风力发电机就性能而言当前的风机也存在以下不足：限速性能差、控制方法单一、泄荷方式单一和稳压特性差等。因此，研究开发小叶片高功率、自动刹车、改善泄荷方式的小型风力机具有十分重要的现实意义。而要达到以上目标，开发和完善现有的小型风力发电机性能测试系统是必要的。
就小型风力发电机数据处理方法而言，在很大的风速范围内，实验需采集大量各种参数数据，在实验现场测得的风速、输出功率数据往往具有很大的分散性。而对小型风力发电机输出特性而言，得出风力发电机功率输出曲线和效率曲线，对分析和评估小型风力发电机具有十分重要的现实意义。
本课题在内蒙古工业大学示范基地对风机进行整机性能测试。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。对分析和评估小型风力发电机具有十分重要的现实意义。
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[20] 范源，刘志璋 基于LabVIEW 的离网型风力发电机测试 内蒙古工业大学能源与动力工程学院自然能源研究所
谢辞
本文是在我的导师包道日娜教授的悉心指导和帮助下完成的，是我在大学这几年期间认真学习，勤奋工作的总结，也是我这些年来在包老师全力支持和谆谆教诲下取得的成果，包老师严谨的治学精神，渊博的专业知识，正直的人品给予我深刻的影响，在此表示衷心的感谢!
同时，感谢继续教育学院各位领导和老师为我提供这几年优越的学习环境， 有机会受到了几乎每一位老师的关心教诲和热心指导，这里再次向各位尊敬的师 长表示我内心深深的敬意和感激!