CN109779850B - 一种风力机风轮试验的尖速比控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风洞试验技术领域，公开了一种风力机风轮试验的尖速比控制系统及方法；尖速比设定模块，用于接受尖速比设定值，并根据尖速比设定值计算出来流风速和风轮转速值的系列匹配关系作为控制目标，并将系列匹配关系输入到目标监测模块；目标监测模块，用于实时监测风轮转速和来流风速，依据这两个参数的实测值计算得到实时的尖速比，并与尖速比设定模块的输入进行对比，判断结果输入到控制器；控制器，根据判断结果，决定采用驱动模式或制动模式，并将指令分别发送到驱动模式模块或制动模式模块；控制器在全控制过程中接受实时监测值和判断结果，并实时进行模式选取或切换。本发明尖速比控制精度达到0.2％，较传统控制技术提高2倍以上。

Description

一种风力机风轮试验的尖速比控制系统及方法

技术领域

本发明属于风力机风洞试验技术领域，尤其涉及一种风力机风轮试验的尖速比控制系统及方法。

背景技术

风力机设计时，需要考虑不同风速下，叶片和风轮气动性能随尖速比变化的规律。相应地，在风力机风洞试验中，要在各种来流风速下控制风轮转速，实现所需的尖速比条件模拟。目前，业内常用技术主要包括两种尖速比调节方式。一种是使用“发电机(+控制器或整流桥)+可调电阻型负载”的方式控制风轮尖速比。启动风洞达到预定风速，气流驱动风轮旋转，用发电机将风轮旋转机械能转换为电能，用电阻型负载消耗掉多余能量，实现风轮转速和尖速比控制。该方案常因两种因素造成特定量值尖速比模拟缺失：(1)在特定尖速比条件下叶片和风轮气动力对于转速变化较敏感，进入某些风轮转速区间时，气动力随风轮转速而产生明显的变化，风轮扭矩的快速增大或减小使风轮转速控制难度增加。当风轮的气动力和力矩随转速变化的特性与发电机转速特性耦合时，风轮转速会急升或骤降，调节负载进行转速控制时很容易出现超调，难以使风轮尖速比稳定在所需的数值下，往往需要放宽判稳阀值才能使转速在设定值附近区域波动，造成控制精度明显降低；(2)在低风速条件下风轮气动力较小，难以克服发电机和传动系统的阻力矩，风轮不能启动或达不到所需的转速，不能满足低风速下的尖速比条件，不能全面评估风轮和叶片在低风速下的气动特性。另一种方式是采用电动机直接驱动风轮旋转，通过强行匹配风轮转速和来流风速模拟尖速比。这种控制方式下，只能在较低的来流风速下进行尖速比模拟，试验雷诺数较低，不能反映风轮真实的工作特性；风速较高时，气动力矩能够满足甚至超出风轮旋转所需，很容易因飞车造成设备损坏。而且，风洞试验中风轮转速改变所需的能量主要受电机输入控制，而非主要由气流输入控制，因此大部分情况下风轮转速改变过程中的气动机理无法正确模拟，无法进行可靠的动态测试。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)采用“发电机+负载”方式控制尖速比，进入特定的风轮转速区域时，风轮转速波动较大，极易超调，难以对尖速比进行稳定、精确的控制；低风速下风轮无法启动或达不到所需转速。该技术存在问题是：在上述两种状况下，无法满足对应的尖速比模拟要求，影响风轮性能评估的完整性。

(2)采用电动机直接带动风轮，通过强行匹配风轮转速和来流风速模拟尖速比，仅能在低风速下进行尖速比模拟试验。该技术存在问题是：试验雷诺数偏低；不能满足动态试验要求；较高风速对应的工况无法模拟。

解决上述技术问题的难度：

(1)现有单一控制方式不能覆盖所有工况下的尖速比需求，特定工况的控制精度已无法进一步提高。

(2)在风洞试验过程中，需要利用同一套试验装置实现风轮驱动和制动的切换，才能覆盖尖速比模拟范围。但没有现成的技术可供借鉴。

解决上述技术问题的意义：

本发明针对风力机风洞试验现有的风轮尖速比模拟技术缺陷，解决了尖速比模拟工况不完整、试验雷诺数偏低、动态过程气动机理模拟错误等技术问题，不仅覆盖了风轮尖速比模拟范围，改善了控制精度；而且在绝大多数工况下实现了动态过程的正确模拟，提高了试验数据的完整性和可靠性，提高了风力机风洞试验能力；能够为风力机叶片和风轮气动特性评估和优化提供有力支撑。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风力机风洞试验时风轮尖速比控制的系统及方法。

