垂直轴风电机组数据采集系统的研究与设计

　　成  义，茅靖峰，吴国庆，吴爱华，张旭东，杨  蛟

　　（南通大学 电气工程学院，江苏 南通226019）

　　摘  要： 针对机组工作性能评估与现场运行参数测试的实际应用需求，分析研究了机组的基本测试特性内容及其数据采集原理。为了避免传统人工测试方式存在的传感器布线复杂、劳动强度高、数据精度分散性大、安全性差等不足，设计了一套基于LabVIEW和WiFi无线通信技术的垂直轴风力发电机组测试数据采集系统。系统将数据采集前端采集到的数据经TCP/IP协议传送至上位机，上位机采用图形化编程语言模块化开发，实现对机组测试数据的智能化采集和处理，并有利于功能的进一步拓展。试验结果验证了该数据采集系统设计的正确及有效性。

　　关键词： 垂直轴风力机；风力发电；测试系统；测试系统；WiFi通信

0 引言

　　全球风力发电产业在目前一次能源供应日趋紧张，以及人们生态环保意识不断增强的大背景下得到了持续快速的发展，截至2015年底，全球风电累计装机容量已超过432吉瓦，年新增装机容量63吉瓦，市场年增长率达到22%[1]。我国风电产业作为全球风电最为活跃的场所，在积极推动大型风电基地建设的同时，对靠近负荷中心的分散式风电和低风速风电产业，给予了进一步的重视。

　　垂直轴风力发电机组是一种低风速风电机型，其风轮旋转轴与风向垂直，风轮的转动方向与风向无关，相比于水平轴风力发电机组具有结构简单、噪音低、安全性好、易维护等优点[2-7]，目前逐渐在分散式风电和低风速风电产业中，以独立运行风电系统、多源互补分布式电源系统，以及能源建筑一体化系统等发电形式，获得了越来越广泛的关注和应用[8-10]。

　　垂直轴风力发电机组属于大型旋转设备，安装运行位置特殊，采用传统的人工有线测试方式，存在劳动强度高、数据精度分散性大、布线复杂、成本高、安全性差等不足。为此，本文依据机组运行的工作原理，结合国标《离网型风力发电机组 第2部分：试验方法部分(GB/T 19068.2-2003)》给出的测试要求，设计了一套基于LabVIEW软件平台和WiFi无线通信技术的垂直轴风力发电综合智能测试数据采集系统，实现机组气动和电气性能的自动连续无线测量，以应对垂直轴风力发电机组工作性能评估与现场运行参数测试的实际应用需求。

1 垂直轴风力发电机组测试原理

　　1.1 机组测试需求分析

　　垂直轴风力发电机组的一般组成结构如图1所示。

图1  垂直轴风力发电机组组成

　　如图1所示，垂直轴风力发电机组在风速v的带动下风轮以角速度ω旋转，将风功率Pa转变为旋转主轴上的机械功率Pm，发电机转子在旋转主轴带动下以转速n旋转，并在风力发电控制器及功率变换系统的控制下，将机械功率Pm转变为电功率Pe，最后经过电力配电接口输送给用户负载使用或并入电力系统。

　　实际运行的垂直轴风力发电系统，垂直轴风力机风轮、发电机和控制器具有多种形式，机电连接结构各异，因此，为了评估发电系统的整体效能，风轮本身的启动风速、空气动力特性、机械输出特性，以及机组的切入风速值、功率输出特性和效率等指标需要进行具体监测和分析评估。

　　1.2 测试数据采集原理

　　1.2.1 风功率方程与基本风速

　　风速是决定风功率大小的重要因素，根据空气动力学原理，在垂直轴风力机风轮进风方向的风功率Pa，以及能够被风轮捕获得到的机械功率Pm分别表示为：

　　式中：v为风速；为空气密度，在标准大气压、15 ℃条件时，；R和H分别为垂直轴风轮半径和高度；Cp为风能利用率系数。

　　为了反映风轮总摩擦损耗和机组电气损耗基本量的大小，在机组空载时，观测能够使风轮开始旋转的最小风速，记录为启动风速vs；在机组连接负载情况下，观测功率变换系统在额定电压下有功率输出时的最小风速，记录为切入风速vcutin。

　　1.2.2 风轮空气动力特性

　　空气动力特性反映了风轮本身吸收风功率Pa强弱的能力，由函数f(λ，Cm)和f(λ，Cp)表示。

　　这两个函数是风轮叶尖速度比λ分别与其相对力矩系数Cm和风能利用率系数Cp之间的关系曲线，由基本原理可知：

　　式中：ω为风轮旋转角速度，n为风轮转速，Tm为风轮转轴扭矩，Tm=Pa/ω(Nm)。

　　为此，根据式(3)~式(6)，该特性曲线需要采集的状态量包括风速、大气密度、风轮角速度、风轮转轴扭矩等。

　　1.2.3 风轮机械输出特性

　　风轮机械输出特性反映了在各种风速v条件下，风轮机转速n与其旋转主轴机械功率Pm的关系，由函数f(n，Pm)表示。

　　该函数是一组曲线簇，可利用f(λ，Cm)特性曲线，取风速v在切入风速vcutin至额定风速vrated区间内，λ在其最优值λopt附近条件下，按照式（2）和式（7）计算风轮的机械输出功率Pm和转速n：

2 测试系统总体设计

　　垂直轴风力发电机组测试系统通过气温、气压、风速、扭矩、频率、电压和电流等分布式传感器检测出现场各类物理量信号，再通过相关功能电路完成对被监测信号的采集、变送、分析、计算、显示和存储，其总体组成结构如图2所示。

