CN104020418B - 直驱同步风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直驱同步风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法，其中模拟运行系统包括电网接入装置、两台风机装置以及变流器主控制器，每台风机装置包括一直驱同步双绕组型的电机和两条支路，每条支路上设置有一全功率型的变流器，该两条支路的第一端与电网接入装置连接，该两条支路的第二端分别与电机的两组绕组连接，两台风机装置的电机传动连接，传动比为1:1；变流器主控制器用于在进行模拟运行时，对各个变流器进行控制，使一台成为拖动风机装置，另一台成为被测风机装置。本发明采用了完全对等的两个风机装置，并将两个风机装置的电机直接进行传动连接，省去了现有技术中体积庞大的齿轮箱和变频器，节省了模拟运行系统所占的空间。

Description

直驱同步风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法，尤其涉及一种直驱同步风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法。

背景技术

风力发电机是一种将风能转化为电能的设备，研发出新机型后需要在厂内完成相关的型式试验，验证其功能指标是否符合设计要求。因为叶片较长、较大而需要风力驱动，厂内无法真正实现叶轮转动产生扭矩，所以设计一种拖动系统，由拖动端模拟叶轮转动产生扭矩带动风机中的发电机旋转，由变流器实现并网发电。

如图1所示是现有技术的同步风力发电机的模拟运行系统的结构示意图，该模拟运行系统由变频器01、变频器控制器02、被测电机G、减速齿轮箱03、拖动电机M、被测变流器04、被测变流器控制器05、隔离变压器T1组成，在现有技术中，拖动电机M采用的是异步电机，测试时由变频器01驱动拖动电机M高速旋转，减速齿轮箱03降低转速拖动被测电机G转动，并经由被测变流器04和隔离变压器T1实现并网发电。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有试验模拟系统的缺点在于：对于模拟运行系统而言，减速齿轮箱所占据的空间较大，并且随着测试次数的增加，齿轮箱的磨损加剧且可靠性大大降低。此外，由于风力发电机的机组功率容量不断地增大，需要较大减速齿轮箱和大容量的变频器，对于直驱同步电机测试，显然是一种资源浪费。

发明内容

本发明的实施例提供直驱同步风力发电机的模拟运行系统及模拟运行方法，提高直驱同步风力发电机的模拟运行系统的可靠性和测试实验的灵活性以及可扩展性。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直驱同步风力发电机的模拟运行系统，包括：电网接入装置、两台风机装置以及变流器主控制器，每台所述风机装置包括一直驱同步双绕组型的电机和两条支路，每条支路上设置有一全功率型的变流器，该两条支路的第一端与所述电网接入装置连接，该两条支路的第二端分别与所述电机的两组绕组连接，两台所述风机装置的电机传动连接，传动比为1:1；在进行模拟运行时，通过所述变流器主控制器对各个变流器进行控制，使两台风机装置中的一台成为拖动风机装置，另一台成为被测风机装置。

本发明还提供了一种直驱同步风力发电机的模拟运行方法，该模拟运行方法基于上述的直驱同步风力发电机的模拟运行系统，其包括如下步骤：通过电网接入装置使各个支路的第一端与电网电连接；对每条支路上的变流器进行预充电；闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；选择一台风机装置作为拖动风机装置，对该拖动风机装置的两个变流器进行控制，使得该拖动风机装置的两个变流器的网侧变流器单元进行整流、机侧变流器单元进行逆变，将逆变后的电流分别输出到该拖动风机装置的电机的每组绕组上，并对该拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率进行设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速；选择另一台风机装置作为被测风机装置，对该被测风机装置的两个变流器进行控制，使该被测风机装置的两个变流器的机侧变流器单元进行整流、网侧变流器单元进行逆变，并使被测风机装置的两个变流器与电网进行并网，并对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定；监控所述拖动风机装置的电机的拖动转速，如果所述拖动转速低于所述目标并网转速，则调整所述拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使所述拖动转速稳定在所述目标并网转速上。

本发明的模拟运行系统及模拟运行方法具有如下技术效果：在本发明的模拟运行系统中，采用了完全对等的两个风机装置，并将两个风机装置的电机直接进行传动连接，省去了现有技术中体积庞大的齿轮箱和变频器，节省了模拟运行系统所占的空间。并且，通过变流器主控制器对各个变流器的控制，可以灵活地将两个风机装置的角色进行调换，增大了模拟运行系统的灵活性以及可扩展性。

