文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.026
中文引用格式： 成義，茅靖峰，吳國慶，等. 垂直軸風電機組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設計[J].電子技術應用，2016，42(8)：105-108.
英文引用格式： Cheng Yi，Mao Jingfeng，Wu Guoqing，et al. Research and design of data acquisition system for vertical axis wind turbine[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：105-108.
0 引言
全球風力發(fā)電產業(yè)在目前一次能源供應日趨緊張，以及人們生態(tài)環(huán)保意識不斷增強的大背景下得到了持續(xù)快速的發(fā)展，截至2015年底，全球風電累計裝機容量已超過432吉瓦，年新增裝機容量63吉瓦，市場年增長率達到22%[1]。我國風電產業(yè)作為全球風電最為活躍的場所，在積極推動大型風電基地建設的同時，對靠近負荷中心的分散式風電和低風速風電產業(yè)，給予了進一步的重視。
垂直軸風力發(fā)電機組是一種低風速風電機型，其風輪旋轉軸與風向垂直，風輪的轉動方向與風向無關，相比于水平軸風力發(fā)電機組具有結構簡單、噪音低、安全性好、易維護等優(yōu)點[2-7]，目前逐漸在分散式風電和低風速風電產業(yè)中，以獨立運行風電系統(tǒng)、多源互補分布式電源系統(tǒng)，以及能源建筑一體化系統(tǒng)等發(fā)電形式，獲得了越來越廣泛的關注和應用[8-10]。
垂直軸風力發(fā)電機組屬于大型旋轉設備，安裝運行位置特殊，采用傳統(tǒng)的人工有線測試方式，存在勞動強度高、數(shù)據(jù)精度分散性大、布線復雜、成本高、安全性差等不足。為此，本文依據(jù)機組運行的工作原理，結合國標《離網(wǎng)型風力發(fā)電機組 第2部分：試驗方法部分(GB/T 19068.2-2003)》給出的測試要求，設計了一套基于LabVIEW軟件平臺和WiFi無線通信技術的垂直軸風力發(fā)電綜合智能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)機組氣動和電氣性能的自動連續(xù)無線測量，以應對垂直軸風力發(fā)電機組工作性能評估與現(xiàn)場運行參數(shù)測試的實際應用需求。
1 垂直軸風力發(fā)電機組測試原理
1.1 機組測試需求分析
垂直軸風力發(fā)電機組的一般組成結構如圖1所示。
圖1 垂直軸風力發(fā)電機組組成
如圖1所示，垂直軸風力發(fā)電機組在風速v的帶動下風輪以角速度ω旋轉，將風功率Pa轉變?yōu)樾D主軸上的機械功率Pm，發(fā)電機轉子在旋轉主軸帶動下以轉速n旋轉，并在風力發(fā)電控制器及功率變換系統(tǒng)的控制下，將機械功率Pm轉變?yōu)殡姽β蔖e，最后經過電力配電接口輸送給用戶負載使用或并入電力系統(tǒng)。
實際運行的垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)，垂直軸風力機風輪、發(fā)電機和控制器具有多種形式，機電連接結構各異，因此，為了評估發(fā)電系統(tǒng)的整體效能，風輪本身的啟動風速、空氣動力特性、機械輸出特性，以及機組的切入風速值、功率輸出特性和效率等指標需要進行具體監(jiān)測和分析評估。
1.2 測試數(shù)據(jù)采集原理
1.2.1 風功率方程與基本風速
風速是決定風功率大小的重要因素，根據(jù)空氣動力學原理，在垂直軸風力機風輪進風方向的風功率Pa，以及能夠被風輪捕獲得到的機械功率Pm分別表示為：
式中：v為風速；
為空氣密度，在標準大氣壓、15 ℃條件時，
；R和H分別為垂直軸風輪半徑和高度；Cp為風能利用率系數(shù)。
為了反映風輪總摩擦損耗和機組電氣損耗基本量的大小，在機組空載時，觀測能夠使風輪開始旋轉的最小風速，記錄為啟動風速vs；在機組連接負載情況下，觀測功率變換系統(tǒng)在額定電壓下有功率輸出時的最小風速，記錄為切入風速vcutin。
1.2.2 風輪空氣動力特性
空氣動力特性反映了風輪本身吸收風功率Pa強弱的能力，由函數(shù)f(λ，Cm)和f(λ，Cp)表示。
這兩個函數(shù)是風輪葉尖速度比λ分別與其相對力矩系數(shù)Cm和風能利用率系數(shù)Cp之間的關系曲線，由基本原理可知：
