作者：姚兴佳等
出版社：电子工业出版社
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风力发电测试技术试读：
前言
近年来，随着煤炭、石油等化石燃料的日渐枯竭及气候变暖等环境问题的影响，可再生能源的开发利用越来越受到人们的重视。风能是可再生能源的重要形式之一。风能的主要利用方式是风力发电，即把风的动能转换成电能，然后再加以利用。在可再生能源领域，风力发电是技术上最成熟、最具规模化开发和商业化发展前景的分支领域。
截至2009年年底，全球风力发电总装机容量已经达到157.899GW，并且以大约30%的速度增长；我国累计装机容量也已跃过20GW大关，达到25.8053GW，风电装机容量居世界第2位；2009年当年，我国新增风电装机10129台，装机容量13.8032GW，占全球新增风电装机的1/3，超过美国排名全球第一。目前，我国已经基本掌握单机容量1.5MW以下大型风力发电设备的制造技术，消化吸收国外先进技术和自主研发的具有自主知识产权的0.8～2.0MW变速双馈风力发电机组及变速直驱风力发电机组已经开始规模化批量生产。2009年，首批3.0MW功率等级的海上风力发电机组已经在上海、江浙等近海区域风电场投入运行，5.0 MW风力发电机组也正在加速研制过程中，有望短期内取得突破性成果。在国家风力发电设备国产化政策的有力推动下，风力发电设备零部件制造水平也有了较大提高，具备了叶片、齿轮箱、发电机、控制器和变流器等关键部件的设计、制造能力。
与快速发展的风力发电技术和风电产业相比，我国的风力发电测试技术显得相对落后，这一点主要表现在风力发电机组整机、部件测试技术和运行性能测试技术水平还不能适应风力发电技术快速发展的需要。风力发电技术是涉及空气动力工程、机械工程、电气工程、信息及计算机工程、力学工程、电力电子变流技术等多种学科的综合技术，科技含量高，技术难度大；风力发电机组面对的是台风、雷电、潮湿、盐雾、酷热、高寒等各种恶劣的工作环境及严格的电网条件，运行工况复杂而多变。来自外部和内部的种种因素使风力发电机组的可利用率、风电转换效率及使用寿命受到很大影响，很多重大事故的发生，往往源于一个数据的错误或一种信息的疏忽，因此，如何实现对风力发电机组从零部件到整机的设计、制造，直至并网运行的全过程进行跟踪检测，成为提升风电设备质量、确保风电产业健康发展的重要环节之一。
风力发电测试技术是风力发电技术的重要组成部分，风力发电技术的发展离不开测试技术的进步，测试技术的进步又保证和促进了风力发电技术的发展。作者二十余年从事风力发电研发的实践有力地证明了这一点。因此，需要积极推动风力发电测试技术的研究和相关人才的培养，以便为我国风力发电的大规模开发和利用准备必要的技术和人才支持。本书作者就是在这样一种责任感的激励下策划并最终完成了本书的。
本书对风力发电测试技术作了较为系统的介绍，是作者在多年教学经验和科研、生产实践的基础上，综合已获得的“风轮功率输出模拟系统”、“风力发电机综合检测仪”、“台架式动平衡实验台”、“兆瓦级变速恒频风电机组测试系统与现场试验研究”等相关研究成果，并参考了大量文献资料和国家有关标准后精炼而成的。全书共分7章，第1章简要介绍有关测量和测量误差的基础知识；第2章介绍风力发电中一些基本物理量的测量，包括风参数的测量，基本电量和基本机械量的测量、谐波测量及温度测量等；第3章介绍风力发电机组主要部件的测试，包括风轮叶片、主传动装置、发电机、变流器及偏航、变桨距、制动等执行机构的测试；第4章重点介绍风力发电机组的噪声与振动测试，精辟的理论分析和丰富的应用实例是本章的一大亮点；第5章介绍风力发电机组的整机测试，首先介绍整机试验平台的原理、结构和功能，然后介绍整机的安全系统测试、控制系统测试和整机现场测试技术等；第6章介绍风力发电机组的运行性能测试，包括功率特性测试、电能质量测试和载荷测试等；第7章简要介绍有关风力发电机组质量认证的基本概念、主要内容、操作流程和检验规范等。本书在强调风力发电测试技术的基本原理和测试方法的同时，力求向读者展现风力发电测试技术的最新成果和发展动向，以启发读者在这一工作领域的研究与创新。
