CN102818953A - 风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法，涉及风力发电技术领域，解决了现有风况模拟系统模拟精度较低、模拟工况与真实工况不一致的问题。本发明实施例中，由于控制器能同时向第一变流器和第二变流器发送控制信号，这样达到了同时控制电动机和发电机的目的，使得电动机能按指定转速运转，并使发电机按指定转矩运转，另外，由于指定转速为从风机工作现场采集的风机的实际转速，且指定转矩为从风机工作现场采集的风机主轴的实际转矩，因此该实际转速和实际转矩不是通过运用模型或者仿真计算得到的，这样保证了实验数据与现场风况下风机的工作数据一致。从而达到了以高精度真实模拟现场风况的目的。

Description

风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法。

背景技术

风能作为一种新型能源已经被世界各国大力发展。风力发电机组是风能利用的典型装置，它是一个复杂的机电一体化系统，且体积庞大，安装和维护成本都很高。

为了能在安装前获知风力发电机组存在的性能缺陷，以便于及时消除这些缺陷，从而避免风力发电机组安装后故障率高导致的维护成本显著增加的问题发生，现有技术提出了一种在实验室中使用的风况模拟系统，如图1所示，用于将自然界的风况转换为拖动风力发电机组的输出载荷，再通过齿轮箱及联轴器将该输出载荷传递至被试风力发电机组。

其中，拖动风力发电机组包括拖动变频器及拖动电机；被试风力发电机组包括发电机及变流器；变流器与变压器的低压侧电连接，用于通过变压器将发电机产生的电能输送至电网；拖动变频器与变压器的低压侧电连接，用于将从电网获得电能以使拖动电机运转；HMI(人机界面)与拖动变频器电连接，用于向拖动变频器输入风况模拟信号。

如图1所示，由于HMI(人机界面)只包括提前编制好的、有规律的典型风况，例如正弦风、方波风等，而风机工作现场的实际风况并不局限于这些有规律的典型风况，因此，这种系统的模拟精度较差。

为了提高风况模拟的精度，现有技术提出了用试验台控制器代替HMI的方案，试验台控制器中保存有预先定义好的风况模型和风机模型，试验台控制器通过对模型仿真运算，得到不同风况模型下的控制信号，进而控制拖动变频器。由于这种系统的模拟精度受限于仿真软件的性能以及风机模型的完善度，因此仍不能达到较高的模拟精度。

发明内容

本发明的实施例提供一种风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法，解决了现有风况模拟系统的模拟精度较低、模拟工况与真实工况不一致的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种风况模拟系统，包括：变压器、拖动风力发电机组、联轴器、被试风力发电机组及控制器；所述拖动风力发电机组包括第一变流器及与其连接的电动机；所述被试风力发电机组包括第二变流器及与其连接的发电机；所述第一变流器连接所述变压器的低压侧；所述第二变流器连接所述变压器的低压侧；所述联轴器直接连接所述电动机的输出轴及所述发电机的输入轴；所述控制器包括第一信号输出端及第二信号输出端；所述第一信号输出端电连接所述第一变流器，用于向所述第一变流器发送第一控制信号，使所述电动机按指定转速运转；所述第二信号输出端电连接所述第二变流器，用于向所述第二变流器发送第二控制信号，使所述发电机按指定转矩运转；且所述第一控制信号与所述第二控制信号同时发送；所述指定转速为从风机工作现场采集的所述风机的实际转速；所述指定转矩为从所述风机工作现场采集的所述风机主轴的实际转矩。

其中，所述控制器还包括信号输入端及反馈控制模块，所述信号输入端电连接所述第二变流器，用于获取所述发电机的输出载荷；所述反馈控制模块，用于当所述发电机的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

优选地，所述控制器还用于将所述第三控制信号通过所述第一信号输出端发送至所述第一变流器，以控制所述电动机的转速；和/或将所述第三控制信号通过所述第二信号输出端发送至所述第二变流器，以控制所述发电机的转矩。

一种风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，使用上述的风况模拟系统来实现，包括：数据采集步骤：从风机工作现场采集所述风机的实际转速作为指定转速，同时采集所述风机主轴的实际转矩作为指定转矩；同步步骤：所述控制器向所述拖动风力发电机组中的第一变流器发送第一控制信号，使所述电动机按指定转速运转，同时向所述被试风力发电机组中的第二变流器发送第二控制信号，使所述发电机按指定转矩运转。

其中，所述数据采集步骤还包括：从所述风机工作现场采集所述风机的实际输出载荷。

优选地，所述风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法还包括反馈控制步骤：所述控制器获取所述发电机的输出载荷；所述控制器中的所述反馈控制模块在确定所述发电机的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

