风机叶片覆冰及其功率损失实验及计算方法与流程

1.本发明涉及风机叶片覆冰预测技术领域，尤其涉及一种风机叶片覆冰及其功率损失实验及计算方法。


背景技术：

2.随着风电清洁能源装机迅速增加，风电装机规模的逐渐增大，风电并网对电力系统安全稳定性的影响逐渐凸显。风电场的大规模建设，给电网安全稳定运行带来了挑战。近年来，国内外都曾发生含大规模风电系统连锁跳闸的运行事故。
3.目前，针对风机覆冰的问题，主要开展了监测预警技术研究，未考虑风机叶片覆冰引起的功率损失，亟需改进。


技术实现要素：

4.本发明目的在于公开一种风机叶片覆冰及其功率损失实验及计算方法，以建立风机叶片覆冰功率变化定量关系模型，实现风机叶片覆冰功率损失计算。
5.为达上述目的，本发明方法包括：
6.(1)准备基本实验条件。根据需求选择具备温度调节、降水调节、风速调节的人工气候实验室；准备一种小型风机模型及其发电设备；准备电流表、数据采集卡、万用表、温度计、气压表、游标卡尺等设备。
7.(2)将小型风机模型及其发电设备置于人工气候室模拟环境中，依据风机出力曲线，组合三相δ型电路，每两相间电阻设置为r欧姆，等效y型电路电阻值即为r/3欧姆，并在a相上电阻两端分别接入数据采集卡的数据采集端子。
8.(3)将直立杆固定在风机底座上，同时对一风机叶片展向不同位置做好标记，用于记录风机叶片展向不同位置处覆冰厚度。
9.(4)打开人工气候室制冷系统，设置环境温度为定值，待环境温度降至该值时，打开模拟风系统，设置风速为v
0 m/s，闭合风机连接电路，打开数据采集卡驱动程序，开始接收三相电路电压、电流波形。
10.(5)运行t分钟时间后，关闭模拟风系统与出液系统，带好防护用具，进入人工气候室中，使用游标卡尺测量并记录风机叶片上已标记好的位置覆冰厚度(包含叶片厚度)：将数据采集卡上记录的电压、电流波形保存。
11.(6)在不除冰情况下，重新立起风机，同时打开数据采集程序与人工气候室模拟风系统，设置为间隔δv的多种风速，重复(5)-(6)步骤；
12.(7)将运行时间延长不等，重复(5)-(7)步骤；
13.(8)实验完毕，保存记录数据，断开所有供电，整理实验仪器，恢复试验现场。
14.(9)根据数据采集卡测得的不同覆冰厚度、不同风速条件下的电流、电压值进行计算，得到风机总出力：
15.16.(10)进一步的，可以计算不同覆冰厚度、不同风速条件下的风机叶片条件下的风能利用系数：
[0017][0018]
其中，c
p(v,i)
为风速为v、覆冰厚度为i时候的风能利用系数，pw为输出功率，r为风轮扫风半径，v为入流风速，π为圆周率；
[0019]
ρ为空气密度，采用如下方式计算：
[0020][0021]
其中，p为气压，j为气体常数，为气体常数287j/kg.k。
[0022]
(11)基于未覆冰时的功率曲线及其风能利用系数c
p(v,0)
，计算得到不同风速v、覆冰厚度i下的功率损失系数：
[0023][0024]
其中，δc
p(v,i)
为风速v，覆冰厚度i时的功率损失系数；c
p(v,i)
为风速为v、覆冰厚度为i时候的风能利用系数，c
p(v,0)
为风速v、覆冰厚度为0时的风能利用系数。
[0025]
(12)计算得到风速为v，覆冰厚度为i时候的功率损失：
[0026]
δp
w(v,i)
＝δc
p(v,i)
×
p
w(v,0)
[0027]
其中，p
w(v,0)
为风机未覆冰、风速为v时的功率输出值，可由风机的出场功率曲线获得。
[0028]
本发明具有以下有益效果：
[0029]
在人工气候室中对风机模型进行测试得到不同工况下的采集数据，该采集数据包括测得的不同覆冰厚度、不同风速条件下的电流、电压值；然后基于采集数据得出风机总出力、不同覆冰厚度、不同风速条件下的风机叶片条件下的风能利用系数及功率损失函数，进而得到不同风速为、不同覆冰厚度所对应的功率损失。简单易行，且采集数据可靠！能便捷可靠地建立风机叶片覆冰功率变化定量关系模型，实现风机叶片覆冰功率损失计算。