附图说明

图1为现有技术的同步风力发电机的模拟运行系统的结构示意图。

图2为本发明实施例一的模拟运行系统的结构示意图。

图3为本发明实施例一的变流器及变流器主控制器的结构示意图。

图4为本发明实施例一变流器主控制器的模块结构示意图。

图5为本发明实施例一的测量系统的数据采集功能的树状结构示意图。

图6为本发明实施例二的模拟运行系统的结构示意图。

图7为本发明实施例三的模拟运行方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

实施例一

如图2所示，其为本发明实施例一的模拟运行系统的结构示意图，本实施例的直驱同步风力发电机的模拟运行系统，其包括：电网接入装置3、两台风机装置(对应图2中的风机装置1和风机装置2)以及变流器主控制器5，每台所述风机装置包括一直驱同步双绕组型的电机(对应于图2中的电机M和电机G)和两条支路，每条支路上设置有一全功率型的变流器，该两条支路的第一端与电网接入装置3连接，该两条支路的第二端分别与电机的两组绕组连接；两台风机装置的电机传动连接，传动比为1:1，在进行模拟运行时，通过变流器主控制器5对各个变流器进行控制，使两台风机装置中的一台成为拖动风机装置，另一台成为被测风机装置。

对于直驱同步型电机而言，可以将两台电机的转轴直接进行传动连接，其中任何一台可以作为拖动电机去拖动另一台进行发电。对全功率型的变流器来说，其网侧变流器单元和机侧变流器单元为对称结构，因此，可以进行互换使用。

本实施例的直驱同步风力发电机的模拟运行系统采用了完全对等的两个风机装置，并将两个风机装置的电机直接进行传动连接，省去了现有技术中体积庞大的齿轮箱和变频器，节省了模拟运行系统所占的空间。而且可以通过变流器主控制器对变流器的控制，实现两台风机装置的角色切换，即可以使其中的任意一台风机装置成为拖动风机装置，而另一台作为被测风机装置，从而使该模拟运行系统可以通过切换对两台风机装置进行分别试验，增强了模拟运行系统的可扩展性和灵活性。

在本实施例中，通过电网接入装置3将两个风机装置与电网连接，通过变流器主控制器5对各个变流器的控制，将左侧的风机装置1设定为被测风机装置，其变流器和电机相应地成为被测变流器11和被测变流器12以及被测电机G，将右侧的风机装置2设定为拖动风机装置，其变流器和电机相应地成为拖动变流器21和拖动变流器22以及拖动电机M。需要说明的是，基于本发明实施例的模拟运行系统，也可以将右侧的风机装置2设定为被测风机装置，将左侧的风机装置1设定为拖动风机装置。此外，如图3所示，其为本发明实施例一的变流器及变流器主控制器的结构示意图，变流器主控制器5通过对变流器的网侧变流器单元101和机侧变流器单元102的变流控制以及对网侧断路器103和机侧断路器104的开关控制等，能够将变流器控制执行被测变流器的功能(将机械能转换为电能输出)或者执行拖动变流器的功能(将电能转换为机械能输出)，从图3的变流器的结构可以看出，网侧变流器单元101和机侧变流器单元102的结构是相对称的，因此，可以通过变流器主控制器的控制进行灵活的角色切换。图3中示出的C_dc为母线电容，U_dc为母线电压。变流器主控制器可以对应于每个变流器单独设置，也可以对图2中的多个变流器统一设置一个变流器主控制器，图3中仅示意性地示出了一个变流器对应一个变流器主控制器的情形。

具体地，如图4所示，其为本发明实施例一变流器主控制器的模块结构示意图，变流器主控制器5可以包括如下控制单元：

第一变流器控制单元51，用于闭合每个变流器的网侧断路器103和机侧断路器104。该控制操作使得变流器进入工作状态；

第二变流器控制单元52，用于选择一台风机装置作为拖动风机装置，对该拖动风机装置的两个变流器进行控制，使得该拖动风机装置的两个变流器的网侧变流器单元进行整流、机侧变流器单元进行逆变，将逆变后的电流分别输出到该拖动风机装置的电机的每组绕组上，并对该拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率进行设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速。该控制操作使得其中一台风机装置成为了拖动另一台风机装置的拖动电机装置。以图2为例，该操作针对拖动变流器21和拖动变流器22进行的；