图2  测试数据采集系统结构图

　　图2中，分布式传感器、信号调理电路、数据采集微处理单元与WiFi通信模块构成了风力发电监测系统的数据采集前端硬件系统，上位机测试分析平台则由计算机及LabVIEW软件编程来实现。

3 数据采集前端系统设计

　　3.1 硬件设计

　　数据采集前端以MSP430微控器为核心设计，放置于垂直轴风力发电机组设备现场，系统将分布式传感器输出的各类模拟和数字信号经过调理变送、驱动整形，变换成由数据采集微处理单元临时存储的带格式数字量信号，再由无线通信接口，按要求发送给上位机数据处理系统。

　　风速传感器的输出是与风速v大小成比例的TTL频率信号，为了避免长线传输的信号衰减，调理电路利用定时芯片NE555，将其高触发端TH和低触发端TR连接起来作为信号输入端，构成施密特触发器，在MSP430微控器数字接口前端对风速传感器输出的信号进行整波，风速传感器调理电路如图3所示。

　　数据采集前端采用UART转WiFi无线通信模块USR-WIFI232，实现与上位机无线网卡的数据传输通信。该无线通信模块最高波特率450 kb/s，可选TCP Server/TCP Client/UDP Server/UDP Client工作模式，TCP Server模式时可支持多达32个Client连接，有效通信距离达400 m，技术指标满足本系统设计所需。

　　在本文中，MSP430微处理器的UART串口连接到该无线模块，无线模块设置为透明传输模式，使用IE浏览器Web方式进行相关参数设置，可实现与上位机的数据通信。

　　3.2 软件设计

　　数据采集前端MSP430微控器与上位机采用半双工通信模式，上位机设定为通信主站，数据采集前端设定为通信从站，收与发的来回时序关系严密，因此，MSP430软件需严格按照通信协议编写。通信协议中定义2类通信帧：信令帧（命令数据的发送格式）、数据帧（数据传输的发送格式）。

4 上位机监测系统设计

　　4.1 系统功能结构

　　应用LabVIEW图形化编程语言进行监测系统的软件开发。系统采用模块化方式设计，系统功能结构如图4所示。其中参数设置界面可以设置相应通信接口、网络配置、采样周期、存储路径、报警上下限等，保证系统正常运行；实时数据监测界面对风力发电机组运行过程实时监测，包括风速、转速、扭矩、电压、电流等，即时地显示机组的运行状态曲线；历史数据查询界面能够查看保存在Access数据库中的机组运行数据和环境参数信息，并具有查询相应时间区间信息的功能；特性曲线界面可将保存的数据进行相应处理，获得相应的特性曲线，给出机组的基本性能参数。

图4  系统功能结构图

　　4.2 主程序流程

　　软件系统采用“事件触发”的方式编写。当上位机处于数据采集前端WiFi无线网络覆盖范围内时，通过搜索查找数据采集前端无线IP地址10.10.100.255并与之建立连接，如果WiFi网络连接成功，则返回“网络连接成功”消息。此时，上位机保持向数据采集前端发送关断指令，使数据采集前端依然处于低功耗休眠状态。当“开始监测”事件触发后，上位机则向数据采集前端周期性发送打开指令，直到收到数据采集前端的激活确认符为止，此时“接收”事件自动触发，程序开始接收数据采集前端所传来的数据并将数据实时显示和储存。当“停止监测”事件触发后，程序则向数据采集前端周期性发送关断指令，使下位机重新处于休眠状态。上位机通信程序流程如图5所示。

图5  上位机通信程序流程

　　4.3 编程实现

　　上位机程序的WiFi无线通信功能主要通过LabVIEW软件开发系统中自带的TCP函数和VI子程序来实现。

　　对于系统的前面板的设计，采用Windows多页面风格布局。将整个程序分成实时数据、历史数据、特性曲线和参数设置等多个页面，方便在前面板进行整合和布局。最终的前面板设计显示效果如图6所示。

图6  前面板显示图

5 试验结果

　　通过吹风机给垂直轴风力发电机组提供风速，在风速v由7.5 m/s～5 m/s变化条件下，测试系统数据采集获得的风速和风轮转速响应曲线如图7、图8所示。

时间

图7  风速

时间

图8  风轮转速

　　在绘制风轮空气动力特性曲线时，按照国家标准（GB/T 19068.2-2003）的试验方法，使风轮空载、制动、迎风，松开制动，自风轮起动到同步转速的全过程，连续采样，每0.5 s同步测取风速、风轮转速，试验时风速变化幅值应小于0.5 m/s，保存数据，经处理得到的特性曲线如图9所示。利用绘制的风轮空气动力特性曲线，分别取风速v在5 m/s、10 m/s、15 m/s条件，在每种风速下改变负载功率，使得λ变化范围在0～3.4区间，保存数据、绘制曲线簇、连接各曲线顶点即是风轮机械输出特性曲线，如图10所示。经过与风轮设计阶段的CFD计算机仿真数据对比，证明了测试曲线的正确性。

图9  风轮空气动力特性曲线图

图10  风轮机械输出特性曲线

6 结束语

　　本文分析垂直轴风力发电机组的测试工作原理，依据国标要求，应用LabVIEW和WiFi技术设计了机组测试数据的无线采集系统，能够将风速、转速、扭矩、电压和电流等运行数据以无线的方式传输到上位机监控系统，实现多节点多状态数据的实时采集、显示及储存，不但降低了线路布设与维护成本，还提高了采集系统的灵活性、可拓展性和易维护性。试验结果验证了该测试数据采集系统的正确有效性。系统为垂直轴风力发电机组的进一步研究和优化提供了有效测试技术手段。

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