CN102156044B - 适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机模拟器，包括原动机系统和上位机。原动机系统包括变频器、三相异步电动机和减速齿轮箱；上位机包括数据采集卡、工业控制计算机、转速编码器、风速仪和风力机模拟软件。在风力机模拟器工作的每个循环周期，上位机获取转速和风速信号，通过风力机模拟软件计算出原动机系统的输出参考转矩，并发送给原动机系统中的变频器。由变频器通过转矩控制调整减速齿轮箱的输出机械转矩。针对现有的基于三相异步电动机的风力机模拟器难以实现低转速大转矩的输出特性，本发明提供了一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器。

Description

适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器选型方法

技术领域

本发明属于风力发电及其测试技术领域，特别是一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器及其选型方法。

背景技术

风能作为一种可再生的清洁能源日益受到世界各国的广泛重视。开发利用风能，大力发展风力发电技术，对于解决全球性的能源危机和环境污染具有重要的意义。虽然最具说服力的测试方法仍然是风电场环境内风电机组的现场实验。但是，成本低廉、安全可靠、易于安装维护和实验条件便于控制的风力发电模拟实验平台非常适用于前期预研或经费有限的风电科研机构。

风力机模拟器实际上是整个风电模拟实验平台的核心。它可以逼近不同风速条件下真实风力机的转矩输出特性(包括静态的和动态的)。现有风力机模拟器大部分采用变频器驱动异步电动机的设计思路(结构原理图如图1所示)。由于直接连接发电机，它在高输出转速(一般大于300rpm)时具有良好输出性能和模拟效果。而将现有风力机模拟器直接应用于直驱型风电机组模拟实验平台时，很低的输出转速要求(一般不超过50rpm，大型风机每分钟仅有几十甚至十几转)使其存在如下缺陷：1)运行于极低频率的变频器的稳态性能不佳。以4极异步电机为例，若要使原动机的输出转速匹配直驱型风机的低转速范围，则要求变频器长期运行于1.0Hz附近。如此低的频率要求使得异步电机的稳态输出转矩存在较大波动，严重影响风力机模拟的准确性；2)低转速高转矩的长期负载特性对于异步电机的选型提出了更高的指标，即根据实际风力机输出最大扭矩选择原动机，则异步电机的功率选型要远高于发电机，大大提高了设备成本；3)异步电机低速运行时的散热冷却不佳，极易出现过热问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器及其选型方法。从而克服了现有风力机模拟器很难实现低转速高转矩的输出性能，以匹配直驱型风电机组的模拟实验。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器，包括原动机系统和上位机两部分，所述原动机系统包括变频器、三相异步电动机和减速齿轮箱，变频器与三相异步电动机电气连接，三相异步电动机与减速齿轮箱机械连接，变频器接收上位机发送的转矩指令，并按转矩指令调整减速齿轮箱低速轴的输出转矩和转速；上位机包括数据采集卡、工业控制计算机、转速编码器、风速仪，所述转速编码器测量三相异步电动机的转速，并将转速信号传输给数据采集卡，风速仪将测量的风速信号传输给数据采集卡，数据采集卡综合接收到的信号并传输给工业控制计算机。

一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待测风机的设计参数，获取工作风速区间内风力机的最大转速和最大转矩；具体利用公式：

$T_{\max }^{\mathrm{turbine}}=\frac{{9550P}_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{turbine}}}{{\mathrm{\η}}^{\mathrm{turbine}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，

为风力机的最大转速，单位为rpm；为风力机的最大转矩，单位为Nm；为待测风机的额定功率，单位为KW；η^turbine为待测风机传动部分和电气部分的总效率；

步骤2、确定减速齿轮箱的减速比G：

$G=\frac{{60f}_{\max }}{{\mathrm{PK}}_{\mathrm{\ω}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，f_max为变频器工作频率上限，单位为Hz；P为异步电动机的极对数；K_ω为模拟器转速放大系数；

步骤3、确定三相异步电机的额定转矩T_rate(Nm)和额定功率

$T_{\mathrm{rate}}=\frac{K_T{T}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}{G}$

