機(jī)艙式激光雷達(dá)應(yīng)用下風(fēng)機(jī)功率測試研究

馬 驍，劉 勇，梁冬彥，趙毅敏

（1.國家電投集團(tuán)河北電力有限公司，石家莊 050031；2.國家電投集團(tuán)山西可再生能源有限公司，太原 030006）

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的量化描述為傳送流量、生成全壓及其功率，這些參數(shù)存在相互關(guān)系，即一個參數(shù)發(fā)生變化，其他參數(shù)也會隨之發(fā)生改變[1-2]。由于氣體在風(fēng)機(jī)中流動情況多變、復(fù)雜，其作業(yè)工況會隨著時間、環(huán)境改變而不斷地發(fā)生改變。為了能夠使風(fēng)機(jī)高效且穩(wěn)定的工作，需要精準(zhǔn)地掌握風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)變動，風(fēng)機(jī)功率測試是風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。風(fēng)機(jī)的功率輸出與多個因素相關(guān)，包括風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、葉片設(shè)計等。通過進(jìn)行功率測試，可以驗證風(fēng)機(jī)在各種工況下的性能表現(xiàn)，確保其在實際運(yùn)行中能夠穩(wěn)定輸出所需的功率。如果風(fēng)機(jī)的功率輸出不穩(wěn)定或低于預(yù)期，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低、能源浪費(fèi)或無法滿足需求等問題[3]，因此，該領(lǐng)域成為當(dāng)下研究熱點。

風(fēng)機(jī)功率測試主要有2 種方式，即功率預(yù)測與功率測試?，F(xiàn)階段，諸多學(xué)者對風(fēng)機(jī)功率性能檢測展開深入研究，主要通過功率預(yù)測方法完成風(fēng)機(jī)功率測試。文獻(xiàn)[4]采用可編程邏輯控制器預(yù)測風(fēng)機(jī)功率變化情況，得出風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況；文獻(xiàn)[5]基于風(fēng)機(jī)作業(yè)機(jī)理與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測風(fēng)機(jī)功率變化趨勢，推斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[6]利用小波包、決策樹建立風(fēng)機(jī)功率預(yù)測模型，分析風(fēng)機(jī)作業(yè)情況。對于以上3 種方法而言，功率預(yù)測方式只能得出風(fēng)機(jī)估計狀態(tài)，會與實際存在一定偏差，影響風(fēng)機(jī)性能檢測結(jié)果，而功率測試技術(shù)采用人工手動借助微壓計、轉(zhuǎn)速表等設(shè)備完成功率測試，由于需要記錄大量數(shù)據(jù)，測試時間較長，且測試設(shè)備易受環(huán)境干擾，測試結(jié)果誤差較大。基于此，本文提出機(jī)艙式激光雷達(dá)應(yīng)用下風(fēng)機(jī)功率測試方法。

1 風(fēng)機(jī)功率測試

1.1 風(fēng)機(jī)功率測試結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率測試存在誤差大、耗時長的問題，設(shè)計一種新型測試架構(gòu)。借助LabVIEW2011軟件平臺存儲風(fēng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用Matlab 軟件分析并處理采集到的數(shù)據(jù)，以此獲取風(fēng)機(jī)功率，完成風(fēng)機(jī)功率測試，整個過程如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)功率測試結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of improvement process for fan power testing

通過圖1 可知通過機(jī)艙式激光雷達(dá)技術(shù)完成采集任務(wù)，風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)通過虛擬儀器完成采集；將風(fēng)機(jī)信號輸入檢測系統(tǒng)，通過變送裝置處理，再輸入DAQ 卡的A/D 變換器完成轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果傳送到計算機(jī)中，運(yùn)用LabVIEW 存儲數(shù)據(jù)，利用Matlab 實現(xiàn)分析與顯示存儲數(shù)據(jù)[7-8]。

1.2 基于機(jī)艙式激光雷達(dá)的風(fēng)速、風(fēng)向采集

利用機(jī)艙式激光雷達(dá)測量風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和風(fēng)向具有高精度、可多點測量等優(yōu)勢，可以提供準(zhǔn)確風(fēng)場數(shù)據(jù)，能夠應(yīng)用到風(fēng)機(jī)功率測試系統(tǒng)中[9-11]。機(jī)艙式激光雷達(dá)是一種借助遙感測風(fēng)技術(shù)采集風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的裝置，其通過測量光波反射在空氣中，根據(jù)空氣中氣溶膠粒子運(yùn)動頻率變化，獲得風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)信息。根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點，采用WindPrint H500機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)儀實現(xiàn)對風(fēng)速與風(fēng)向的采集，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)儀相關(guān)參數(shù)表Tab.1 Relevant parameters of cabin type lidar anemometer

