本發(fā)明屬于風力發(fā)電以及風洞測試，涉及風電機組模型性能曲線的測量，具體涉及一種測量風電機組模型功率曲線和推力曲線的試驗裝置及方法，解決了在風洞環(huán)境中復雜風電機組模型難以直接測量風輪氣動轉(zhuǎn)矩的問題，通過引入分段摩擦扭矩模型，提高了測量風輪氣動扭矩的準確性。同時，根據(jù)該裝置還提出了測量和修正風力發(fā)電機組模型推力曲線的方法。

背景技術(shù)：

1、當前風洞試驗是研究風電機組氣動及運行特性的有力手段，通過風洞試驗，可以模擬風電機組在實際風場中的運行環(huán)境，從而對其性能進行全面的評估和分析。而在風洞實驗過程中，測量風電機組模型的基本性能曲線對于深刻認識機組特性是至關(guān)重要的，其中功率曲線和推力曲線是兩個關(guān)鍵的性能指標，它們提供了風電機組在不同工況下的性能表現(xiàn)等重要信息。

2、功率曲線反映了風電機組在不同風速下產(chǎn)生的電力輸出，是評估其發(fā)電能力的重要依據(jù)。通過測量風輪的旋轉(zhuǎn)速度和扭矩，可以繪制功率曲線，從而幫助研究人員了解在不同運行條件下風電機組的發(fā)電性能。這一曲線不僅對于風電機組的設(shè)計和優(yōu)化至關(guān)重要，也是風電項目經(jīng)濟性評估的關(guān)鍵參數(shù)。

3、推力曲線則關(guān)注風電機組在不同工況下所受的推力，這也是在實際風場中設(shè)計和部署風電機組時至關(guān)重要的參數(shù)。推力曲線的測量和分析有助于評估風電機組在各種風速下的受力狀況，為設(shè)計和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。此外，推力曲線對于理解風電機組對風場內(nèi)其他機組的氣動影響也具有重要意義。

4、因此，準確測量這些曲線對于確保風電機組安全且高效地運行具有重要意義。然而，盡管風洞試驗在風電領(lǐng)域的應用已相當成熟，但當前在風洞環(huán)境下，對于如何準確測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線的問題并沒有得到很好地解決，主要有以下兩方面原因：

5、(一)當前在風洞環(huán)境下測量功率曲線的方法主要為測量風輪轉(zhuǎn)矩和風輪轉(zhuǎn)速，進而計算輸出功率，測量轉(zhuǎn)矩的難點主要體現(xiàn)在小型風電機組的摩擦轉(zhuǎn)矩相對較大，而當轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器位于主軸中間位置時，難以準確測量傳感器前后的摩擦轉(zhuǎn)矩。這種情況導致獲取完整的轉(zhuǎn)矩分布十分困難，特別是在傳感器測量位置前部的摩擦扭矩難以被有效測量。

6、(二)當前在風洞環(huán)境下測量推力曲線的傳統(tǒng)方法是使用力傳感器測量傳感器及以上部分所受的總推力，并據(jù)此計算推力系數(shù)。然而，這種方法會將輪轂、塔筒等部件所受的氣動推力也包含在內(nèi)，而這部分推力并不屬于風輪的氣動推力，這樣會導致推力系數(shù)被嚴重高估，使得推力曲線測量不準確。

7、綜上所述，當前在風洞環(huán)境下對風電機組模型的性能曲線進行測量，其難點在于缺乏準確測量風電機組模型摩擦轉(zhuǎn)矩的方法，以及準確修正所測推力的方法。這些問題的存在，限制了風電機組設(shè)計優(yōu)化和性能評估的精確度，亟待通過新的測量技術(shù)和方法來解決。在此背景下，開發(fā)一種新的試驗裝置及方法，以準確測量風電機組縮比模型的功率曲線和推力曲線，對于全面評估風電機組性能、指導優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、針對現(xiàn)有風洞環(huán)境下測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線時，難以準確測量風輪氣動扭矩以及力傳感器測量推力時易將非氣動推力計入而導致推力系數(shù)被嚴重高估等問題，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明基于風電機組模型的功率曲線和推力曲線與主軸扭矩分布和風輪所受推力有關(guān)，而轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和電機可以分別測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器處的扭矩和電機處的扭矩，力傳感器可以測得包括力傳感器本身、塔筒、輪轂和風輪所受到的氣動推力，因此本發(fā)明首先提出了一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置，基于該裝置提出了一種測量風電機組縮比模型性能曲線的方法，該方法解決了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器不直接連接風輪轉(zhuǎn)子時，難于直接準確測量風輪氣動扭矩的困難，特別的，該方法適用于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝于風輪和電機之間的任何主軸位置。其次，該方法通過除去力傳感器、塔筒和輪轂所受的氣動推力，進而計算出準確的風輪所受的氣動推力，從而得到準確的ct-λ曲線，解決了在風洞環(huán)境下使用力傳感器所測推力計算推力系數(shù)時，推力系數(shù)被嚴重高估而難以獲得準確ct-λ曲線的困難。