$P_{\mathrm{rate}}^m=\frac{n_{\mathrm{rate}}{T}_{\mathrm{rate}}}{9550}$

其中，K_T为转矩放大系数，n_rate为异步电机的额定转速，单位为rpm；

步骤4、确定变频器的额定容量

其中K_I为变频器容量安全系数；U^m为异步电机的额定电压，单位为V；η^m为异步电机的效率；为异步电机的功率因素。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)由于变频器和异步电机运行于合适的频率范围，本发明在低转速条件下能够提供具有良好稳态性能的大转矩输出，适用于直驱型风电机组的测试；2)由于减速齿轮箱放大了异步电机的输出转矩，降低了对异步电机的转矩输出要求。因此，可以按待测风力发电机的最大转矩的缩小值选型变频器和异步电机，从而大大减小了模拟器的制造成本；3)由于减速齿轮箱放大了异步电机的输出转矩，低转矩输出降低了变频器与异步电机的运行电流和铜损，提高了模拟器的工作效率和使用寿命；4)高转速运行的异步电机不容易出现过热问题。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为现有的基于异步电机的风力机模拟器结构原理图。

图2为适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器结构图。

图3为风速模拟的算法框图。

图4为风力机模拟算法的流程框图。

图5为风力机模拟器的工作流程图。

具体实施方式

结合图2，一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器，包括原动机系统和上位机两部分，所述原动机系统包括变频器、三相异步电动机和减速齿轮箱，变频器与三相异步电动机电气连接，三相异步电动机与减速齿轮箱机械连接，变频器接收上位机发送的转矩指令，并按转矩指令调整减速齿轮箱低速轴的输出转矩和转速；上位机包括数据采集卡、工业控制计算机、转速编码器、风速仪，所述转速编码器测量三相异步电动机的转速，并将转速信号传输给数据采集卡，风速仪将测量的风速信号传输给数据采集卡，数据采集卡综合接收到的信号并传输给工业控制计算机。

工业控制计算机装有风力机模拟软件，该软件具体包括：风速产生器(包括风速采集、风速数据库或风速模拟)、转速采集、风力机转矩模拟、风力机转动惯量模拟和塔影效应引起的转矩脉动模拟。在一个模拟周期内，上位机采集转速和风速信号，通过模拟算法计算出原动机系统的输出参考转矩，并发送给原动机系统。结合图4，风力机模拟算法具体为：

(1)风速模拟

基于自回归滑动平均(ARMA)模型，建立了指定功率谱密度的短期(600秒)风速模型。风速模拟的算法框图如图3所示。

(2)风力机转矩模拟

根据贝茨理论，风力机捕获转化的功率为：

P_blade＝0.5ρπR²v³C_P(λ，β)

其中，ρ为空气密度；R为风力机半径；v为风速；C_P为风能利用系数，在某一桨距角β下，它是叶尖速比λ的函数。而叶尖速比定义为：

λ＝ωR/v

式中，ω为风力机的角速度。进一步地，风力机的输出机械转矩为：

T_blade＝0.5ρπR³v²C_T(λ，β)

式中，C_T为转矩系数，C_T＝C_P(λ，β)/λ。

机械转矩T_blade即为风力机模拟的参考转矩。对于待实验模拟的直驱型风电机组来说，需要确定其风力机的风能利用系数曲线或转矩系数曲线。为此，本模拟器提供了数值查表和多项式拟合两种曲线设置方式。

(3)转矩脉动模拟

由于风机杆塔的阻碍，均匀的风流场在经过风力机时出现了局部的重新分布现象。这种因杆塔引起的风流场的局部变化会使风力机(主要指水平轴风力机)输出转矩产生周期性的脉动，称为塔影效应。可以在T_blade上叠加一个脉动分量，用以描述受塔影效应影响的风力机输出机械转矩T′_blade，如下述公式所示。

T′_blade＝T_blade-T_tower(zωt)

其中，T_tower为塔影效应引起的转矩减少量；z为叶片数量；t为时间。

(4)风力机转动惯量模拟

待实验模拟直驱型风电机组的转动惯量一般要远大于原动机系统。因此，为了让两者具有相同的动态过程，还需要在风力机输出机械转矩T′_blade基础上加入补偿转矩T_comp，从而实现对风力机大转动惯量进行模拟。此时，要求原动机系统的输出机械转矩为：

(10)

式中，J_motor和J_blade分别为原动机系统和待测风力机的转动惯量。

在一个模拟周期内，上位机采集转速和风速信号，通过模拟算法计算出原动机系统的输出参考转矩，并发送给原动机系统中的变频器。由变频器调整控制减速齿轮箱的输出机械转矩。风力机模拟器的工作流程图如图5所示。

一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待测风机的设计参数，获取工作风速区间内风力机的最大转速和最大转矩；具体利用公式：

