CN102854463B - 一种兆瓦级风力模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兆瓦级风力模拟试验系统，用于待测风力发电机组的模拟试验，拖动电机依次连接扭矩仪、齿轮箱，齿轮箱与待测风力发电机组的轮毂通过联轴节连接，风况模拟装置与风电试验控制系统信号连接，第二功率变流器与待测风力发电机组的发电机电气连接，风电试验控制系统与电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、试验测试系统均电气连接。本发明可实现大功率范围的多种风力发电机组的全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电等试验。

Description

一种兆瓦级风力模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风力模拟试验系统及试验方法。

背景技术

风能是一种无污染的绿色能源，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。对于风力发电机组而言，虽然最具说服力的测试方法仍然是风场环境内的现场试验。但是，在风力发电机组的研制及产品试验中，一种能模拟风场实际风况的能适应各类风电机组的多功能的风力模拟试验系统仍是非常需要的。

现有风电技术中存在有多种不同类型的发电机组试验系统和试验方法，但大功率风力发电机组试验基本沿用传统的发电机试验模式，并网馈电，按照风力发电机的功率-转矩-速度特性进行试验。

在先专利201010209749.9公开了一种新型的兆瓦级风力发电机组试验系统及其试验方法。如图1所示，该系统包括10kv进线开关柜、配电变压器、受电柜、全功率变流器、双轴伸拖动电机、联轴节、扭矩仪、减速齿轮箱、风轮模拟器、变流器、转接开关柜、馈电柜、plc、中心控制台以及测量设备；工业电网通过10kv进线开关柜与配电变压器相连，配电变压器将电压降到690V供给受电柜和全功率变流器后驱动拖动电动机；双轴伸拖动电机的两端或一端依次连接联轴节、扭矩仪、减速齿轮箱和风轮模拟器；风轮模拟器再与相应的风力发电机相连产生电能；发电机再通过双馈变流器或全功率变流器与转接开关柜连接；转接开关柜通过馈电柜将电流反馈至配电变压器从而形成完整的电流回路；所述进电控制柜、受电柜、馈电柜及所有变流器都通过光纤与plc和控制台连接；所述测量设备分别对第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点和第六测量点进行检测。

在上述专利的说明书[0004]段中，提出“电网提供的能量经通过一系列装置给双轴伸拖动电机提供电能，拖动电机再经风轮模拟器等一系列装置带动被试机组运转，被试机组产生的电能再通过一系列装置将电能返回到配电变压器从而实现能量回馈；被试机组借助于风轮模拟器可模拟不同风况下的风力机特性，通过测试系统可检测出被试机组的输出特性；同时，通过在馈电环节装设LVRT装置，可测试被试机组的低电压穿越性能”。从上述表述及其附图中可以看出，其试验方法采用的仍然是发电机试验模式，测试被试风力发电机的输出特性。

在上述专利的说明书[0005]段中，提出“双轴伸拖动电机两端(也可以一端)依次连接联轴节、扭矩仪、减速齿轮箱、风轮模拟器；风轮模拟器再与相应的风力发电机相连产生电能”。拖动电机经过减速齿轮箱后，风轮模拟器再与相应的风力发电机相连，这种构成对双馈风力发电机和半直驱风力发电机都是不可行的。模拟的风轮转速很低，无论与双馈风力发电机或半直驱风力发电机联接，都会引起严重的转速匹配问题。风轮模拟器作为器件与风力发电机组直接相连，所谓“可模拟不同风况下的风力机特性”也是几乎不可行的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种兆瓦级风力模拟试验系统及试验方法，可实现大功率范围的多种风力发电机组的全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电等试验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种兆瓦级风力模拟试验系统，用于待测风力发电机组的模拟试验，具有电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、风电试验控制系统、用于模拟风速风向变化的风况模拟装置、试验测试系统、第二功率变流器、实现并网馈电的并网馈电联接柜、低电压穿越模拟装置。

