卢卫萍　岳云峰

[摘要]风电机组的整机测试是验证、提高风电机组性能必不可少的环节。本文针对中小型风力发电机组的性能参数测试提出了一整套的设计思路、研究内容、结构设计等，并经过试验论证与分析，该测试平台运行平稳，可靠，不仅可以满足风电专业相关课程的实验教学的需要，同时还可以为企业以及教师研发的新产品提供测试与验证。

[关键词]中小型风电机组 性能参数 测试平台

[中图分类号]TK83

引言

近几年，我国风电产业发展引人注目，继2010底连续三年总装机容量位居世界第一。在国家《风电发展“十二五”规划》中，将继续推进风电的规模化发展，促进风电装备的壮大升级，建立完备的风电装备制造体系和不断提高风电的市场竞争力[1-2]。要提高风电设备的性能，其完整的整机测试平台必不可少。目前，大多数实验室由于不具备风场环境或风力发电机，一般采用直流电机或者异步电动机来进行风力发电机的模拟[3-4]，但由于电动机与风力发电机运行环境、控制过程等本质上的区别，使得其模拟出来的结果总存在这一些误差。

本文根据建设省级新能源实训基地以及风电专业人才培养的实际需要，课题组研制出一套适合高等院校在室内进行风力发电相关课程学习的风力发电性能参数测试平台。同时，该测试平台还具有良好的科研价值和社会服务功能，为进一步研究风力发电机性能参数提供了工作平台。

一、测试平台的设计思路及研究内容

该测试平台的研制主要用于中小型风力发电系统的主轴转速在不同负载条件下电压、电流、频率、功率等之间的关系曲线。通过这些曲线，可以判断该风电系统运行的效能好坏。

在实验平台研制过程中，主要研制的研究内容有：

（1）进行风力发电机系统的控制原理分析；

（2）进行风力发电机的电压、电流、转速、功率等性能参数对风力发电系统的效能研究；

（3）进行矢量控制技术在变频器中的应用研究；

（4）进行测试平台的机械结构、电气控制装置的设计；

（5）进行数据采集、实时监测与存储功能的研究。

二、测试平台的结构组成

该测试平台主要由三相变频电源、三相变频调速电机、风力发电机机头和测试控制台组成。

三相变频电源的功能，主要通过对电源输出频率的调节，提供三相变频调速电机的驱动能量，通过调频调速达到模拟风场的作用。在设计中选用三菱公司生产的FR-A740-11K-CHT型（11kW）变频电源，如图1所示。

三相变频调速异步电机使用11kW四极调速电机，该电机具有宽范围的恒转矩与恒功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。与所选三相变频电源具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制。因此，可以更好地模拟风场驱动风力发电机。

风力发电机机头可以是各种中小型风力发电机。在设计过程中选用最常见的10kW机型，其工作原理和主要技术指标分别如表1和图2所示。

测试控制台通过GDW3001A电参数测试仪，可以测试发电机输出三相电压、电流、频率、功率因数等参数；通过转数仪显示发电机主轴的转数；通过电流表和数字电压表显示三相驱动电流和电压。同时，该测试平台还具有数据实时监测和存储功能，利用GDW3001A电参数测试仪自带的串行通讯接口RS232，与计算机进行连接，通过Visual Basic通用的编程软件进行编程，从而实现运行参数的计算机同屏实时显示、数据分析、实验数据报表生成、数据存储、数据打印等功能。

三、试验论证与分析

为验证所研制测试平台的可行性和实用性，在该平台上进行空载特性试验和负载运行特性试验。

（1）空载特性试验

试验时，发电机不接负载，电枢绕组开路，被测发电机作空载运行。空载试验是检验发电机电磁性能的一个最基本的试验项目[5-11]。其目的主要是检查发电机运转的灵活情况，有无异常噪声和较强的振动，通过测试求出电机额定电压时的恒定损耗（即铁芯损耗和机械损耗），同时检验发电机空载运行时输出电压与设计值的偏差是否在允许范围内（其绝对值应≤±5%）。

空载恒定损耗测定时，被测电机在额定电压、额定电流、额定频率下稳定运行，试验结束时，立即在被测电机出线端测试定子绕线电阻。

空载曲线测定时，应使发电机分别在65%、80%、100%、110%额定转速下运行（被测发电机的额定转速为160r/min，因此即分别在104r/min、128r/min、160r/min、176r/min的转速下运行），发电机定子电压不超过1.3倍额定电压。在其过程中，每点读取三相电压、频率和转速，然后以转速为横坐标，发电机的空载电压（三相平均值）为纵坐标，绘制发电机空载曲线，如图3所示。

通过试验，测定发电机在额定转速110%，发电机的定子电压最大值为280.5V，约为额定电压240V的1.17倍。

（2）负载运行特性曲线

负载特性曲线测定时，发电机分别在65%、80%、100%、125%额定转速下用直流负载法测定此时发电机的输出功率与发电机的转速之间的关系[12-15]。以转速为横坐标，输出功率为纵坐标，绘制发电机负载运行曲线，如图4所示。

由图4可以看出，随着转速的增加，发电机的功率发生变化，其负载特性良好，满足了其设计要求。

四、结论

本文研制了一套中小型风力发电机性能参数测试平台，实物图如图5所示。从该测试平台的运行过程来看，整个系统运行平稳，试验结果可以充分说明方案在总体设计上的有效性和合理性，完全满足了预期的目标。该试验平台不仅可以满足风电专业相关课程的实验教学，同时还可以为企业以及教师研发的新产品提供测试与验证。

[参考文献]

[1]李春林.5MW直驱永磁风力发电机的电磁设计与计算[J].湖南工程学院学报，2013.3（23）：12-14

[2]刘贻雄.大型风力机塔筒结构动力学与稳定性分析[D].兰州：兰州理工大学，2012

[3]乔明，林飞等.基于异步电机的风力机模拟实验平台的研究[J].电气传动，2009.39（1）：40-43

[4]刘其辉，贺益康等.直流电动机的风力机特性模拟.中国电机工程学报，2006.26（7）：134-139

[5]任永峰，李含善.離网型风力发电测试与实验一体化研究[J].太阳能学报，2007.10（10）：1158-1162

[6]高雪峰，王涛等.离网型风力发电机性能测试概述[J].中国农机化，2006.2：：7-81

[7]卢为平、卢卫萍.风力发电机组装配与调试[M].北京：化学工业出版社，2011.6

[8]苏绍禹.风力发电运行与设计[M].北京：中国电力出版社，2002

[9]严干贵，于文杰等.永磁风力发电教学实验平台的研制[J].东北电力大学学报，2009.29（4）：67-71

[10]范源，刘志璋.基于Labview的离网型风力发电机测试[J].农村牧区机械化，2007（1）：31-32

[11]王涛.离网型户用风力发电机性能测试系统的研发[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2005.6

[12]张岳，王凤翔.直驱式永磁同步风力发电机性能研究[D].电机与控制学报，2009.13（1）：78-82

[13]王凤翔，张凤阁.磁场调制式无刷双馈交流电机[M].长春：吉林大学出版社，2004

[14]谢若初.直接驱动式永磁风力发电机设计研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2005.6

[15]郭雪岩.双馈发电机型式试验平台的搭建与试验论证[J].机电信息2011（6）：55-56

（作者单位：1.南通理工学院 南通，2.南通大学 南通，3.江苏省中小型风电研发中心）