姚兴佳教授是本书的主要策划者、组织者和执笔人；唐德尧教授及其团队（包括曾承志、李合林、王晓立、王智、曾明军）完成了第4章；宣安光高级工程师完成了第3章的齿轮箱测试部分；张锦南高级工程师及其团队（包括王建新、郭辉、李东海）完成了第3章的风轮叶片测试部分；参加本书其他章节执笔的还有王益全教授、邢作霞副教授、单光坤副教授、王英博、宋筱文、刘颖明、王晓东、王士荣和井艳军等。由姚兴佳教授完成全书的审稿和定稿工作。
本书是以风力发电测试技术为主题而成书的首次尝试，是在沈阳工业大学风能技术研究所、北京唐智科技有限公司、上海玻璃钢研究院有限公司和杭州前进齿轮箱集团有限公司等单位及其相关人员的共同努力下完成的，本书的完成有赖于上述单位丰富的科研成果和生产实践经验。
东方汽轮机厂、沈阳华人风电科技有限公司、沈阳博鉴检测有限公司等单位为本书提供了资料、图片及咨询等方面的支持，在此一并表示感谢。
对于电子工业出版社及其相关人员在本书完成过程中所给予的指导和帮助谨致谢意。
在编写本书过程中所参考的主要著作和论文已列入书后的参考文献中，以便读者进一步查阅，对于这些文献的作者对本书的贡献，作者表示衷心感谢。
由于作者水平有限，书中缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。
姚兴佳
2010年8月风力发电工程与应用丛书编委会
主任委员：叶杭冶
副主任委员：姚兴佳 王志新
委员：（以姓氏笔画为序）王益全 申新贺 史晓鸣 邢作霞 许国东 陈棋
丛书策划：张剑第1章 测量与测量误差基础
简单地说，测试技术就是测量与试验技术。风力发电测试技术就是风力发电机组中各种物理量的测量，以及零部件与整机的参数、功能及性能的测试技术。在对风力发电机组进行测试时，应严格贯彻和执行相关国家标准，按照国家标准所规定的测试条件和测试方法进行测试，以便对风力发电机组的零部件和整机的功能、性能及其安全性做出评价。风力发电是一种近年来才得到快速发展的新能源技术，与其设计、制造、控制等技术一样，风力发电测试技术也在发展中不断完善。测试技术的不断进步又反过来促进了风力发电技术的进一步发展。
参加测试的人员必须了解风力发电机组的结构与特性，具备有关测量与试验的基本知识和基本技能。本章将简要介绍有关测量和测量误差的基本知识。1.1 测量基础知识1.1.1 测量与单位
为了表示某物理量的数量，必须有一个与该物理量具有相同性质的标准量作为比较基准，这个标准量称为单位。求取某物理量是标准量单位的多少倍的操作称为测量。用于完成这种操作的装置称为测量器具（如仪器、仪表、量具等）。测量结果应由数值和单位两部分组成，没有单位的数值是没有物理意义的。
设被测量为x，单位量为x，则测量结果的数值A为0x
式（1-1）称为测量的基本方程。显然，对于同一个被测量，若所选用的单位不同，测量结果的数值也不相同。
以最高的精确度和稳定性建立起来的专门用于规定、保持和复现某种物理量单位的特殊量具或仪器称为基准器，基准器一般保存在国际级的权威研究机构中。根据基准复现的量值制成的不同等级的标准量具或仪器称为标准器。电量标准器主要有标准电池、标准电阻器、标准电容器及频率标准等。电量标准器的精确度很高，但使用起来不太方便，工程应用中，往往采用标准电压、电流发生器或高精度的数字式多功能仪表来代替。指示式仪表校验时，也可以用比该仪表高出1～2个准确度等级以上的同类仪表作为校验用标准器。
确定电量单位的实验称为绝对测量。图1-1所示为利用电流天平进行电流绝对测量的示意图。当被测电流I流过线圈时，可动线圈产生向下的作用力F，用天平测量该力并求得电流I。
努力维护由绝对测量求出的电量单位作为标准器的准确性是每个国家的义务，各国之间也以这些基本单位作为各国之间比较的标准语言。图1-1 电流的绝对测量1.1.2 国际单位制
测量单位的确定和统一是非常重要的。要使同一个物理量在不同的时间、地点测量时有相同的结果，必须采用统一的、固定不变的单位。世界各国大多以法律的形式来规定计量单位，国际上统一使用的单位制称为国际单位制（SI），国际单位制是世界各国在国际计量大会上协商确定的。
