介绍 在理想情况下在实验室条件下测量风力涡轮机性能的传统方法总是趋于乐观，并且很少反映涡轮机在实际情况下的实际行为。实际性能将受到当地风力条件，附近障碍物，电力需求情况和一系列其他因素的影响。由于磨损，随着时间的推移性能也会下降。重要的是涡轮机如何反应并实际在现场提供动力。没有适当的数据，这可能是非常主观的，也是个人意见的问题。 本应用指南重点介绍特定Proven WT2500风力发电机的实时功率，转子速度和风速数据，该风力发电机已连续运行6年。从这些测量中获得的信息可以帮助确定是否需要维护。对数据的进一步解释可以帮助优化风力涡轮机，并且可以评估它是否位于正确的位置。
背景
在福克兰群岛，大约有100个远程家庭和农场无法使用电网。1996年，福克兰群岛发展公司启动了可再生能源计划，现在有60多个运行中的电力系统使用经过验证的风力涡轮机 Proven系列最初的选择是因为其坚固的结构和能够承受持续的高速风，福克兰群岛的年平均风速超过8.5米/秒。以相对高的转速运行的小型商用风力涡轮机通常具有短的寿命，并且那些不会完全失效的风力涡轮机遭受快速的前缘叶片侵蚀，因此需要定期的叶片修理或更换。Proven相对较低的运行速度被认为是提高其长期成功机会的一个因素。这已得到证实，因为一些经过验证的风力涡轮机已经运行了10年。 转子细节 经验证的风力涡轮机是顺风水平轴类型。转子由三个聚丙烯叶片构成，每个叶片在叶片根部具有两个弹簧加载的铰链。该组件被称为Zebedee铰链并且包括内铰链（成角度为90度）和外铰链（成45度角）。两个铰链一起工作以有效地扭转叶片作为自动无源叶片俯仰和动力控制系统。该系统通常设置为低迎角，以便在低风速下轻松启动。随着涡轮加速，离心力导致铰链打开。这使刀片变平，增加了对相对气流的攻角。离心力和节距都随转子速度增加。在狂风中，叶片上的风力克服了弹簧张力和转子盘锥体，两者都使叶片失速并减小了有效的转子盘面积并因此减小了动力输出。轴扭矩的增加将使叶片抵抗离心力的作用，离心力将倾向于关闭铰链，从而减小迎角。 弹簧张力在出厂时设定为在额定12 m / s风速及以上的最大运行速度300 rpm（5转/秒）下运行。弹簧安装件的磨损和弹簧在使用中失去弹性会导致失速和锥形在较低的风速下开始，从而降低涡轮机的最大功率输出。 发电机细节 久经考验的风力涡轮机是一种变速三相永磁交流发电机，由在24个定子线圈内旋转的四极对组成。每个线圈名义上产生30伏特，并且每相8个线圈在制造期间以串联和并联组合布置，以产生产生24,48,120或240伏特的风力涡轮机。中性线不能作为生产机器上的共同点。使用四极对发电机的额定转速为300 rpm，产生20 Hz的线路频率。
网站详情 对于Port Louis农场的风力涡轮机，车主怀疑涡轮机性能不佳并提供用于这些试验。路易港是马岛的历史部分和最后一个人从事任何科学工作在这里可能是查尔斯·达尔文在19 个世纪。 小型风力涡轮机的合适位置的选择通常受到将涡轮机功率输出传送到充电控制器和电池所需的重型电力电缆的成本的限制。大多数涡轮机都位于发电厂100米范围内，包括电池组，柴油发电机，逆变器和风力发电机充电控制面板。涡轮机选址始终是一种妥协，可能导致不太理想的风。为了减少电力电缆中的直流功率损耗，福克兰群岛的大多数涡轮机工作电压为48 V（50-60 A），但少数工作电压为24 V（100-120 A）。 路易斯WT2500风力涡轮机设计为在12米/秒的风速下在48伏特下产生2.5千瓦的功率，距离发电站110米，在建筑物西北部略微上升的土地上。它的位置使其与普遍的西风相对不受阻挡。然而，在标准的6.5米桅杆上相对低于地面时，涡轮机比安装得更高时更容易受到振动和湍流的影响。
战略与设计 为了获得足够的数据以获得有意义的结果，必须实时记录三个细节： 1.涡轮机的输出功率。（瓦） 2.涡轮转速（转/秒） 3.风速（m / s） 分析需要仪器来测量4个参数： 1.系统电压 2.系统电流 3.涡轮转速 4.风速 界面和软件 基于ADC-16 8通道模数转换器设计了一种实时同时测量和记录该信息的方法。ADC-16可以测量-2.5至+2.5伏直流的直流信号。PicoLog软件允许在程序内进行缩放，以便校正，校准和转换因子可以自动应用于收集的记录，从而最大限度地减少电子表格处理。大多数数据处理都是使用Microsoft Excel执行的。 附加电路 信号处理需要额外的电路，以便可以对涡轮转子速度和风速进行测量。新的信号处理电路旨在最大化ADC-16接口的工作范围，以提高精度和精度。 涡轮转速和风速测量均被感测为低频AC波形。使用四极永磁交流发电机，经过验证的涡轮机最大转速为300 rpm，交流频率为20 Hz。同样，风速计的输出频率为20 m / s，为25.7 Hz。为了将输入的AC信号转换为可由ADC-16记录的DC电压，基于LM 2917集成电路（IC）构建了两个类似的频率到电压转换器。使用制造商的数据表计算元件值，得到0-25 Hz的工作范围，将其转换为0-2.5伏的输出，以匹配ADC-16的输入范围。