所述的电网配电柜用于与外部工业电网电气连接，所述的电网配电柜与试验电源变压器电气连接，所述的试验电源变压器用于将电网电压降低到启动第一全功率变流器所需的相应电压，所述的试验电源变压器通过电气开关柜与第一全功率变流器电气连接，所述的第一全功率变流器与拖动电机电气连接，所述的拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱，所述的齿轮箱用于与待测风力发电机组的轮毂通过联轴节连接，所述的风况模拟装置与风电试验控制系统信号连接，所述的第二功率变流器与待测风力发电机组的发电机电气连接，所述的第二功率变流器通过并网馈电联接柜与低电压穿越模拟装置电气连接，所述的低电压穿越模拟装置与试验电源变压器电气连接，所述的风电试验控制系统与电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、试验测试系统均电气连接，所述的试验测试系统与待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器均电气连接，所述的第二功率变流器采用双馈变流器或半直驱功率变流器或直驱功率变流器。

一种采用权利要求1所述的兆瓦级风力模拟试验系统进行待测风力发电机组模拟试验的试验方法，外部工业电网通过电网配电柜与试验电源变压器相连，试验电源变压器将电压降到相应电压启动第一全功率变流器并驱动拖动电机，拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱后，与风力发电机组的轮毂相连，风电试验控制系统从风况模拟装置接收到模拟的风速信号，通过计算与判断，向全功率变流器发出相应速度指令，驱动拖动电机运行在相应的风速上，同时，风电试验控制系统向第二功率变流器发出相应扭矩指令，使待测风力发电机组的发电机产生电能，通过第二功率变流器以及并网馈电联接柜转接向试验电源变压器并网馈电，拖动电机通过风况模拟装置和风机试验控制系统模拟不同风况下的风力机特性，通过试验测试系统测试待测风力发电机组的输出特性、待测风力发电机组的偏航功能、待测风力发电机组的变桨功能，通过试验测试系统测试待测风力发电机组并网发电运行过程以及低电压穿越功能。

本发明的有益效果是：拖动电机通过扭矩仪、齿轮箱后与待测风力发电机组的轮毂相连，风电试验控制系统从风况模拟装置接收到模拟的风速信号，通过计算与判断，向全功率变流器发出相应速度指令，驱动拖动电机运行在相应的风速上，轮毂的转动，如同自然风力吹动风电机组的风轮在旋转。与此同时，风电试验控制系统向第二功率变流器发出相应扭矩指令，使待测风力发电机组的发电机产生电能，通过第二功率变流器以及并网馈电联接柜转接向试验电源变压器并网馈电，完成了风能向机械能，机械能向电能的转化过程。拖动电机通过风况模拟装置和风机试验控制系统可模拟不同风况下的风力机特性。通过试验测试系统测试待测风力发电机组的输出特性、待测风力发电机组的偏航功能、待测风力发电机组的变桨功能，通过试验测试系统测试待测风力发电机组并网发电运行过程以及低电压穿越功能。

因此，综上所述，由于采用风况模拟装置和风电试验控制系统，从而使试验系统既能模拟风场实际风况进行试验，又能采用发电机试验方法进行试验；具有加载试验、全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电的全过程测试等试验功能。采用并网馈电联接柜后，第二功率变流器采用双馈变流器或半直驱功率变流器或直驱功率变流器，使试验系统能对双馈风力发电机组或半直驱风力发电机组或直驱风力发电机组进行并网馈电试验。采用低电压穿越模拟装置，试验系统能检测待测风力发电机组的低电压穿越性能。实现大功率范围的多种风力发电机组的全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电等试验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有技术的电气原理图

图2是本发明的电气原理图；

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2所示，一种兆瓦级风力模拟试验系统，用于待测风力发电机组的模拟试验，具有电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、风电试验控制系统、用于模拟风速风向变化的风况模拟装置、试验测试系统、第二功率变流器、实现并网馈电的并网馈电联接柜、低电压穿越模拟装置。

电网配电柜用于与外部工业电网电气连接，电网配电柜与试验电源变压器电气连接，试验电源变压器用于将电网电压降低到启动第一全功率变流器所需的相应电压，试验电源变压器通过电气开关柜与第一全功率变流器电气连接，第一全功率变流器与拖动电机电气连接，拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱，齿轮箱用于与待测风力发电机组的轮毂通过联轴节连接。

风况模拟装置与风电试验控制系统信号连接，第二功率变流器与待测风力发电机组的发电机电气连接，第二功率变流器通过并网馈电联接柜与低电压穿越模拟装置电气连接，低电压穿越模拟装置与试验电源变压器电气连接。