根据1971年国际计量大会的规定，国际单位制（SI）中有7个基本单位（参见表1-1），2个辅助单位（参见表1-2）及19个具有专门名称的导出单位（参见表1-3）。同时规定了以国际单位制为基准的用于构成十进倍数和分数单位的词头（参见表1-4）。表1-1 国际单位制（SI）的基本单位表1-2 国际单位制（SI）的辅助单位表1-3 国际单位制中具有专门名称的导出单位表1-4 用于构成十进倍数和分数单位的词头1.1.3 测量仪表
1.测量仪表的分类
根据测量原理及测量值表示方法的不同，测量仪表可分为模拟式和数字式两大类。模拟式仪表利用被测量产生力矩，驱动指针运动，使指针产生相应的位移或偏转相应的角度来指示被测量的大小，其优点是能够及时、简洁地反映被测物理量的大小关系，其缺点是因操作者的经验不足或疏忽等原因，容易引起测量误差。
数字式仪表则是首先利用传感器对被测量进行检测，由传感器将被测量（电量或非电量）转换成传感器输出的标准电信号（即0～5V电压信号或0～20mA电流信号等），然后将电信号（模拟量）转换成数字信号，并用计数器进行计数，再用数码管或液晶显示器等数字显示被测量，其构成框图如图1-2所示。数字式仪表的优点是精确度高，缺点是当被测物理量变化时，其测量值难以瞬时读取。在测量精度方面，数字式仪表相对模拟式仪表有着绝对的优势。数字式仪表在风力发电的整机测试和在线测试中得到了广泛应用。图1-2 数字式仪表的构成
用指针的偏转来表示电量的模拟式仪表称为指示式电工仪表。指示式电工仪表在风力发电的零部件测试和整机测试中得到了广泛应用。指示式电工仪表可按工作原理、准确度等级、用途等进行分类。国家标准GB776规定，指示式电工仪表的准确度等级可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7个等级。表1-5列出了指示式电工仪表按工作原理的分类。其中应用最为广泛的是电磁系和电动系电工仪表。电磁系仪表结构简单、体积小、价格便宜，主要安装在控制柜和控制盘面板上，用做供电线路或供电设备的电压、电流指示；电动系仪表准确度较高、价格较贵，主要用于电气设备（如发电机、电动机、变压器等）的型式试验或性能测试中。表1-5 指示式电工仪表的分类与应用
2.指示式电工仪表的结构
指示式电工仪表主要由以下4部分构成：① 使指针偏转的驱动部分；② 平衡驱动力矩的控制部分；③ 抑制指针振荡的阻尼部分；④ 数据读取部分。下面以指示式电工仪表中精确度和灵敏度较高，结构也比较简单的动圈式电流表为例加以说明。
图1-3所示为动圈式电流表的结构。在永磁体N、S上装有两个电工纯铁制成的极靴P，可动线圈C绕制在矩形骨架上，骨架上、下分别装有转轴、轴承和游丝，以及与转轴成直角的可以自由转动的指针等。图1-3 动圈式仪表的结构
当被测电流流过可动线圈时，产生与电流I成正比的驱动力矩T，使指针偏转，即d
指针偏转使游丝被拉紧并产生弹性控制力矩T。当T与T平衡时，ccd指针将停止在与被测量大小相应的位置。这时，指针的偏转角度θ与驱动力T和控制力矩T的关系为dc
由式（1-2）和式（1-3）可知，被测电流I与指针偏转角度θ成正比。因此，动圈式仪表的标尺分度是均匀的。
然而，在指针向平衡点摆动的过程中，在游丝弹性力的作用下会产生围绕平衡点的振荡，因此需要有一个能够使振荡快速停止的制动力，这就是阻尼力矩。在指示式仪表中，产生阻尼力矩的方式主要有空气阻尼方式和电磁阻尼方式两种，如图1-4所示。图1-4 指示式仪表的阻尼方式
指示式电工仪表的数据读取部分俗称表盘。表盘上记载了仪表型号、量度标尺、准确度等级、应用电路符号、工作原理符号、仪表放置方式、被测量单位符号、制造厂及仪表编号等信息。一种电气试验时常用的D26—A型电动系交直流两用电流表的表盘如图1-5所示。由图1-5中可以看出，该电流表的准确度等级为0.5级，可用于直流电流和交流电流的测量，测量单位为安[培]（A）。满量程为100A，该电流表为电动系仪表，使用时应水平放置。图1-5 D26—A型电动系电流表的表盘1.2 测量误差基础