1.3 風(fēng)機(jī)功率計算

風(fēng)機(jī)功率測量是風(fēng)機(jī)測試核心部分，風(fēng)機(jī)功率測試方法分為直接測量與間接測量。直接測量受環(huán)境、設(shè)備自身原因影響，測試結(jié)果偏差較大。而間接測量需要借助一些數(shù)學(xué)算法求解風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，將其轉(zhuǎn)化為功率。利用機(jī)艙式激光雷達(dá)技術(shù)獲取的風(fēng)速V、風(fēng)向ζ 數(shù)據(jù)計算風(fēng)機(jī)功率P 的公式為

式中：T、θ 分別表示風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、扭轉(zhuǎn)角；R 表示風(fēng)輪半徑；ρ 表示空氣密度。

由此可知，要想實現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率的精準(zhǔn)測試，還需要準(zhǔn)確計算風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、扭轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)速。

1.3.1 信號預(yù)處理由于風(fēng)機(jī)軸信號中存在大量干擾信號，從而影響風(fēng)機(jī)功率測試結(jié)果，為此對采集信號預(yù)處理，剔除干擾信號，提升信號質(zhì)量，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)矩測量精度。

（1）零均值化處理

由于信號易受溫度影響發(fā)生偏移，為此對采集信號零均值化處理。假設(shè)e 表示初始信號序列，e1表示e 變換后的序列，則有：

式中：e2為e 的平均值；N 為信號序列長度；m 為信號采集點數(shù)量。

（2）信號濾波處理

為了使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩求解更加準(zhǔn)確，借助濾波器，采用零相位濾波方式濾掉噪聲信號，進(jìn)而得出實際轉(zhuǎn)矩。將采集信號序列輸入濾波器中，將結(jié)果再次輸入此濾波器，最終得出零相位濾波后的序列，整個計算過程為

式中：y1為e 反轉(zhuǎn)后信號序列為y1經(jīng)過過濾器處理后的序列；y2為反轉(zhuǎn)后信號序列為y2經(jīng)濾波器處理后的信號序列；h 為濾波器的沖擊響應(yīng)序列；y 為最終過濾后結(jié)果即實際風(fēng)機(jī)信號。

1.3.2 轉(zhuǎn)矩計算

由于轉(zhuǎn)矩是計算風(fēng)機(jī)功率的基本參數(shù)，對于不同類型的風(fēng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩測量方法也不同，因此需要先對轉(zhuǎn)矩測量求解，再計算風(fēng)機(jī)的功率。基于材料學(xué)理論可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動軸在轉(zhuǎn)動時，軸距L 上2個截面A、B 在轉(zhuǎn)矩的作用下，產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角即扭轉(zhuǎn)角θ。

根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩原理，假設(shè)轉(zhuǎn)動軸每個截面面積相同時，A、B 的θ 與轉(zhuǎn)矩T 存在正比例關(guān)系，即：

式中：G 為轉(zhuǎn)動軸的剪切模量；IP為轉(zhuǎn)動軸的極慣性矩。

一般情況下，橫截面圓心的IP值可通過轉(zhuǎn)動軸的形態(tài)展開運(yùn)算求解。設(shè)定r1、r2分別表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動軸內(nèi)、外徑，則IP的求解過程為

1.3.3 扭轉(zhuǎn)角計算

為了評估風(fēng)機(jī)的性能和效率，扭轉(zhuǎn)角是指風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行過程中相對于其理論位置的偏移角度。通過測量和計算扭轉(zhuǎn)角，了解風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況。選用頻譜分析算法求解，借助傅里葉變換將2 個相同頻率信號實現(xiàn)變換，按照相頻計算2 個信號的扭轉(zhuǎn)角。

假設(shè)風(fēng)機(jī)信號周期為2W，用a、b 描述傅里葉因子，其計算式為

式中：ω 為風(fēng)機(jī)信號頻率值。

基于以上計算可知，風(fēng)機(jī)每個周期信號都由1個直流分量與若干個諧波疊加構(gòu)成。為此求解2 個信號基波的初始扭轉(zhuǎn)角θm，表達(dá)式為

根據(jù)獲取的2 個信號基波的初始扭轉(zhuǎn)角θm即可出對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角。

根據(jù)以上過程，設(shè)定Y1、Y2表示2 個同頻信號，M 表示單周期內(nèi)風(fēng)機(jī)信號采集點數(shù)，則基波傅里葉因子與扭轉(zhuǎn)角求解過程如下：

