兆瓦级风力发电机组检测试验风洞设计

王 营， 王 斌， 张利强， 文 武， 夏 青

（1.中机生产力促进中心， 北京 100044； 2. 北京机械工业自动化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

风力发电机组控制系统工作的安全可靠性问题，已经成为风力发电系统能否发挥作用， 甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中， 控制系统比较容易实现用户提出的功能上的要求， 但直接影响风力发电机组的运行效率，往往不是控制系统功能，而是它的可靠性。对于风力发电机组控制系统的设计者和使用者来说，系统的安全可靠性是重中之重。

风能具有很强的波动性、间歇性特点，控制系统的研发调试受到现场气候环境的制约， 采取拖动电机模拟风场并不能够完全满足控制系统可靠性测试需求， 本文设计开发风电机组检测试验风洞， 兼顾产品研发和产品测试两项功能， 能够尽可能地模拟实际风电机组的运行状况，获取最真实的试验数据，减少投资。

1 流场品质

1.1 气流稳定性（η）

气流稳定性指气流的动压q 或速度随时间而脉动的情况，即：

1.2 速度的均匀性（σV）

速度的均匀性用模型区各点的气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根表示：

1.3 方向均匀性（△α，△β）

方向均匀性指的是试验段内沿轴向气流与地轴之间的夹角：

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）

湍流度定义为三个方向脉动均方根值的平均值：

1.5 轴向静压梯度

轴向静压梯度是由于洞壁边界层的形成，有效流动截面减小，沿风洞轴向压力不断降低形成压力梯度，要求：

1.6 能量比

能量比定义为试验段动能流率与动力系统输入功率之比：

其中：ρ—空气密度；V—试验段风速；F—试验段截面积；E—电压；I—电流。

2 控制率方案

为实现机组控制功能，制定了仿真测试控制率方案，如图1 所示。 首先建立小型风洞，模拟自然界风况，通过传感器将信号输送给变送器，然后通过PI 调节，将信号一方面传给变频器， 从而控制风机运行， 另一方面利用PC 机进行组态记录，最终通过上位机进行显示。

图1 控制率方案Fig.1 Control rate scheme

3 风洞试验测试

3.1 测试系统构成

根据试验工况，分别制作了方筒、圆筒吹风试验平台进行试验验证。 试验测试系统如图2 所示。

图2 风洞试验测试系统Fig.2 Wind tunnel test system

系统总体构成包括风管、变频配电柜、控制柜。 风管起到空气导流及加压提高风速的作用，变频配电柜用于给7 台小风机配电及变频调节风机的转速， 控制柜用于把从风管中采集的信号经PI 调节转化的电信号送给变频器以调节风机转速以及控制变频配电柜中继电器的通断。配电柜结构如图3 所示，控制柜结构如图4 所示。

图3 配电柜结构布局图Fig.3 Structure layout of distribution cabinet

图4 控制柜结构布局图Fig.4 Structural layout of control cabinet

接线端子排左侧接380V 交流电，中间接线端子排下端接7 台电机的指示灯和变频器指示灯， 上端连接到控制柜，从而在上位机上显示出7 台风机和变频器的工作状态。 右侧接线端子排下端接2 台变频器的交流接触器和7台风机的带热继保护的交流接触器以及变频器的频率控制端。 上端接PLC 数字输出端以及PLC 模拟输出端。

变频器在基频以下采用恒压频比（V/f）控制算法，即磁通恒定时转矩也恒定，属于恒转矩调速。 在基频以上，转速升高时转矩降低，属于恒功率调速。恒压频比（V/f）控制仅对电压电流的幅值大小和频率高低进行控制， 不对相位进行控制，即标量控制。

控制柜的控制过程为通过风速传感器采集风速信号，将其转变为0～10V 电信号，传给PLC 模拟输入端，经过PID 自整定，输出0～10V 电压信号到变频器的控制端，转变成频率信号，从而控制风机的风速。

3.2 试验数据以及结果分析

图5 为圆筒吹风测试试验数据以及结果分析， 图6为方管吹风测试试验数据以及结果分析。

图5 圆筒风洞测试试验数据及结果分析Fig.5 Data and result analysis of cylinder wind tunnel test

图6 方管风洞测试试验数据及结果分析Fig.6 Test data and result analysis of square tube wind tunnel

结论： 风机的理论风速是风量与风机出口截面积之比，根据质量守恒公式V1S1=V2S2可以计算出风洞的出口风速。 风速的大量损失是由于缩口的制作数据不理想及风机并联效率低的原因所造成。

结论分析： 电机在超过50Hz 之后属于恒功率运行，频率增加，理论上转速也应增加，但是此时电机功率不变，因此转矩下降，同时，对于风机水泵类负载，转速越高，负载越重，相当于阻力越大，电机的转速在到达极限后增幅将会逐渐减小。 当达到60Hz 以上时， 电机的力矩已经不能满足负载的要求，电机的转速降低，风速成下降趋势。

变频器显示的输出频率是电机定子频率，与转子速度是存在转差。 因此，当变频器的输出频率不变时，电机的定子频率也不变。试验所选用的变频器没有使用自动限流功能， 变频器的输出频率恒定，转子速度因为转矩的降低而自动下降。 因此，采用调高频率来提高风速的方法并不可行。

4 结论

通过上述试验测试，对于风洞总体设计方案可以得出以下结论：

整流格栅的网格还需加密，而且要制作三层格栅及整流网。

缩口造成了风速的大量损失，风洞缩口应根据维新斯基曲线来设计，以降低风的湍流度，把风阻减小到最小，提高风速。

由于边界层效应， 随着空气的流动，边界层会逐渐加厚，因此，在试验段风洞要有一定小角度的仰角。

采用吸气式单台风机，设计多个风机桨叶。