风电试验控制系统与电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、试验测试系统均电气连接。

试验测试系统与待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器均电气连接。

第二功率变流器采用双馈变流器或半直驱功率变流器或直驱功率变流器。

风况模拟装置可模拟恒风、渐风、阶跃风以及轻风、强风和大风等不同风况，能模拟变化风向。试验测试系统可显示和采集风速、风向、机舱方位及桨叶调节速度、桨距角等待测风力发电机组的状态数据；试验测试系统可实时显示和采集待测风力发电机组所需测试的电流、电压、功率因数、功率、效率、扭矩、转速、温度、压力、电能质量和低电压穿越等试验数据和特性曲线。并网馈电联接柜可根据双馈风力发电机或半直驱风力发电机或直驱风力发电机的结构不同变换接线方式，实现并网馈电。低电压穿越模拟装置可模拟电网跌落和恢复的变化状况，测试待测风力发电机组的低电压穿越性能。风电试验控制系统与风况模拟装置、电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、第二功率变流器、并网馈电联接柜、低电压穿越模拟装置以及试验测试系统电气连接，可控制信息和测试数据的采集与交换。风电试验控制系统可修正待测风力发电机组在风轮缺位以及与拖动电机、扭矩仪、齿轮箱联接后的转动惯量偏差。试验电源变压器、第一全功率变流器、拖动电机可根据所在工业电网级别以及待测风力发电机组的额定电压和额定功率确定。根据拖动电机的功率系列，风力模拟试验系统可达到1.85MW/2.8MW/3.6MW/8MW等兆瓦功率等级。

试验时待测风力发电机组安装在试验平台上。待测风力发电机组的轮毂未安装风轮。拖动电机与扭矩仪、扭矩仪与齿轮箱、齿轮箱与待测风力发电机组的轮毂之间均由相应的联轴节连接。

一种采用兆瓦级风力模拟试验系统进行待测风力发电机组模拟试验的试验方法，外部工业电网通过电网配电柜与试验电源变压器相连，试验电源变压器将电压降到相应电压启动第一全功率变流器并驱动拖动电机，拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱后，与风力发电机组的轮毂相连，风电试验控制系统从风况模拟装置接收到模拟的风速信号，通过计算与判断，向全功率变流器发出相应速度指令，驱动拖动电机运行在相应的风速上，同时，风电试验控制系统向第二功率变流器发出相应扭矩指令，使待测风力发电机组的发电机产生电能，通过第二功率变流器以及并网馈电联接柜转接向试验电源变压器并网馈电，拖动电机通过风况模拟装置和风机试验控制系统模拟不同风况下的风力机特性，通过试验测试系统测试待测风力发电机组的输出特性、待测风力发电机组的偏航功能、待测风力发电机组的变桨功能，通过试验测试系统测试待测风力发电机组并网发电运行过程以及低电压穿越功能。

拖动电机通过扭矩仪、齿轮箱后与待测风力发电机组的轮毂相连，风电试验控制系统从风况模拟装置接收到模拟的风速信号，通过计算与判断，向全功率变流器发出相应速度指令，驱动拖动电机运行在相应的风速上，轮毂的转动，如同自然风力吹动风电机组的风轮在旋转。与此同时，风电试验控制系统向第二功率变流器发出相应扭矩指令，使待测风力发电机组的发电机产生电能，通过第二功率变流器以及并网馈电联接柜转接向试验电源变压器并网馈电，完成了风能向机械能，机械能向电能的转化过程。拖动电机通过风况模拟装置和风机试验控制系统可模拟不同风况下的风力机特性。通过试验测试系统测试待测风力发电机组的输出特性、待测风力发电机组的偏航功能、待测风力发电机组的变桨功能，通过试验测试系统测试待测风力发电机组并网发电运行过程以及低电压穿越功能。

风机试验控制系统具有两种试验运行模式：

运行模式一：输入待测风力发电机组的风轮长度R，根据从风况模拟装置接收到的风速V，计算待测风力发电机组输入机械功率Pm，向第一全功率变流器输出速度指令，向第二功率变流器输出扭矩指令，使待测风力发电机组运行在设定风速上，并向工业电网输出相应的电能。

运行模式二：根据从风况模拟装置接收到的风速V，计算待测风力发电机组的发电机转速n，向第一全功率变流器输出速度指令，向第二功率变流器输出扭矩指令，使待测风力发电机组运行在设定风速上，并向工业电网输出相应的电能。