將Y1、Y2的基波初始相位完成求解，即可得出風(fēng)機(jī)扭轉(zhuǎn)角θ（y），求解過程為

1.3.4 風(fēng)機(jī)相位差計算

通過磁阻傳感器輸出的交流電流信號得出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動軸的相位差。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸齒帶上安裝4 個永磁體，按照N、S 極交替方式排列，轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動1 圈，則傳感器輸出的信號有q 個過零點。磁阻傳感器輸出信號的周期表示為W，即為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸從第q 個零點時間點到第1 零點時間點的差值，以此得到風(fēng)機(jī)相位差計算式為

通過以上環(huán)節(jié)得出風(fēng)速V、風(fēng)向ζ、扭轉(zhuǎn)角θ、相位差Ж，將這些參數(shù)代入式（1）即可得出風(fēng)機(jī)軸功率，完成風(fēng)機(jī)功率測試。

2 實驗過程與結(jié)果分析

2.1 功率信號曲線準(zhǔn)確性測試

實驗從某現(xiàn)場正在運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)中隨機(jī)選取1 臺風(fēng)機(jī)作為研究對象，轉(zhuǎn)速為2900 r/min，采用軸功率為0.075 kW，配用電機(jī)功率為0.12 kW。

為驗證所提機(jī)艙式激光雷達(dá)方法的有效性，采用LabVIEW2011 軟件生成2 個具有一定時延的功率信號，如圖2（a）所示，設(shè)定測試時長為9 s，信號幅值為2 V，采用所提方法測試功率信號，結(jié)果如圖2（b）所示，并與實際功率信號對比。

圖2 風(fēng)機(jī)功率信號測試結(jié)果分析Fig.2 Analysis of fan power signal test results

由圖2 可知，與實際功率信號相比，所提方法得出功率信號曲線與實際情況一致，因為研究方法通過對采集的信號完成了零均值化與濾波處理，能夠精準(zhǔn)求解風(fēng)機(jī)功率相關(guān)參數(shù)。

2.2 不同相位差下功率測試誤差

實驗設(shè)風(fēng)機(jī)功率信號采樣頻率為10 kHz～16 kHz，經(jīng)試驗得出風(fēng)機(jī)功率信號的相位差數(shù)量等級為0.1°、0.01°、0.001°，風(fēng)機(jī)相位差是指在多個風(fēng)機(jī)運(yùn)行時之間的旋轉(zhuǎn)相位差，較小的相位差更有利于風(fēng)機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。實驗結(jié)果如圖3 所示。

通過圖3 可知，所提方法相對誤差均滿足相位差數(shù)量等級要求，因為所提方法利用傅里葉變換轉(zhuǎn)換風(fēng)機(jī)功率信號頻率，精準(zhǔn)得到信號的頻率，從而相對誤差較小。

為了進(jìn)一步驗證所提方法的測試性能，在上述實驗基礎(chǔ)上添加一定的高斯白噪聲，分析其是否受噪聲影響測試結(jié)果。獲取不同相位差下功率測試結(jié)果的相對誤差，如圖4 所示。

圖4 含噪聲下研究方法的功率測試誤差Fig.4 Power testing error of research methods under noise

圖4 中，當(dāng)風(fēng)機(jī)信號引入高斯白噪聲時，所提方法求解結(jié)果依舊滿足相位差數(shù)量等級要求，因為所提方法利用濾波器能夠抑制高斯白噪聲，為此得出相對誤差極小。

2.3 測試時間開銷

實驗設(shè)定某現(xiàn)場有8 臺風(fēng)機(jī)需要完成功率測量，選取測試時間為試驗指標(biāo)，采用本文研究方法完成功率測試，基于機(jī)艙式激光雷達(dá)技術(shù)可快速精準(zhǔn)采集現(xiàn)場的風(fēng)速與風(fēng)向，為風(fēng)機(jī)功率測試運(yùn)算節(jié)省大量時間，8 臺風(fēng)機(jī)只用18 ms 即完成功率測試任務(wù)。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率測試方法耗時長、精度低的問題，設(shè)計一種機(jī)艙式激光雷達(dá)應(yīng)用下風(fēng)機(jī)功率測試方法。通過激光雷達(dá)采集風(fēng)機(jī)周圍環(huán)境信息（風(fēng)速、風(fēng)向），計算出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、扭轉(zhuǎn)角以及相位差，將求得的參數(shù)代入風(fēng)機(jī)功率求解公式，得出風(fēng)機(jī)功率，進(jìn)而完成功率測試。實驗結(jié)果表明，所提方法功率測試精度高，并能保證測試速度。