其中，所述控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，包括：所述控制器将所述第三控制信号通过所述第一信号输出端发送至所述第一变流器，以控制所述电动机的转速；和/或将所述第三控制信号通过所述第二信号输出端发送至所述第二变流器，以控制所述发电机的转矩。

进一步地，所述第一控制信号的形成方法包括：根据所述被试风力发电机组中所述第二变流器和所述发电机的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算所述被试风力发电机组的输入载荷；根据所述被试风力发电机组的输入载荷，及所述拖动风力发电机组中所述第一变流器和所述电动机的效率，计算所述第一控制信号。

进一步地，所述第二控制信号的形成方法包括：根据所述被试风力发电机组中所述第二变流器和所述发电机的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算所述被试风力发电机组的输入载荷，根据所述被试风力发电机组的输入载荷，计算所述第二控制信号。

本发明实施例提供的风况模拟系统及其在风电机组试验台上实现的方法中，由于控制器能同时向第一变流器和第二变流器发送控制信号，这样达到了同时控制电动机和发电机的目的，使得电动机能按指定转速运转，并使发电机按指定转矩运转，且电动机输出轴通过联轴器与发电机组输入轴直接连接，可防止由于电动机与发电机之间传动系转动惯量大导致的电动机输出载荷与发电机输入载荷不平衡的问题，从而防止了模拟精度变差的问题。另外，由于上述指定转速为从风机工作现场采集的风机的实际转速，且指定转矩为从风机工作现场采集的风机主轴的实际转矩，因此该实际转速和实际转矩不是通过运用模型或者仿真计算得到的，这样保证了实验数据与现场风况下风机的工作数据一致。从而达到了以高精度真实模拟现场风况、模拟工况与真实工况达到一致的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中风况模拟系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种风况模拟系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种风况模拟系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种风况模拟系统在风电机组试验台上实现方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法中第一控制信号形成方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法中第二控制信号形成方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种风况模拟系统，如图2所示，包括：变压器4、拖动风力发电机组1、联轴器5、被试风力发电机组2及控制器3；拖动风力发电机组1包括第一变流器11及与其连接的电动机12；被试风力发电机组2包括第二变流器21及与其连接的发电机22；第一变流器11连接变压器4的低压侧；第二变流器21连接变压器4的低压侧；联轴器5直接连接电动机12的输出轴及发电机22的输入轴；控制器3包括第一信号输出端out1及第二信号输出端out2；第一信号输出端out1电连接第一变流器11，用于向第一变流器11发送第一控制信号，使电动机12按指定转速运转；所述第二信号输出端out2电连接第二变流器21，用于向第二变流器21发送第二控制信号，使发电机22按指定转矩运转；且所述第一控制信号与所述第二控制信号同时发送；所述指定转速为从风机工作现场采集的风机的实际转速；所述指定转矩为从所述风机工作现场采集的风机主轴的实际转矩。

其中，由于拖动风力发电机组1包括第一变流器11及与其连接的电动机12，被试风力发电机组2包括第二变流器21及与其连接的发电机22；且第一变流器11连接变压器4的低压侧；第二变流器21连接变压器4的低压侧，因此，发电机22输出的电能由变压器4转换后输送至电网，同时，变压器4也能提供给电动机12所需要的电能。

本发明实施例提供的风况模拟系统中，由于控制器3能同时向第一变流器11和第二变流器21发送控制信号，这样达到了同时控制电动机12和发电机22的目的，使得电动机12能按指定转速运转，并使发电机22按指定转矩运转，且电动机输出轴通过联轴器与发电机组输入轴直接连接，可防止由于电动机12与发电机22之间传动系转动惯量大导致的电动机12输出载荷与发电机22输入载荷不平衡的问题，从而防止了模拟精度变差、模拟工况与真实工况不一致的问题。

另外，由于上述指定转速为从风机工作现场采集的风机的实际转速，且指定转矩为从风机工作现场采集的风机主轴的实际转矩，因此该实际转速和实际转矩不是通过运用模型或者仿真计算得到的，这样保证了实验数据与现场风况下风机的工作数据一致。从而达到了以高精度真实模拟现场风况、模拟工况与真实工况一致的目的。

上述风况模拟系统中，由于电动机12的输出轴及发电机22的输入轴通过联轴器5直接连接，且联轴器5的效率很高，因此，使得电动机12的输出载荷能够基本无损地传递给发电机22。

上述实施例描述的风况模拟系统中，控制器3还可以如图3所示，包括信号输入端in及反馈控制模块31，信号输入端in电连接第二变流器21，用于获取发电机22的输出载荷；反馈控制模块31，用于当发电机22的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制发电机22的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