风机试验控制系统的运行模式一是应用模拟风力机试验模式，可进行风电新产品的研发性试验；风机试验控制系统的运行模式二是应用模拟发电机试验模式，可进行常规风电产品的出厂试验或型式试验。

风机试验控制系统在接收到从风况模拟装置发出的风向信息后，向待测风力发电机组的偏航系统发出相应偏航指令，对偏航系统进行测试。由于试验平台不允许机舱旋转，机舱是固定在偏航轴承的内轴上，这样偏航动作就表现为偏航轴承外轴旋转，与机舱旋转方向相反。

风机试验控制系统在接收到从风况模拟装置发出的风速信息后，向待测风力发电机组的变桨系统发出相应变桨指令，对变桨系统进行测试。

风电试验控制系统可设置待测风力发电机组发电运行曲线，测试并记录待测风力发电机组并网发电全过程的运行状态。

风电试验控制系统控制低电压穿越模拟装置，模拟电网跌落和恢复的变化状况，测试待测风力发电机组的低电压穿越性能。

综上所述，由于采用风况模拟装置和风电试验控制系统，从而使试验系统既能模拟风场实际风况进行试验，又能采用发电机试验方法进行试验；具有加载试验、全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电的全过程测试等试验功能。采用并网馈电联接柜后，第二功率变流器采用双馈变流器或半直驱功率变流器或直驱功率变流器，使试验系统能对双馈风力发电机组或半直驱风力发电机组或直驱风力发电机组进行并网馈电试验。采用低电压穿越模拟装置，试验系统能检测待测风力发电机组的低电压穿越性能。实现大功率范围的多种风力发电机组的全功率试验、偏航测试、变桨测试、并网发电等试验。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种兆瓦级风力模拟试验系统，用于待测风力发电机组的模拟试验，其特征在于：具有电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、风电试验控制系统、用于模拟风速风向变化的风况模拟装置、试验测试系统、第二功率变流器、实现并网馈电的并网馈电联接柜、低电压穿越模拟装置，

所述的电网配电柜用于与外部工业电网电气连接，所述的电网配电柜与试验电源变压器电气连接，所述的试验电源变压器用于将电网电压降低到启动第一全功率变流器所需的相应电压，所述的试验电源变压器通过电气开关柜与第一全功率变流器电气连接，所述的第一全功率变流器与拖动电机电气连接，所述的拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱，所述的齿轮箱用于与待测风力发电机组的轮毂通过联轴节连接，所述的风况模拟装置与风电试验控制系统信号连接，所述的第二功率变流器与待测风力发电机组的发电机电气连接，所述的第二功率变流器通过并网馈电联接柜与低电压穿越模拟装置电气连接，所述的低电压穿越模拟装置与试验电源变压器电气连接，所述的风电试验控制系统与电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、试验测试系统均电气连接，所述的试验测试系统与待测风力发电机组轮毂上的变浆系统、待测风力发电机组的偏航系统、低电压穿越模拟装置、第二功率变流器、拖动电机、扭矩仪、齿轮箱、电网配电柜、试验电源变压器、电气开关柜、第一全功率变流器均电气连接，所述的第二功率变流器采用双馈变流器或半直驱功率变流器或直驱功率变流器。

2.一种采用权利要求1所述的兆瓦级风力模拟试验系统进行待测风力发电机组模拟试验的试验方法，其特征在于：外部工业电网通过电网配电柜与试验电源变压器相连，试验电源变压器将电压降到相应电压启动第一全功率变流器并驱动拖动电机，拖动电机通过联轴节依次连接扭矩仪、齿轮箱后，与待测风力发电机组的轮毂相连，风电试验控制系统从风况模拟装置接收到模拟的风速信号，通过计算与判断，向第一全功率变流器发出相应速度指令，驱动拖动电机运行在相应的风速上，同时，风电试验控制系统向第二功率变流器发出相应扭矩指令，使待测风力发电机组的发电机产生电能，通过第二功率变流器以及并网馈电联接柜转接向试验电源变压器并网馈电，拖动电机通过风况模拟装置和风电试验控制系统模拟不同风况下的风力机特性，通过试验测试系统测试待测风力发电机组的输出特性、待测风力发电机组的偏航功能、待测风力发电机组的变桨功能，通过试验测试系统测试待测风力发电机组并网发电运行过程以及低电压穿越功能。