在生产实践和科学研究中，常常需要进行各种测量和试验。一个物理量的真实值称为该物理量的真值。一般来说，进行测量和试验时所测得的值并非是该物理量的真值。测量结果与被测量真值之间的差称为测量误差。一切测量和试验结果都有误差，误差自始至终存在于一切测量和试验的过程中。1.2.1 测量误差的来源与分类
按照误差的性质，测量误差可分为系统误差、随机误差和疏忽误差三类。下面对这三种误差的来源分别作简要介绍。
1）系统误差 在相同条件下多次测量同一物理量时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时按某一确定规律变化的误差称为系统误差。引起系统误差的原因主要有：由于测量原理或测量方法不完善而引起的误差，仪器仪表本身的误差，以及试验人员操作的熟练程度和不良习惯引起的误差等。
系统误差表征了测量结果的准确度。
2）随机误差 这是一种大小和符号都不确定且无一定变化规律的误差。随机误差产生的原因比较复杂，如测试环境条件（如环境的温度、湿度、压力、风速等）的随机变化，电源电压的随机波动，电磁干扰，大地震动等。
随机误差表征了测量结果的精密度。
3）疏忽误差 也称为粗大误差，这是一种严重歪曲测量结果的误差。产生的主要原因是由于操作人员的粗心大意，如错误操作、读数错误、记录错误、计算错误等。包含疏忽误差的数据称为坏值，应予剔除。
随机误差一般很小，工程上常可忽略不计，只有在精密测量时需要考虑。工程上主要考虑的是系统误差。1.2.2 测量误差的表示方法
测量误差可以用绝对误差来表示，也可用相对误差来表示，在评价仪器仪表的准确度等级时，又常采用引用误差。目前，数字式仪表的应用越来越广泛，本小节也将简要介绍数字仪表误差的表示方法。
1）绝对误差 某物理量的测量值 x 与其真值 x之差称为该测量值0的绝对误差Δx，即
实际上，式（1-4）中的真值x是未知的，因此计算绝对误差时0常用约定真值来代替。获得约定真值的方法主要有：
对被测物理量作足够多次测量，取其算术平均值作为其约定真值
用高出一个或几个准确度等级的仪表测量，以其指示值作为被测值的约定真值
2）相对误差 相对误差γ定义为绝对误差Δx与真值x之比的百分0值，即
工程上，为了方便起见，式（1-5）中的真值x常用测量值x来代0替，这时求得的是相对误差的近似值，即
常用相对误差来表征测量的精度。相对误差越小，测量的精度就越高。
3）引用误差 引用误差主要用于评价指示式仪表的准确度等级。若仪表的满量程为x，被测量的绝对误差为Δx，则引用误差γ的定mm义为：
GB776中规定，指示式电工仪表分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7个准确度等级。例如，一块电压表的准确度等级为0.5级，是指该电压表的最大引用误差为 0.5%，也就是说，用该电压表测量电压时，所产生的最大绝对误差与其满量程x之比的百分值不大于m±0.5%。
4）数字式仪表误差的表示方法 数字式仪表的误差常用以下两种方法表示：
式中，Δx为被测物理量的绝对误差；a为误差的相对项系数；x为被测量的显示值；b为误差的固定项系数；x为数字式仪表量程的m满度值；ndgt表示n个计数单位。
式（1-8）和式（1-9）表明，数字式仪表的绝对误差由两部分组成，一部分与被测量的相对误差有关，这部分误差与显示值x成正比，称为读数误差；另一部分不随显示值x变化，当满度值一定时，这部分误差是一个固定值，称为满度误差。
由式（1-8）和式（1-9）可以看出，两种表示方法中，读数误差的表示方法相同，而满度误差则有两种表示方法。实际上，这两种满度误差的表示方法（±b%x和±ndgt）是完全一致的，举例说明如m下。
有一台位的数字式多功能仪表，其最大读数为49999。用于直流电压测量时，其4V量程的测量误差为±（0.07%U+2），即该量x程的满度误差为±2dgt。这个“±2dgt”相当于该仪表5位显示值的末位数字的±0.0002V。因此，用式（1-8）来表示该仪表的误差时，可记为±（0.07%U+0.005%4V）。x