本发明是这样实现的，一种风力机风轮试验的尖速比控制系统，所述风力机风轮试验的尖速比控制系统包括：尖速比设定模块、目标监测模块、控制器。

进一步，所述目标监测模块包括：风轮转速传感器和来流风速传感器。

进一步，所述控制器包括：分配模块、驱动模式模块和制动模式模块。

进一步，所述驱动模式模块包括：变频调速控制模块、旋转变压器、相位传感器、转速传感器。

进一步，所述制动模式模块包括：电阻调节模块、温度传感器、功率消耗模块。

尖速比设定模块接受尖速比设定值，并根据尖速比设定值计算出来流风速和风轮转速值的系列匹配关系作为控制目标，并将系列匹配关系输入到目标监测模块；

目标监测模块用于实时监测风轮转速和来流风速，依据这两个参数的实测值计算得到实时的尖速比，并与尖速比设定模块的输入进行对比，判断结果输入到控制器；

控制器根据判断结果，决定采用驱动模式或制动模式，并将指令分别发送到驱动模式模块或制动模式模块。控制器在全控制过程中接受实时监测值和判断结果，并实时进行模式选取或切换；

驱动模块接受指令后，根据监测模块提供的控制量，增大或减小永磁交流伺服电机功率，从而提高或降低转速；

制动模块接受指令后，根据监测模块提供的控制量，增大或减小电阻负载值，从而降低或提高转速。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述的风力机风轮试验的尖速比控制系统的风力机风轮试验的尖速比控制方法，所述风力机风轮试验的尖速比控制方法包括；在低风速条件下处于驱动模式、高风速下处于制动模式；具体包括：

(1)根据尖速比要求，输入设定的来流风速条件和风轮转速条件；

(2)启动永磁交流伺服电机，通过分配模块指令进入驱动模式，控制永磁交流伺服电机驱使风轮达到设定转速的90％；

(3)启动风洞动力系统，逐步提高来流风速，并实时监控风轮转速和来流风速；

(4)若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续逐步提高风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速，继续逐步提高风速，直至来流风速达到设定值；

(5)在试验过程中，由制动模式进入驱动模式后，若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值。

进一步，所述风力机风轮试验的尖速比控制方法的制动模式切换方法包括：

(1)如果驱动模式下无法使风轮转速降低，当风轮转速不受控制达到设定值的105％时，分配模块下达制动模式的指令，此后，电机反向输出电流，通过电阻调节模块，用电阻负载消耗多余的能量；

(2)当处于制动模式时，风轮转速稳定后，若未达到设定值的，则继续调节来流风速直至设定值；若转速超过设定值，则调节电阻负载，使风轮转速降低，同时继续调节来流风速；当流风速调至设定值时，可调节风轮转速至设定值。

(3)如果进入气动力突变的区域，风轮转速可能随来流风速的变化突升，此时可手动调节负载使风轮转速降至设定值60％或更低，此后再按照(2)继续调节来流风速和风轮转速至设定值。

(4)制动模式下，当空载状态不能达到设定转速时，通过分配模快控制进入驱动模式。

进一步，所述风力机风轮试验的尖速比控制方法的制动控制原理为：系统处于制动模式时，交流伺服电机处于发电状态，则中间直流侧电压大于额定电压，接通可调电阻负载，电阻将消耗掉电机产生的电能，控制住电机的转速。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明基于带有制动功能的永磁交流伺服系统，配置控制模块及可无级调节的电阻负载系统；常规工况下采用制动工作模式，在特定转速区域切换至驱动工作模式，解决了传统技术的特定量值尖速比模拟缺失问题，实现了风轮稳速转定前提下的尖速比全范围模拟；尖速比控制精度达到0.2％，较传统控制技术提高2倍以上；准确模拟了变尖速变化过程中风力机风轮的动态特性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风力机风轮试验的尖速比控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的利用可调电阻实现制动模式控制的电路图。

图3是本发明实施例提供的主回路电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的风力机风轮试验的尖速比控制系统包括：尖速比设定模块、目标监测模块、控制器。

