CN102175373A

CN102175373A - 一种大型风力发电机组全功率测试系统

Info

Publication number: CN102175373A
Application number: CN2011100591972A
Authority: CN
Inventors: 杨清宇; 董松; 张冉; 侯立军
Original assignee: Xian Jiaotong University; Renergy Electric Tianjin Ltd
Current assignee: Xian Jiaotong University; Renergy Electric Tianjin Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明公开了一种大型风力发电机组全功率测试系统，通过异步电动机系统代替风轮来拖动风力发电机组并网发电，用于对风力发电机组整机以及关键零部件进行全功率试验测试，并可用于风力发电机组控制策略的验证和优化。通过本发明装置能够大大减少风力发电机组现场调试的时间，从而降低风力发电的开发成本，并可以缩短新型风力发电机组的研制周期，降低研制成本，提高机组性能指标的测试水平，还能够为风力发电机组的控制策略提供优化和验证的系统，促进风力发电机组控制技术的提高。

Description

一种大型风力发电机组全功率测试系统

技术领域

本发明涉及一种大型风力发电机组的测试设备，尤其涉及一种可进行整机全功率试验的测试设备。

背景技术

当前，世界上主要的发展中国家、发达国家都将发展风能作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。风力发电是风能利用的最主要形式，是全球公认的可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业增长的方案，并成为各国不能忽视的一项新的经济增长点。由于风力发电机组结构复杂、运行环境比较恶劣，造成新型机组研发周期长、现场试验困难且成本很高。此外，由于缺乏测试设备，出厂后的机组质量得不到保证，在运行中故障频发，给生产厂商和运营商等造成了巨大的经济损失。因此，能够用于大型风力发电机组出厂试验，对机组整机及其关键零部件进行测试的设备极其重要。

进入21世纪后，随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展，风力发电技术得到飞速发展。相应的风力发电机组也得到不断地改进，总体上机组单机容量向大型化发展，由恒速运行变为变速运行，由定桨矩变为变桨距。当前商用的兆瓦级风力发电机组中，双馈型变速变桨距机组占据市场尤其是中国风电整机市场的主流。

能对风力发电机组整机进行全方位测试的设备需要以异步电动机代替风轮来提供动力，拖动风力发电机组运行，因此对于电动机的控制必须模拟真实风轮的运行特性，并结合测试的机组的控制策略进行控制。作为异步电动机控制器的变频器采用合理的控制技术会直接影响这种模拟的精度和测试的有效性，而采用直接转矩控制技术可以直接将定子磁链和转矩作为控制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此简捷快速并具有较好的动态响应能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型风力发电机组全功率测试系统，实现对大型风力发电机组，主要是兆瓦级双馈型变速变桨距机组，进行全功率试验，并对其控制策略进行优化和验证。

本发明利用大功率的原动机和驱动变频器，拖动风力发电机组运行，并且可以进行无级调速。当速度达到机组并网速度时，机组变频器将风电机组并入电网，并且在并入电网之后通过调整原动机可以在任意速度下运行，通过调节机组变频器的转矩给定和功率因数给定，可以实现任意发电量和功率因数的设置。在此基础之上，通过对机组的风轮进行建模并结合机组的控制策略进行各项试验，完成对整机的测试及对控制策略得到验证和优化。

本发明所采用的技术方案为：

包括电源配置部分、风轮模拟部分、风力发电机组部分、控制系统部分以及上位机系统部分，电源配置部分与工业电网电气连接，从电网获取电能，并通过电缆分别与风轮模拟部分以及风电机组部分相连接，风轮模拟部分与风电机组部分为机械连接，整个系统构成了一个能量循环的结构，控制系统通过电源电缆，控制电缆，信号电缆与测试系统的各部分连接，上位机系统通过网络与控制系统连接。

所述的电源配置系统包括高压配电柜、高压变压器、低压开关柜、以及整流移相变压器；电源配置通过高压配电柜连接到工业电网，高压配电柜与高压变压器的高压侧通过电缆进行连接，低压开关柜与高压变压器的低压侧通过电缆进行连接，低压开关柜对电源进行分配，一路通过电缆与整流移相变压器连接，并通过电缆将电源配置部分与风轮模拟部分的调速变频器连接；低压开关柜通过另一路电缆将电源配置部分与风力发电机组部分的双馈变频器连接。

所述的风轮模拟系统包括调速变频器、原动机、高速联轴节、减速机、十字万向联轴节，其中，调速变频器通过电缆与电源配置部分的整流移相变压器连接，然后通过电缆与异步电机电气连接，异步电机的高速轴使用高速联轴器与减速机的高速轴机械连接，减速机的低速轴与十字万向联轴节之间为机械连接，风轮模拟系统部分的十字万向联轴节机械连接到风力发电机组部分的高速轴。风轮模拟系统原动机采用异步电机，调速变频器使用直接转矩控制。