具体地，由于在控制电动机12以指定转速运转时，需要通过计算获得第一控制信号，同时，在控制发电机22以指定转矩运转时，也需要通过计算获得第二控制信号，且计算过程存在误差，因此，受控的电动机12和发电机22实际运行时并不能完全达到指定转速和指定转矩，为了避免计算误差对风况模拟精度的影响，可采用上述闭环控制的方法，当发送了第一控制信号和第二控制信号后，控制器3通过信号输入端in接收第二变流器21检测的发电机22的输出载荷，控制器3中的反馈控制模块31将该检测到的输出载荷与从风机工作现场采集的实际输出载荷进行对比，并且当对比的结果为不相等时，产生第三控制信号，以对发电机22和/或电动机12的运行参数进行调整，从而达到使发电机22的输出载荷等于从风机工作现场采集的实际输出载荷的目的。

上述控制器3在进行闭环控制时，还可以用于将所述第三控制信号通过第一信号输出端out1发送至第一变流器11，以控制电动机12的转速；和/或将所述第三控制信号通过第二信号输出端out2发送至第二变流器21，以控制发电机22的转矩。

也就是说，控制器3可以同时将所述第三控制信号分别输出给第一变流器11和第二变流器21，以同时控制电动机12的转速和发电机22的转矩，以达到使发电机22的输出载荷等于从风机工作现场采集的实际输出载荷的目的。另外，控制器3也可以只将控制信号输出给第一变流器11，控制电动机12的转速，以达到使发电机22的输出载荷等于从风机工作现场采集的实际输出载荷的目的。或者，控制器3只将控制信号输出给第二变流器21，控制发电机22的转矩，以达到使发电机22的输出载荷等于从风机工作现场采集的实际输出载荷的目的。

本发明实施例还提供了一种风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，该方法使用上述实施例描述的风况模拟系统来实现，如图4所示，包括如下步骤。

401、数据采集步骤：从风机工作现场采集所述风机的实际转速作为指定转速，同时采集所述风机主轴的实际转矩作为指定转矩。

402、同步步骤：控制器3向拖动风力发电机组1中的第一变流器11发送第一控制信号，使电动机12按指定转速运转，同时向被试风力发电机组2中的第二变流器21发送第二控制信号，使发电机22按指定转矩运转。

本发明实施例提供的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法中，由于控制器3能同时向第一变流器11和第二变流器21发送控制信号，这样达到了同时控制电动机12和发电机22的目的，使得电动机12能按指定转速运转，并使发电机22按指定转矩运转，且由于电动机输出轴通过联轴器与发电机组输入轴直接连接，可防止由于电动机12与发电机22之间传动系转动惯量大导致的电动机12输出载荷与发电机22输入载荷不平衡的问题，从而防止了模拟精度变差、模拟工况与真实工况不一致的问题。

另外，由于上述指定转速为从风机工作现场采集的风机的实际转矩，且指定转矩为从风机工作现场采集的风机主轴的实际转矩，因此该实际转速和实际转矩不是通过运用模型或者仿真计算得到的，这样保证了实验数据与现场风况下风机的工作数据一致。从而达到了以高精度真实模拟现场风况、模拟工况与真实工况一致的的目的。

进一步地，上述数据采集步骤还可以包括：从所述风机工作现场采集所述风机的实际输出载荷。因此，风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法还可以包括反馈控制步骤：控制器3获取发电机22的输出载荷；进而控制器3将获取的发电机22输出载荷与风机工作现场的实际输出载荷对比，控制器3中的反馈控制模块31在确定发电机22的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制发电机22的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

具体地，控制器3通过采集第二变流器21的输出电压、电流值来获取发电机22的输出载荷。

上述方法中，由于在控制电动机12以指定转速运转时，需要通过计算获得第一控制信号，同时，在控制发电机22以指定转矩运转时，也需要通过计算获得第二控制信号，且计算过程存在误差，因此，受控的电动机12和发电机22实际运行时并不能完全达到指定转速和指定转矩，为了避免计算误差对风况模拟精度的影响，可采用上述闭环控制的方法，当发送了第一控制信号和第二控制信号后，控制器3通过信号输入端in接收第二变流器21检测的发电机22的输出载荷，控制器3中的反馈控制模块31将该检测到的输出载荷与从风机工作现场采集的实际输出载荷进行对比，并且当对比的结果为不相等时产生第三控制信号，以对发电机22和/或电动机12的运行参数进行调整，从而达到使发电机22的输出载荷等于从风机工作现场采集的实际输出载荷的目的。

其中，控制发电机22的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，具体可包括：控制器3将所述第三控制信号通过第一信号输出端out1发送至第一变流器11，以控制电动机12的转速；和/或将所述第三控制信号通过第二信号输出端out2发送至第二变流器21，以控制发电机22的转矩。