可以看出，该数字式仪表的满度误差用（±2dgt）表示或用（±0.005%4V）表示是完全一致的。由于式（1-9）的表示方法更为简洁方便，因此成为用来表示数字式仪表误差的常用方法。
下面用两个计算实例来说明仪表及其测量量程的选择对测量误差的影响。
例1-1 要测量约80V的电压，现有两块电压表，其中一块为1.0级、满度值为100V，另一块为0.5级、满度值为300V，用哪块表测量精度会更高些呢?【解答】 显然，测量的相对误差越小，测量精度就越高，因此只需分别计算出使用两块仪表测量时的相对误差就可以了。
由式（1-6）和式（1-7）可以导出测量的最大相对误差公式如下：
式中，x为满度值；x为测量值，γ为仪表的引用误差。mm
采用1.0级、满度值为100V的电压表测量80V电压时的最大相对误差为
采用0.5级、满度值为300V的电压表测量80V电压时的最大相对误差为
计算结果表明，采用1.0级、满度值为100V的电压表测量时的相对误差小于采用0.5级、满度值为300V的电压表，即前者的测量精度高于后者。可见，测量精度的高低与测量仪表的准确度等级并不完全是一回事，如果仪表的量程选择不当，即使准确度等级高的仪表也会产生较大的测量误差。
由式（1-10）可知，对于选定的仪表，其引用误差γ是一个定数m（准确度等级的百分数），因此被测量x越接近满度值x，测量的相对m误差就越小。可见，在选择仪表量程时，应尽可能使仪表的指示值接近满度值 x。一般情况下，为了保证测量具有较高的精度，应使仪m表的指示值在以上。
例1-2 用前面介绍的位多功能数字式仪表的 4V 直流电压挡分别测量直流4V电压和0.1V电压，试分别计算两次测量的相对误差。已知该仪表的测量误差为±（0.07%U+2）。x【解答】 测量4V电压时的绝对误差为
可以看出，测量的绝对误差中，读数误差是主要的（0.0028V），而满度误差只占很小的一部分（0.0002V）。
测量4V电压时的相对误差为
测量0.1V电压时的绝对误差为
可以看出，这时测量的绝对误差中，读数误差所占的比重已经很小（0.00007V），而满度误差所占的比重则大幅增加（0.0002V）。
测量0.1V电压时的相对误差为
通过本例的计算可以看出以下两点。（1）使用数字式仪表时，仍然要根据被测值的大小选择合适的量程，用大量程测较小量时，也会使测量的精度大为降低。可以看出，测量精度下降的原因是不变的满度误差在绝对误差中所占的比重大幅度增加。（2）数字式仪表显示的位数越高，满度误差对测量精度的影响越小，越可以制成高精度仪表，当然，仪表的价格也就越贵。例如，如果上面的数字式仪表是位的，若其他条件不变，则测量4V电压时的相对误差增大为0.12%，测量0.1V电压时的相对误差已经增大为2.07%（请读者按例1-2的方法加以验证）。显然，与位的仪表相比，测量精度已大大降低。1.2.3 有效数字
风力发电机组测试时，需要利用各种仪器仪表读取各种测量数据，还需要进行各种运算，以及对数据的修正和标准化处理，最后得到风力发电机组的参数和特性。在测试和数据处理过程中，都会遇到有效数字的问题，下面作简要介绍。
1）有效数字 由于仪器仪表本身存在误差，测试时所读取的数据并非每一位都是正确有效的。把考虑了误差之后的有意义的数字称为有效数字。
例如，使用数字式万用表来测量某电动机绕组的冷态直流电阻，已知该万用表电阻挡的准确度为±1%，绕组电阻的显示值为10.63Ω。
由于仪表的准确度为1%，因此显示值10.63的第3位数字“6”是含有一定误差但有意义的数字，而第4位数字“3”则已经淹没在误差之中，是一个毫无意义的数字。也就是说，显示值10.63的有效数-1字为3位，可记作10.6或106×10。写成以下几种形式是错误的：10.63、10.60等，因为这是4位有效数字的记法，而用该万用表测量电阻时，尚达不到这一精度。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]