所述的风电机组为一台商用兆瓦级双馈型变速变桨距机组的机舱部分和电气控制系统部分，风电机组部分的高速轴通过十字万向联轴节和风轮模拟系统机械连接，机组部分中的双馈发电机与双馈变频器为电气连接，然后双馈变频器通过电缆与电源配置部分的低压开关柜连接。

控制系统选用可编程逻辑控制器PLC。

上位机SCADA系统主机选用PC机。

本发明的技术效果为：通过驱动变频器对异步电机进行直接转矩控制并经过传动机构和风力发电机组的主轴连接，能够拖动风电机组运行，当达到并网速度时可将风力发电机组并网发电，并网后可调节电动机在任意转速下运行，并可以调节机组的变频器的转矩和功率因数，可实现机组的全功率并网运行。在这个过程中通过机组的控制系统采集机组的运行信息并传输给测试系统的控制系统，最终由测试系统的SCADA系统对数据进行显示、处理、储存等，得到机组的各项试验结果。这些试验包括机组的静动态调试、并网前的空载试验、零功率并网试验、升功率试验、全功率温升试验、功率曲线验证等等。测试系统能够胜任对机组进行种种出厂试验，并可以对风力发电机组的运行工况进行模拟，并对控制策略进行验证和优化。

附图说明

图1是本发明的连接结构图。

图2是本发明的网络结构图。

图3为本发明的硬件结构图。

图4是本发明的软件结构图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照附图所示，本发明的基本原理是通过大功率的原动机和驱动变频器，拖动风力发电机组运行，并且可以进行无级调速。当速度达到机组并网速度时，机组变频器将风电机组并入电网，并且在并入电网之后通过调整原动机可以在任意速度下运行，通过调节机组变频器的转矩给定和功率因数给定，可以实现任意发电量和功率因数的设置。整个测试系统网络分为应用层、控制层和设备层，所有设备之间共采用四种不同的通讯总线。

第一层是应用层，上位机SCADA系统采用以太网和PLC之间进行通讯。上位监控系统由一个主站服务器和三台操作员分站构成，在和PLC通讯的时候需要通过一个网络交换机来建立连接。SCADA系统通过OPC服务和PLC控制器建立连接，同时SCADA系统为了能够实现保存数据、制作历史记录以及报表等功能还需要安装数据库软件。SCADA系统通过ifix组态软件本身的过程数据库读取、存储实时数据，从其他数据库软件获得历史数据和报表。

第二层是控制层，两台PLC之间采用EtherCAT进行的通讯。EtherCAT是一种高速以太网协议，只要在两台PLC上进行简单的配置就能够实现程序变量的交换。机组主控PLC负责采集整个机组所有的传感器信号并且控制机组相关设备启停，而测试系统PLC负责采集调速变频器、异步电机以及减速机的状态信息，并且负责控制异步电机转速、转矩、启停减速机冷却泵、润滑泵等本地设备，同时还可以对双馈变频器进行远程并网、加载控制。

第三层是设备层，主要设备包括拖动变频器、拖动电机、减速箱、低压配电柜、以及被测试机组上的所有被控设备。试验台PLC通过CANopen与MODBUS总线和风轮特性模拟系统连接，机组塔基PLC和机舱各分站以及双馈变频器之间则采用Profibus总线进行通讯。

参照图3所示，测试系统的硬件配置从功能上可以划分为电源配置部分，风轮模拟系统部分，机组系统部分，测试台控制系统，以及上位机系统部分。电源配置部分主要通过低压开关柜来分配整个测试系统各部分所需要的电源，包括主回路需要的动力电源，操作台控制系统以及机组控制系统需要的电源，以及风轮模拟系统和机组系统各辅助设备所需要的电源。风轮模拟系统部分为整个测试系统的主体部分，用于为机组提供合适的旋转速度，转矩和功率，带动机组系统运行。风轮模拟系统包括的主要硬件设备为整流移相变压器，拖动变频器，拖动电机，高速联轴节，减速机，十字万向联轴节。机组系统是测试系统的测试对象，同时也是完整的测试系统的有机组成部分。本测试系统中的机组系统为一台商用风力发电机组的机舱部分和电气控制系统部分(机舱控制柜，塔基控制柜，双馈变频器)，没有包括风力发电机组的塔架、基础、偏航系统、变桨系统和风轮等部分。测试系统的控制柜是整个系统的控制核心，包括安装板、风扇以及指示灯；安装版上包括有一台PLC控制器，输入输出功能模块，通讯功能模块，以及他的开关电源，电路安全保护器件等。上位机SCADA系统主要位于操作台上，包括了四台PC机、网络交换机、打印机、和四台UPS电源。此外，操作台还配置有多个指示灯和操作按钮。