尖速比设定模块接受尖速比设定值，并根据尖速比设定值计算出来流风速和风轮转速值的系列匹配关系作为控制目标，并将系列匹配关系输入到目标监测模块；

目标监测模块用于实时监测风轮转速和来流风速，依据这两个参数的实测值计算得到实时的尖速比，并与尖速比设定模块的输入进行对比，判断结果输入到控制器；

控制器根据判断结果，决定采用驱动模式或制动模式，并将指令分别发送到驱动模式模块或制动模式模块。控制器在全控制过程中接受实时监测值和判断结果，并实时进行模式选取或切换；

驱动模块接受指令后，根据监测模块提供的控制量，增大或减小永磁交流伺服电机功率，从而提高或降低转速；

制动模块接受指令后，根据监测模块提供的控制量，增大或减小电阻负载值，从而降低或提高转速。

目标监测模块包括：风轮转速传感器和来流风速传感器。

控制器包括：分配模块、驱动模式模块和制动模式模块。

驱动模式模块包括：变频调速控制模块、旋转变压器、相位传感器、转速传感器。

制动模式模块包括：电阻调节模块、温度传感器、功率消耗模块。

监测传感器2个，分别为风轮转速传感器和来流风速传感器，此为控制输入；交流伺服电动机；控制器，包括分配模块(控制驱动/制动模式切换)，电阻调节模块和温度传感器、功率消耗构成制动工作模块，变频调速控制模块、旋转变压器、(转子)相位传感器、转速传感器构成驱动工作模块。

基于带有制动功能的永磁交流伺服系统，配置控制模块及可无级调节的电阻负载系统；常规工况下采用制动工作模式，在特定转速区域切换至驱动工作模式。

对于大多数风力机，本系统在低风速条件下处于驱动模式，高风速下处于制动模式。驱动模式下的一般工作过程：

(Q1)根据尖速比要求，输入设定的来流风速条件和风轮转速条件；

(Q2)启动永磁交流伺服电机，通过分配模块指令进入驱动模式，控制永磁交流伺服电机驱使风轮达到设定转速的90％；

(Q3)启动风洞动力系统，逐步提高来流风速，并实时监控风轮转速和来流风速；

(Q4)若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续逐步提高风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速至设定值，继续逐步提高风速，直至来流风速也达到设定值；

(Q5)在试验过程中，由制动模式进入驱动模式后，若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值。

制动模式切换及工作过程：

(Z1)如果驱动模式下无法使风轮转速降低，当风轮转速不受控制达到设定值的105％时，分配模块下达制动模式的指令，此后，电机反向输出电流，通过电阻调节模块，用电阻负载消耗多余的能量。

(Z2)当处于制动模式时，风轮转速稳定后，若未达到设定值的，则继续调节来流风速直至设定值；若转速超过设定值，则调节电阻负载，使风轮转速降低，同时继续调节来流风速。当来流风速调至设定值时，可调节风轮转速至设定值。

(Z3)如果进入气动力突变的区域，风轮转速可能随来流风速的变化突升，此时可手动调节负载使风轮转速降至设定值60％或更低，此后再按照步骤Z2继续调节来流风速和风轮转速至设定值。

(Z4)制动模式下，当空载状态不能达到设定转速时，通过分配模快控制进入驱动模式。

如图2所示，本发明提供的制动控制原理为：系统处于制动模式时，交流伺服电机处于发电状态，则中间直流侧电压大于额定电压，接通可调电阻负载，电阻将消耗掉电机产生的电能，从而控制住电机的转速。

利用本发明系统及方法，组成了一个在给定来流风速条件下，仅通过风轮转速调节尖速比的装置。图3为主回路电路原理图。系统由一台艾默生CT公司的SP3403驱动器、可调电阻型负载(0～25kW)、一台特种交流伺服电机(额定功率18kW，最大转速13000rpm)、一台Schaffner公司的4200-6305正弦波进线滤波器、单机水冷装置(水冷却量约为3L/min)及逻辑控制电路等组成。