连接测试设备 测试设备连接到Proven控制面板，如下图1所示。
图1：连接传感器
通道1 - 系统电压 构造一个分压器，将48伏直流线从Proven控制面板下降到可测量的电压。 通道2 - 系统电流 这是使用现有的Proven电流分流器测量的，该电流分流器设计为在60安培的电流下提供50 mV的电压。
图2：频率到电压转换器- 转子速度测量
图3：频率到电压转换器- 风速测量
通道3 - 涡轮转速 这是从风力涡轮机整流器的三相输入的一相导出的。在Proven控制面板内与风力涡轮机的AC线路的一相进行物理连接。设计了一个分压器，将峰值交流电压降低到1.5到2伏特左右。由于这是频率测量，因此电压并不重要。图2显示了用于为ADC-16创建电压的频率到电压转换器。 第4频道 - 风速 使用的传感器是NRG＃40风速计头，一个行业标准单元。将其安装在垂直于风轴线的风力涡轮机旁边约5米的轮毂高度处。NRG＃40使用小型永磁发电机产生交流信号，其频率与风速成正比。使用频率到电压转换器将风速计AC输出转换为电压（图3）。
测量条件 理想情况下，测试应该应用于驱动恒定阻抗负载的风力涡轮机。然而，这不是一个选择，因为电力系统全面运行，为农场建筑和住宅提供真正的负荷。在测试期间，柴油发电机正在运行供电并为电池充电。这有助于稳定48伏直流电压总线，并最大限度地减少瞬态负载冲击，如果仅使用电池和风，则会改变负载阻抗并影响读数。在测试过程中，Proven转储负载控制系统已停用。 主要测量值均在一天内风速从13米/秒稳步下降至6米/秒时进行。PicoLog软件在记录间隔中允许一定的宽容度，但通常每秒读取所有四个参数并以500秒的块记录。当风速计固定在轻便的便携式伸缩式桅杆上时，如果风改变，可以改变风速计的位置以保持相对位置。
数据处理 主要数据被分箱并在5秒到1分钟的不同时间块上取平均值。这是为了由于其自身与风速计之间的惯性差异而允许涡轮机响应的延迟。检查后，选择使用30秒块的数据集作为进一步处理的最佳选择。
图4：整个测试概述
在图5中绘制了功率与风的关系图，并且将经验证的WT2500公布的功率曲线重叠以进行比较。这显示了数据在30秒块中被平均和分箱后整个运行的功率与风速的关系。
图5：记录的功率和风速
图6比较了相同持续时间的风速和转子速度。两幅图都清楚地表明，在风速超过10米/秒的情况下存在严重的过度调节，这使风力涡轮机无法达到其最大功率潜力，并且永远不会达到5转/秒（300转/分钟）的额定速度。
图6：转子速度和风速
超过10米/秒，功率调节导致叶片锥形，记录的早期数据不稳定，使用这些数字会扭曲进一步的数据处理。截止点设定为3500秒，在此点之前的读数不用于详细计算。由于白天风速不低于6米/秒，调节速度为10米/秒，最终结果是基于3.1至4.4转/秒的窄转子转速。 评估风力涡轮机性能的通用标准是功率系数与尖端速度比性能曲线的关系图。该曲线告诉您涡轮机如何有效地将风能转换为电能。使用各种方法绘制该曲线。结果显示在下面的图7中。
图7：功率系数与尖端速度比
实地观察 经过验证的WT 2500风力涡轮机经过精心设计，能够承受相对较短的桅杆上的湍流区域中的恶劣条件，该桅杆比其他设计更接近地面。结果，它会遇到阵风和风向的快速但微小的变化，导致它在其偏航轴周围显着地连续加速，减速和振荡。它很少以稳定的速度直接指向风。 在测试期间，注意到风速计对风的变化反应非常快并且与方向无关。另一方面，风力涡轮机的更大惯性将导致旋转和偏航的响应延迟。被动叶片控制机构本质上也会略微落后于风的变化。由于Zebedee铰链的作用，旋转速度和偏航方向引起的叶片角度的姿态意味着风力涡轮机很少在实际操作条件下瞬间匹配理论最大发电值。这与风洞测试形成鲜明对比，其中偏航和剪切风不是问题，并且涡轮机有时间在负载或风速的变化之间稳定下来以呈现反映其最佳性能的稳定读数集。 高风运行 人们认为风力涡轮机在测试之前表现不佳，这些测试证明这是正确的。超过10米/秒的风速产生了涡轮机的不稳定功率输出，远低于额定值。
结论 如图7所示，3.5至4.0转/秒的速度范围在较高的尖端速度比下产生比其他速度带更高的功率系数。请记住，这些测试是在低于标准的风力涡轮机上进行的，结果似乎表明它在3.5到4.0转/秒的中速范围内更有效地运行。