参照图4所示，测试系统的软件要实现的功能主要包括：(1)风轮模拟系统部分运行状态检测、故障报警、故障显示、安全保护输出功能；能够显示风电机组主控系统画面主要信息并且实现机组相关数据记录、报警、报表打印输出；(2)具有拖动系统输出转速设定功能，使风轮模拟系统直接输出相应转速；具有风能特性选择、设定功能，包括风速的大小，以及风速的变化情况等；(3)为风电机组全功率测试系统提供风能特性仿真输出，并与主驱动变频器通信连接，将风能特性信号(按照制定的规则，根据要模拟的机组运行阶段来确定)转化为相应的转速信号(或转矩信号)，并传递给主驱动变频器，由主驱动变频器根据输入信号变化相应调整主驱动电机的转速，达到模拟风能位置分布和时间的变化特性；(4)模拟机组故障输出，检测整机在不同故障出现时的应对状态及执行能力；(5)利用组态软件远程数据采集监测(SCADA)，生成报表、实时数据记录、打印，历史数据查询。

整个测试系统软件系统由控制层的机组控制程序及界面、测试台控制程序及界面、以及监控层软件，三部分组成。机组控制程序和界面用于采集整个机组所有的传感器信号并且控制机组相关设备启停。测试台控制程序和界面的设计功能包括：(1)设置用户访问权限；拖动系统参数设定；(2)风能特性模拟设定、输出；监控拖动系统运行状态，进行数据记录；(3)生成故障报警，进行输出保护；(4)与风机主控系统数据通信，实时记录数据；(5)监控风电主控系统运行状态并且故障报警，输出保护。测试系统上位机SCADA系统运行于PC机，使用ifix软件和Microsoft SQL Server数据库开发。上位机软件的设计功能包括：(1)人机界面组态监控，实时传达整机各部位运行状态；(2)实时数据趋势显示及历史数据显示；(3)当实时数据超出限界时，或者操作设定超出限界时系统报警，并给出报警确认；(4)使用EXCEL生成报表，浏览显示报表，打印报表；(5)设置操作权限，输入用户名和密码后才能登录；生成安全日志，记录每次登录信息。

Claims

1.一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，包括电源配置部分、风轮模拟部分、风力发电机组部分、控制系统部分以及上位机系统部分，电源配置部分与工业电网电气连接，从电网获取电能，并通过电缆分别与风轮模拟部分以及风电机组部分相连接，风轮模拟部分与风电机组部分为机械连接，整个系统构成了一个能量循环的结构，控制系统通过电源电缆，控制电缆，信号电缆与测试系统的各部分连接，上位机系统通过网络与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，所述的电源配置系统包括高压配电柜、高压变压器、低压开关柜、以及整流移相变压器；电源配置通过高压配电柜连接到工业电网，高压配电柜与高压变压器的高压侧通过电缆进行连接，低压开关柜与高压变压器的低压侧通过电缆进行连接，低压开关柜对电源进行分配，一路通过电缆与整流移相变压器连接，并通过电缆将电源配置部分与风轮模拟部分的调速变频器连接；低压开关柜通过另一路电缆将电源配置部分与风力发电机组部分的双馈变频器连接。

3.根据权利要求1所述的一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，所述的风轮模拟系统包括调速变频器、原动机、高速联轴节、减速机、十字万向联轴节，其中，调速变频器通过电缆与电源配置部分的整流移相变压器连接，然后通过电缆与异步电机电气连接，异步电机的高速轴使用高速联轴器与减速机的高速轴机械连接，减速机的低速轴与十字万向联轴节之间为机械连接，风轮模拟系统部分的十字万向联轴节机械连接到风力发电机组部分的高速轴。风轮模拟系统原动机采用异步电机，调速变频器使用直接转矩控制。

4.根据权利要求1所述的一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，所述的风电机组为一台商用兆瓦级双馈型变速变桨距机组的机舱部分和电气控制系统部分，风电机组部分的高速轴通过十字万向联轴节和风轮模拟系统机械连接，机组部分中的双馈发电机与双馈变频器为电气连接，然后双馈变频器通过电缆与电源配置部分的低压开关柜连接。

5.根据权利要求1所述的一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，控制系统选用可编程逻辑控制器PLC。

6.根据权利要求1所述的一种大型风力发电机组全功率测试系统，其特征在于，上位机SCADA系统主机选用PC机。