驱动模式主回路电路原理图见图1。系统主回路中，三相工频交流电源经滤波器、空气断路器进入驱动器，通过交-直-交变频、变压后，驱动电机运转。通过驱动器控制键盘SM-Keypad进行给定，并进行参数设置，在控制回路中，速度给定和来自电机旋转变压器反馈信号一同送至驱动器的速度调节器进行比较，运算后作为电机频率给定信号送至微处理器，微处理器对频率给定和电机频率/电压关系、电机电流进行综合运算，处理后控制逆变器的输出频率和电压，使电机按给定转速稳定运行。使用外置24V控制电源，主电源断电时可向驱动器控制电路供电，可使得现场总线模块、应用模块、编码器以及串行通信继续工作，还可查看及修改驱动器参数。其中，因电机的旋变反馈模块需要提供两种不同电压，特研制了220VAC转换为±12VDC再转为7V/6kHz激磁供电模块。

制动模式电路原理图见图2：系统处于制动模式时，交流伺服电机处于发电状态，则中间直流侧电压大于额定电压，接通可调电阻负载。根据监测模块提供的控制量，增大或减小电阻负载值，从而降低或提高风轮转速。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种风力机风轮试验的尖速比控制系统，其特征在于，所述风力机风轮试验的尖速比控制系统包括：尖速比设定模块、目标监测模块、控制器；

尖速比设定模块，用于接受尖速比设定值，并根据尖速比设定值计算出来流风速和风轮转速值的系列匹配关系作为控制目标，并将系列匹配关系输入到目标监测模块；

目标监测模块，用于实时监测风轮转速和来流风速，依据这两个参数的实测值计算得到实时的尖速比，并与尖速比设定模块的输入进行对比，判断结果输入到控制器；

控制器，根据判断结果，决定采用驱动模式或制动模式，并将指令分别发送到驱动模式模块或制动模式模块；控制器在全控制过程中接受实时监测值和判断结果，并实时进行模式选取或切换；

所述控制器运行风力机风轮试验的尖速比控制方法，包括；在低风速条件下处于驱动模式、高风速下处于制动模式；具体包括：

(1)根据尖速比要求，输入设定的来流风速条件和风轮转速条件；

(2)启动永磁交流伺服电机，通过分配模块指令进入驱动模式，控制永磁交流伺服电机驱使风轮达到设定转速的90％；

(3)启动风洞动力系统，提高来流风速，并实时监控风轮转速和来流风速；

(4)若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续提高风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速，继续逐步提高风速，直至来流风速达到设定值；

(5)在试验过程中，由制动模式进入驱动模式后，若风轮转速传感器判定转速低于设定值，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值，并通过变频调速控制模块调节风轮转速至设定值；若风轮转速传感器判定转速高于设定值，通过变频调速控制模块降低风轮转速，继续逐步调节风速，直至来流风速达到设定值；

所述风力机风轮试验的尖速比控制方法的制动模式切换方法包括：

(1)如果驱动模式下无法使风轮转速降低，当风轮转速不受控制达到设定值的105％时，分配模块下达制动模式的指令，此后，电机反向输出电流，通过电阻调节模块，用电阻负载消耗多余的能量；

(2)当处于制动模式时，风轮转速稳定后，若未达到设定值的，则继续调节来流风速直至设定值；若转速超过设定值，则调节电阻负载，使风轮转速降低，同时继续调节来流风速；当来 流风速调至设定值时，可调节风轮转速至设定值；

(3)如果进入气动力突变的区域，风轮转速可能随来流风速的变化突升，此时可手动调节负载使风轮转速降至设定值60％或更低，此后再按照步骤(2)继续调节来流风速和风轮转速至设定值；

(4)制动模式下，当空载状态不能达到设定转速时，通过分配模块控制进入驱动模式；

所述目标监测模块包括：风轮转速传感器和来流风速传感器；

所述控制器包括：分配模块、驱动模式模块和制动模式模块；

驱动模式模块，接受指令后，根据目标监测模块提供的控制量，增大或减小永磁交流伺服电机功率；

制动模式模块，接受指令后，根据监测模块提供的控制量，增大或减小电阻负载值；

所述驱动模式模块包括：变频调速控制模块、旋转变压器、相位传感器、转速传感器；

所述制动模式模块包括：电阻调节模块、温度传感器、功率消耗模块。

2.如权利要求1所述的风力机风轮试验的尖速比控制系统，其特征在于，所述风力机风轮试验的尖速比控制方法的制动控制原理为：系统处于制动模式时，交流伺服电机处于发电状态，则中间直流侧电压大于额定电压，接通可调电阻负载，电阻将消耗掉电机产生的电能，控制住电机的转速。

3.一种应用权利要求1所述风力机风轮试验的尖速比控制系统的风力机风洞试验平台。

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