$T_{\max }^{\mathrm{turbine}}=\frac{{9550P}_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{turbine}}}{{\mathrm{\η}}^{\mathrm{turbine}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，

为风力机的最大转速，单位为rpm；

为风力机的最大转矩，单位为Nm；为待测风机的额定功率，单位为KW；η^turbine为待测风机传动部分和电气部分的总效率，一般为0.90～0.95。

步骤2、确定减速齿轮箱的减速比G：

$G=\frac{{60f}_{\max }}{{\mathrm{PK}}_{\mathrm{\ω}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，f_max为变频器工作频率上限，单位为Hz；P为异步电动机的极对数；K_ω为模拟器转速放大系数；f_max取55～60Hz，P选择2或3；K_ω取1.1～1.2。

步骤3、确定三相异步电机的额定转矩T_rate(Nm)和额定功率

$T_{\mathrm{rate}}=\frac{K_T{T}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}{G}$

$P_{\mathrm{rate}}^m=\frac{n_{\mathrm{rate}}{T}_{\mathrm{rate}}}{9500}$

其中，K_T为转矩放大系数，一般取1.1～1.2。n_rate为异步电机的额定转速，单位为rpm；

步骤4、确定变频器的额定容量

其中K_I为变频器容量安全系数，一般取1.05～1.1；U^m为异步电机的额定电压，单位为V；η^m为异步电机的效率；

为异步电机的功率因素。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

对于某待测的低风速风力发电机组，适配的原动机系统选型步骤如下：

步骤1：已知 $n_{\max }^{\mathrm{turbine}}=50\mathrm{rpm},$ $P_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{turbine}}=30\mathrm{KW},$ η^turbine＝0.95，则

$T_{\max }^{\mathrm{turbine}}=\frac{9550\×30}{0.95\×50}=6031.6\mathrm{Nm}.$

步骤2：取f_max＝60Hz，P＝3，K_ω＝1.2，则

$G=\frac{60\×60}{3\×1.2\×50}=20$

步骤3：取K_T＝11，n_rate＝980rpm，可计算得到T_rate和

$T_{\mathrm{rate}}=\frac{1.1\×6031.6}{20}=331.7\mathrm{Nm}$

$P_{\mathrm{rate}}^m=\frac{980\×331.7}{9550}=34.0\mathrm{KW}$

步骤4：取K_I＝1.1，U^m＝380，η^m＝0.92，

则

$I_{\mathrm{cont}}^{\mathrm{inv}}=\frac{1000\×1.1\×34.0}{\sqrt{3}\×380\×0.92\×0.90}=68.6A.$

Claims (5)

1.一种适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据待测风机的设计参数，获取工作风速区间内风力机的最大转速和最大转矩；具体利用公式：

$T_{\max }^{\mathrm{turbine}}=\frac{{9550P}_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{turbine}}}{{\mathrm{\η}}^{\mathrm{turbine}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，

为风力机的最大转速，单位为rpm；

为风力机的最大转矩，单位为Nm；为待测风机的额定功率，单位为KW；η^turbine为待测风机传动部分和电气部分的总效率；

步骤2、确定减速齿轮箱的减速比G：

$G=\frac{{60f}_{\max }}{{\mathrm{PK}}_{\mathrm{\ω}}{n}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}$

其中，f_max为变频器工作频率上限，单位为Hz；P为异步电动机的极对数；K_ω为模拟器转速放大系数；

步骤3、确定三相异步电机的额定转矩T_rate(Nm)和额定功率

$T_{\mathrm{rate}}=\frac{K_T{T}_{\max }^{\mathrm{turbine}}}{G}$

$P_{\mathrm{rate}}^m=\frac{n_{\mathrm{rate}}{T}_{\mathrm{rate}}}{9550}$

其中，K_T为转矩放大系数，n_rate为异步电机的额定转速，单位为rpm；

步骤4、确定变频器的额定容量

其中K_I为变频器容量安全系数；U^m为异步电机的额定电压，单位为V；η^m为异步电机的效率；为异步电机的功率因素。

2.根据权利要求1所述的适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，其特征在于，步骤1中η^turbine为0.90～0.95。

3.根据权利要求1所述的适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，其特征在于，步骤2中f_max取55～60Hz，P选择2或3；K_ω取1.1～1.2。

4.根据权利要求1所述的适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，其特征在于，步骤3中K_T取1.1～1.2。

5.根据权利要求1所述的适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器的原动机系统选型方法，其特征在于，步骤4中K_I为1.05～1.1。

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