式中：ω為風輪旋轉角速度，n為風輪轉速，Tm為風輪轉軸扭矩，Tm=Pa/ω(Nm)。
為此，根據(jù)式(3)~式(6)，該特性曲線需要采集的狀態(tài)量包括風速、大氣密度、風輪角速度、風輪轉軸扭矩等。
1.2.3 風輪機械輸出特性
風輪機械輸出特性反映了在各種風速v條件下，風輪機轉速n與其旋轉主軸機械功率Pm的關系，由函數(shù)f(n，Pm)表示。
該函數(shù)是一組曲線簇，可利用f(λ，Cm)特性曲線，取風速v在切入風速vcutin至額定風速vrated區(qū)間內，λ在其最優(yōu)值λopt附近條件下，按照式（2）和式（7）計算風輪的機械輸出功率Pm和轉速n：
2 測試系統(tǒng)總體設計
垂直軸風力發(fā)電機組測試系統(tǒng)通過氣溫、氣壓、風速、扭矩、頻率、電壓和電流等分布式傳感器檢測出現(xiàn)場各類物理量信號，再通過相關功能電路完成對被監(jiān)測信號的采集、變送、分析、計算、顯示和存儲，其總體組成結構如圖2所示。
圖2 測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖
圖2中，分布式傳感器、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集微處理單元與WiFi通信模塊構成了風力發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端硬件系統(tǒng)，上位機測試分析平臺則由計算機及LabVIEW軟件編程來實現(xiàn)。
3 數(shù)據(jù)采集前端系統(tǒng)設計
3.1 硬件設計
數(shù)據(jù)采集前端以MSP430微控器為核心設計，放置于垂直軸風力發(fā)電機組設備現(xiàn)場，系統(tǒng)將分布式傳感器輸出的各類模擬和數(shù)字信號經過調理變送、驅動整形，變換成由數(shù)據(jù)采集微處理單元臨時存儲的帶格式數(shù)字量信號，再由無線通信接口，按要求發(fā)送給上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
風速傳感器的輸出是與風速v大小成比例的TTL頻率信號，為了避免長線傳輸?shù)男盘査p，調理電路利用定時芯片NE555，將其高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TR連接起來作為信號輸入端，構成施密特觸發(fā)器，在MSP430微控器數(shù)字接口前端對風速傳感器輸出的信號進行整波，風速傳感器調理電路如圖3所示。
數(shù)據(jù)采集前端采用UART轉WiFi無線通信模塊USR-WIFI232，實現(xiàn)與上位機無線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)傳輸通信。該無線通信模塊最高波特率450 kb/s，可選TCP Server/TCP Client/UDP Server/UDP Client工作模式，TCP Server模式時可支持多達32個Client連接，有效通信距離達400 m，技術指標滿足本系統(tǒng)設計所需。
在本文中，MSP430微處理器的UART串口連接到該無線模塊，無線模塊設置為透明傳輸模式，使用IE瀏覽器Web方式進行相關參數(shù)設置，可實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信。
3.2 軟件設計
數(shù)據(jù)采集前端MSP430微控器與上位機采用半雙工通信模式，上位機設定為通信主站，數(shù)據(jù)采集前端設定為通信從站，收與發(fā)的來回時序關系嚴密，因此，MSP430軟件需嚴格按照通信協(xié)議編寫。通信協(xié)議中定義2類通信幀：信令幀（命令數(shù)據(jù)的發(fā)送格式）、數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送格式）。
4 上位機監(jiān)測系統(tǒng)設計
4.1 系統(tǒng)功能結構