[0030]
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0031]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0032]
图1是本发明实施例公开的计算得到的不同覆冰厚度下，风速-功率曲线示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0034]
实施例1
[0035]
步骤1、准备基本实验条件。根据需求选择具备温度调节、降水调节、风速调节的人工气候实验室；准备额定功率为200w，额定电压24v，启动风速2m/s的nf-200ts小型风机模
型及其发电设备；准备cl011mm电流表、数据采集卡、fluke17b万用表、ies-1310温度计、pdca9000气压表、ycdca-100游标卡尺、等设备。
[0036]
步骤2、将小型风机模型及其发电设备置于人工气候室模拟环境中，依据风机出力曲线，组合三相δ型电路，每两相间电阻设置为180欧姆，等效y型电路电阻值即为60欧姆，并在a相上电阻两端分别接入数据采集卡的ai0与ai1数据采集端子。
[0037]
步骤3、将直立杆固定在风机底座上，同时对一风机叶片展向不同位置做好标记，用于记录风机叶片展向不同位置处覆冰厚度。
[0038]
步骤4、打开人工气候室制冷系统，设置环境温度为-4℃；待环境温度将至-4℃时，打开模拟风系统，设置风速为3m/s，闭合风机连接电路，打开数据采集卡驱动程序，开始接收三相电路电压、电流波形。
[0039]
步骤5、运行10分钟时间后，关闭模拟风系统与出液系统，带好防护用具，进入人工气候室中，使用游标卡尺测量并记录风机叶片上已标记好的位置覆冰厚度(包含叶片厚度)：将数据采集卡上记录的电压、电流波形保存。
[0040]
步骤6、重新立起风机，同时打开数据采集程序与人工气候室模拟风系统,设置为4m/s、5m/s、6m/s
……
10m/s，重复(5)-(6)步骤。
[0041]
步骤7、将运行时间延长不等，重复(5)-(7)步骤。
[0042]
步骤8、实验完毕，保存记录数据，断开所有供电，整理实验仪器，恢复试验现场。
[0043]
步骤9、根据数据采集卡测得的不同覆冰厚度、不同风速条件下的电流、电压值进行计算，得到风机总出力：
[0044][0045]
其中，pw为风机总出力，u
有效
为数据采集卡所在a相电压有效值，i
有效
为数据采集卡所在a相电流有效值。
[0046]
步骤10、计算不同覆冰厚度、不同风速条件下的风机叶片条件下的风能利用系数：
[0047][0048]
其中，c
p(v,i)
为风速为v、覆冰厚度为i时候的风能利用系数，pw为输出功率，r为风轮扫风半径，v为入流风速，π为圆周率；ρ为空气密度，采用如下方式计算：
[0049][0050]
其中，p为气压，j为气体常数，通常为气体常数287j/kg
·
k。
[0051]
步骤11、基于未覆冰时的功率曲线及其风能利用系数c
p(v,0)
，计算得到不同风速v、覆冰厚度i下的功率损失系数：
[0052][0053]
其中，δc
p(v,i)
为风速v，覆冰厚度i时的功率损失系数；c
p(v,i)
为风速为v、覆冰厚度为i时候的风能利用系数，c
p(v,0)
为风速v、覆冰厚度为0(即未覆冰)时候的风能利用系数。
[0054]
步骤12、从而可计算得到风速为v，覆冰厚度为i时候的功率损失：
[0055]
δp
w(v,i)
＝δc
p(v,i)
×
p
w(v,0)
[0056]
其中，p
w(v,0)
为风机未覆冰，风速为v时的功率输出值，可由风机的出场功率曲线获得。
[0057]
计算得到的不同覆冰厚度下，风速-功率曲线如图1所示。
[0058]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。