3、(二)技術(shù)方案

4、本發(fā)明為實現(xiàn)其發(fā)明目的、解決其技術(shù)問題具體所采取的技術(shù)方案為：

5、本發(fā)明的第1個發(fā)明目的在于提供一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置，用于在模擬風場環(huán)境下測量風電機組模型的功率曲線和推力曲線，包括風洞、風電機組模型和數(shù)據(jù)采集控制器，其中：

6、--所述風電機組模型，設(shè)置在風洞試驗段內(nèi)并與其尺寸相適配，包括塔架、設(shè)置在塔架頂端的機艙和設(shè)置在機艙前端的風輪，其中，

7、所述塔架的下端通過三分力傳感器固定設(shè)置在風洞試驗段底面上的基礎(chǔ)上，三分力傳感器用于測量風電機組模型在風場作用下所受到的推力載荷，

8、所述風輪包括固定設(shè)置在主軸上的輪轂、以可拆卸方式設(shè)置在輪轂上的風電葉片和固定設(shè)置在輪轂前端的整流罩，所述整流罩內(nèi)設(shè)有若干與各風電葉片一一對應并傳動連接的變槳電機，用于調(diào)整各對應風電葉片的槳矩，

9、所述機艙內(nèi)設(shè)有滑環(huán)、轉(zhuǎn)動支撐裝置及負載電機，所述主軸穿過所述滑環(huán)及轉(zhuǎn)動支撐裝置與負載電機傳動連接，且所述主軸上設(shè)有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器；

10、--所述數(shù)據(jù)采集控制器，用于控制風電機組模型的運行狀態(tài)和采集并處理所需數(shù)據(jù)，包括模型控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，其中，

11、所述模型控制模塊與風電機組模型通信連接，用于根據(jù)預設(shè)的運行工況控制所述風電機組模型的運行狀態(tài)，包括負載電機驅(qū)動器及變槳驅(qū)動器，所述負載電機驅(qū)動器與負載電機通信連接并發(fā)出控制指令，所述變槳驅(qū)動器與各變槳電機通信連接并發(fā)出控制指令，

12、所述數(shù)據(jù)采集模塊包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)采集卡及力數(shù)據(jù)采集卡，所述轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)采集卡與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器通信連接，用于采集所述負載電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及位置數(shù)據(jù)，所述力數(shù)據(jù)采集卡與三分力傳感器通信連接，用于采集所述塔架的氣動推力載荷數(shù)據(jù)，所述氣動推力載荷數(shù)據(jù)包括橫蕩和縱蕩兩個方向的氣動推力fx、fy以及垂蕩一個方向上的氣動力矩mz。

13、本發(fā)明的另一個發(fā)明目的在于提供一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗方法，所述試驗方法基于本發(fā)明的上述試驗裝置開展風電機組模型性能曲線的測量，其特征在于，所述試驗方法在實施時至少包括如下步驟：

14、ss1.建立分段摩擦扭矩模型

15、基于風電機組模型主軸的能量轉(zhuǎn)化路徑，將該路徑上各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩分別定義為風輪氣動轉(zhuǎn)矩trotor、傳感器前部摩擦轉(zhuǎn)矩tf1、傳感器測量轉(zhuǎn)矩tsensor、傳感器后部摩擦扭矩tf2以及電機輸出扭矩tmotor，其中，風輪氣動轉(zhuǎn)矩trotor對應風輪捕獲能量，傳感器前部摩擦轉(zhuǎn)矩tf1對應風輪捕獲能量到達轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器路徑上的摩擦能量損失，傳感器測量轉(zhuǎn)矩tsensor對應轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量得到的轉(zhuǎn)矩，傳感器后部摩擦扭矩tf2對應轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器到達負載電機路徑上的摩擦能量損失，電機輸出扭矩tmotor對應負載電機輸出的能量，