也就是说，控制器3可同时控制第一变流器11和第二变流器21；也可以控制其中一个。然而，每一种控制方法都能达到控制发电机22的输出载荷与所述从风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷相同的目的，即实现了风况模拟系统的闭环控制。

本发明实施例提供的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法中各步骤已在对风况模拟系统的描述中进行了详细说明，在此不再赘述。

下面通过图5和图6对第一和第二控制信号的形成方法进行说明，

图5示出了上述风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法中第一控制信号的形成方法，可包括如下步骤。

501、根据被试风力发电机组2中第二变流器21和发电机22的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算被试风力发电机组2的输入载荷。

502、根据被试风力发电机组2的输入载荷，及拖动风力发电机组1中第一变流器11和电动机12的效率，计算所述第一控制信号。

另外，第二控制信号的形成方法可如图6所示，包括如下步骤：

601、根据被试风力发电机组2中第二变流器21和发电机22的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算被试风力发电机组2的输入载荷。

602、根据被试风力发电机组2的输入载荷，计算所述第二控制信号。

通过计算获得的控制信号，可以用来控制电动机12和发电机22。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种风况模拟系统，包括：变压器、拖动风力发电机组、联轴器、被试风力发电机组及控制器；其特征在于，所述拖动风力发电机组包括第一变流器及与其连接的电动机；所述被试风力发电机组包括第二变流器及与其连接的发电机；

所述第一变流器连接所述变压器的低压侧；所述第二变流器连接所述变压器的低压侧；所述联轴器直接连接所述电动机的输出轴及所述发电机的输入轴；

所述控制器包括第一信号输出端及第二信号输出端；所述第一信号输出端电连接所述第一变流器，用于向所述第一变流器发送第一控制信号，使所述电动机按指定转速运转；所述第二信号输出端电连接所述第二变流器，用于向所述第二变流器发送第二控制信号，使所述发电机按指定转矩运转；且所述第一控制信号与所述第二控制信号同时发送；

所述指定转速为从风机工作现场采集的所述风机的实际转速；

所述指定转矩为从所述风机工作现场采集的所述风机主轴的实际转矩。

2.根据权利要求1所述的风况模拟系统，其特征在于，所述控制器还包括信号输入端及反馈控制模块，所述信号输入端电连接所述第二变流器，用于获取所述发电机的输出载荷；

所述反馈控制模块，用于当所述发电机的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

3.根据权利要求2所述的风况模拟系统，其特征在于，所述控制器还用于将所述第三控制信号通过所述第一信号输出端发送至所述第一变流器，以控制所述电动机的转速；和/或，

将所述第三控制信号通过所述第二信号输出端发送至所述第二变流器，以控制所述发电机的转矩。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，所述的实现方法包括：

数据采集步骤：从风机工作现场采集所述风机的实际转速作为指定转速，同时采集所述风机主轴的实际转矩作为指定转矩；

同步步骤：所述控制器向所述拖动风力发电机组中的第一变流器发送第一控制信号，使所述电动机按指定转速运转，同时向所述被试风力发电机组中的第二变流器发送第二控制信号，使所述发电机按指定转矩运转。

5.根据权利要求4所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，所述数据采集步骤还包括：从所述风机工作现场采集所述风机的实际输出载荷。

6.根据权利要求5所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，还包括反馈控制步骤：

所述控制器获取所述发电机的输出载荷；

所述控制器中的所述反馈控制模块在确定当所述发电机的输出载荷不等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷时，产生第三控制信号，以控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷。

7.根据权利要求6所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，所述的控制所述发电机的输出载荷等于从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷的步骤，包括：

所述控制器将所述第三控制信号通过所述第一信号输出端发送至所述第一变流器，以控制所述电动机的转速；和/或，

将所述第三控制信号通过所述第二信号输出端发送至所述第二变流器，以控制所述发电机的转矩。

8.根据权利要求4所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，所述第一控制信号的形成方法包括：

根据所述被试风力发电机组中所述第二变流器和所述发电机的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算所述被试风力发电机组的输入载荷；

根据所述被试风力发电机组的输入载荷，及所述拖动风力发电机组中所述第一变流器和所述电动机的效率，计算所述第一控制信号。

9.根据权利要求4所述的风况模拟系统在风电机组试验台上实现的方法，其特征在于，所述第二控制信号的形成方法包括：

根据所述被试风力发电机组中所述第二变流器和所述发电机的效率，及从所述风机工作现场采集的所述风机的实际输出载荷，计算所述被试风力发电机组的输入载荷；

根据所述被试风力发电机组的输入载荷，计算所述第二控制信号。

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