應用LabVIEW圖形化編程語言進行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)。系統(tǒng)采用模塊化方式設計，系統(tǒng)功能結構如圖4所示。其中參數(shù)設置界面可以設置相應通信接口、網(wǎng)絡配置、采樣周期、存儲路徑、報警上下限等，保證系統(tǒng)正常運行；實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面對風力發(fā)電機組運行過程實時監(jiān)測，包括風速、轉速、扭矩、電壓、電流等，即時地顯示機組的運行狀態(tài)曲線；歷史數(shù)據(jù)查詢界面能夠查看保存在Access數(shù)據(jù)庫中的機組運行數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)信息，并具有查詢相應時間區(qū)間信息的功能；特性曲線界面可將保存的數(shù)據(jù)進行相應處理，獲得相應的特性曲線，給出機組的基本性能參數(shù)。
圖4 系統(tǒng)功能結構圖
4.2 主程序流程
軟件系統(tǒng)采用“事件觸發(fā)”的方式編寫。當上位機處于數(shù)據(jù)采集前端WiFi無線網(wǎng)絡覆蓋范圍內時，通過搜索查找數(shù)據(jù)采集前端無線IP地址10.10.100.255并與之建立連接，如果WiFi網(wǎng)絡連接成功，則返回“網(wǎng)絡連接成功”消息。此時，上位機保持向數(shù)據(jù)采集前端發(fā)送關斷指令，使數(shù)據(jù)采集前端依然處于低功耗休眠狀態(tài)。當“開始監(jiān)測”事件觸發(fā)后，上位機則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送打開指令，直到收到數(shù)據(jù)采集前端的激活確認符為止，此時“接收”事件自動觸發(fā)，程序開始接收數(shù)據(jù)采集前端所傳來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實時顯示和儲存。當“停止監(jiān)測”事件觸發(fā)后，程序則向數(shù)據(jù)采集前端周期性發(fā)送關斷指令，使下位機重新處于休眠狀態(tài)。上位機通信程序流程如圖5所示。
圖5 上位機通信程序流程
4.3 編程實現(xiàn)
上位機程序的WiFi無線通信功能主要通過LabVIEW軟件開發(fā)系統(tǒng)中自帶的TCP函數(shù)和VI子程序來實現(xiàn)。
對于系統(tǒng)的前面板的設計，采用Windows多頁面風格布局。將整個程序分成實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、特性曲線和參數(shù)設置等多個頁面，方便在前面板進行整合和布局。最終的前面板設計顯示效果如圖6所示。
圖6 前面板顯示圖
5 試驗結果
通過吹風機給垂直軸風力發(fā)電機組提供風速，在風速v由7.5 m/s～5 m/s變化條件下，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集獲得的風速和風輪轉速響應曲線如圖7、圖8所示。
時間
圖7 風速
時間
圖8 風輪轉速
在繪制風輪空氣動力特性曲線時，按照國家標準（GB/T 19068.2-2003）的試驗方法，使風輪空載、制動、迎風，松開制動，自風輪起動到同步轉速的全過程，連續(xù)采樣，每0.5 s同步測取風速、風輪轉速，試驗時風速變化幅值應小于0.5 m/s，保存數(shù)據(jù)，經處理得到的特性曲線如圖9所示。利用繪制的風輪空氣動力特性曲線，分別取風速v在5 m/s、10 m/s、15 m/s條件，在每種風速下改變負載功率，使得λ變化范圍在0～3.4區(qū)間，保存數(shù)據(jù)、繪制曲線簇、連接各曲線頂點即是風輪機械輸出特性曲線，如圖10所示。經過與風輪設計階段的CFD計算機仿真數(shù)據(jù)對比，證明了測試曲線的正確性。
圖9 風輪空氣動力特性曲線圖
圖10 風輪機械輸出特性曲線
6 結束語
本文分析垂直軸風力發(fā)電機組的測試工作原理，依據(jù)國標要求，應用LabVIEW和WiFi技術設計了機組測試數(shù)據(jù)的無線采集系統(tǒng)，能夠將風速、轉速、扭矩、電壓和電流等運行數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)多節(jié)點多狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、顯示及儲存，不但降低了線路布設與維護成本，還提高了采集系統(tǒng)的靈活性、可拓展性和易維護性。試驗結果驗證了該測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正確有效性。系統(tǒng)為垂直軸風力發(fā)電機組的進一步研究和優(yōu)化提供了有效測試技術手段。
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