16、規(guī)定風電機組模型正常工作下的風輪旋轉(zhuǎn)方向為扭矩正方向，反方向為扭矩負方向，則傳感器前部摩擦扭矩tf1和后部摩擦扭矩tf2均為負扭矩，各扭矩間滿足tsensor＝trotor+tf1＝-(tmotor+tf2)、trotor+tf1+tf2+tmotor＝0的關(guān)系；

17、ss2.分段摩擦扭矩的測量

18、拆除風電葉片，按照預設(shè)運行參數(shù)啟動試驗裝置直至運行狀態(tài)穩(wěn)定；

19、調(diào)控負載電機的轉(zhuǎn)速使風輪運行于指定轉(zhuǎn)速并進行數(shù)據(jù)的同步采集，所采集的數(shù)據(jù)至少包括負載電機的輸出轉(zhuǎn)矩、實時轉(zhuǎn)速和當前位置，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及三分力傳感器測量的推力氣動載荷數(shù)據(jù)；

20、基于傳感器前部摩擦扭矩滿足tf1＝tsensor，傳感器后部摩擦扭矩滿足tf2＝tsensor+tmotor，通過進行不同轉(zhuǎn)速試驗獲得傳感器前后兩部分摩擦扭矩與轉(zhuǎn)速ω的對應關(guān)系tf1-ω、tf2-ω；

21、ss3.cp-λ曲線的測量

22、安裝風電葉片，按照預設(shè)運行參數(shù)重啟試驗裝置直至運行狀態(tài)穩(wěn)定；

23、控制負載電機的轉(zhuǎn)速使風輪運行于指定轉(zhuǎn)速并進行數(shù)據(jù)的同步采集，所采集的數(shù)據(jù)至少包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器反饋的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，負載電機反饋的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以及三分力傳感器反饋的推力氣動載荷數(shù)據(jù)；

24、根據(jù)所采集的tsensor、tmotor以及所確定的tf1-ω和tf2-ω關(guān)系，求出風輪對應轉(zhuǎn)速下所受轉(zhuǎn)矩trotor，基于求出風輪的功率系數(shù)cp、葉尖速比λ并繪出風電機組模型的cp-λ曲線，其中，ω為風輪的轉(zhuǎn)速，r為風輪的半徑，ρ為空氣密度，v為來流風速，a為風輪掃掠面積；

25、ss4.ct-λ曲線的測量和修正

26、計算輪轂、塔架、三分力傳感器本體這三部分沿流向的投影面積a1、a2、a3以及阻力系數(shù)cd1、cd2、cd3，根據(jù)計算出這三部分所受的氣動推力之和，之后根據(jù)frotor＝fx-ft-other計算風輪所受氣動推力frotor，進而求出風輪的推力系數(shù)根據(jù)求得推力系數(shù)的ct、葉尖速比λ繪出風電機組模型的ct-λ曲線。

27、(三)技術(shù)效果

28、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法具有顯著的技術(shù)效果：

29、(1)本發(fā)明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，適用于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝于主軸任何位置的情況，有效解決了傳統(tǒng)方法中轉(zhuǎn)矩傳感器必須直接與風輪轉(zhuǎn)子連接的限制。這種靈活的安裝方式允許在不同位置對摩擦扭矩進行精確測量，從而可準確地計算出風輪的氣動扭矩。此外，通過拆除風電葉片，即可測算出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器前后的摩擦扭矩，從而可有效分離系統(tǒng)內(nèi)的摩擦扭矩，計算出準確的風輪氣動扭矩，為功率曲線的準確測量提供了一種新穎且有效的試驗手段。

30、(2)本發(fā)明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，通過計算出力傳感器、塔筒和輪轂所受的氣動推力，并將其從力傳感器測得的總推力中進行剝離，從而對力傳感器測得的推力進行修正，獲得準確的風輪所受氣動推力，為準確繪制推力曲線提供了一種有效的修正方法，為風電機組的設(shè)計和性能評估提供了更為準確的數(shù)據(jù)支持。

31、(3)本發(fā)明的一種測量風電機組縮比模型性能曲線的試驗裝置及方法，有效解決了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器不直接連接風輪轉(zhuǎn)子、推力測量存在誤差等技術(shù)難題，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)風電機組模型功率曲線和推力曲線的精確測量，具有顯著的技術(shù)效果和應用價值。