第三变流器控制单元53，用于选择另一台风机装置作为被测风机装置，对该被测风机装置的两个变流器进行控制，使该被测风机装置的两个变流器的机侧变流器单元进行整流、网侧变流器单元进行逆变，并使被测风机装置的两个变流器与电网进行并网，并对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定。该控制操作使得该另一台风机装置作为被测风机装置进行模拟发电。以图2为例，该操作针对被测变流器11和被测变流器12进行的；

第四变流器控制单元54，用于监控拖动风机装置的电机的拖动转速，如果拖动转速低于目标并网转速，则调整拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使拖动转速稳定在目标并网转速上。该操作使得整个模拟系统开始了正常了模拟运行状态，在此状态下，可以测试被测风机装置的各个部分的性能指标等。

在上述的内容中，涉及两个主要的参数即目标并网转速和目标并网功率，这两个参数都是根据实际的实验需要而设定的，在进行模拟运行的过程中，希望被测风机装置的变流器的输出功率稳定在目标并网功率，拖动风机装置的电机的拖动转速稳定在目标并网转速上，在这样的条件下进行各种风机的测试。对于被测风机装置的变流器的输出功率而言，在对变流器设定了目标并网功率后，其输出功率会自动稳定在目标并网功率上，而拖动风机装置的电机的拖动转速会由于被测风机装置的变流器向电网侧输出了输出功率而出现降低的情形，因此，需要实施监控拖动风机装置的电机的拖动转速，在出现拖动转速降低时，及时调整拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使拖动转速稳定在目标并网转速上，从而也使被测风机的电机稳定在目标并网转速上。

通过上述变流器主控制器的控制操作，使得两台风机装置进入模拟运行状态，实现了通过一台风机装置作为拖动风机装置拖动另一台作为被测风机装置进行模拟运行，而被测风机装置发出的电能再循环至拖动风机装置，实现电能到机械能再到电能的转化过程。此外，上述电网接入装置3可以包括电网接入断路器QF1和隔离变压器T1，隔离变压器T1的一次侧绕组通过电网接入断路器QF1与电网连接，隔离变压器T1的二次侧绕组与每条支路的第一端连接。通过电网接入断路器QF1和隔离变压器T1能够控制两台风机装置与电网的连接状态，对整个模拟运行系统进行开关控制。其中，在实际应用中，隔离变压器将高压10KV或35KV变换成变流器的额定运行电压690V。另外，在各个支路上还可以进一步设置有电感器，如图2所示，各个支路上的分别设置有电感器L1至L4，防止各个变流器之间出现环流和谐振。

此外，可以在两台风机装置的电机传动连接的部分设置扭矩传感器4，还可以在每条支路的变流器的两侧分别设置有电信号传感器(图2中示出为电信号传感器CT1至CT8)，这些电信号传感器可以测量模拟平台的电压、电流、频率、功率、谐波等参数，其具体形态可以为电流传感器或电压传感器等。通过设置扭矩传感器以及电信号传感器等，可以在模拟运行状态下，采集各个变流器的输入输出的电信号以及两台电机之间的扭矩状况，从而能够方便地进行模拟运行测试。图5所示，其为本发明实施例一的测量系统的数据采集功能的树状结构示意图，电信号传感器CT1至CT8根据位置的不同构成了功率测量单元A1至A4，各个功率测量单元分别用来检测每个变流器的发电侧和网侧的功率，功率测量单元A1至A4和扭矩传感器4构成了测量系统的主要功能模块。

基于上述模拟运行以及传感器所采集的数据，就能够对风机装置进行各种测试，例如温升测试、负载特性测试、故障模拟测试、效率测试、并网特性测试、电能质量测试、振动测试、功能性测试以及停机测试等。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：每个风机装置的两条支路的第二端之间还设置有连接开关。如图6所示，其为本发明实施例二的模拟运行系统的结构示意图，在风机装置1和风机装置2中分别设有连接开关QF2和QF3。通过该连接开关可以将双绕组电机的两组绕组接到同一变流器上，这样，整个模拟运行系统可以实现双绕组电机使用单变流器的模拟运行实验。而断开该连接器，则模拟运行系统成为双绕组双变流器的模拟运行系统。对于实现双绕组电机使用单变流器的模拟运行实验的具体控制方法属于现有技术范畴，在此不再赘述。

通过以上的设计，就可以兼容3MW以下和3MW以上的功率级别不同的两类风机的实验了。对于3MW以上风力发电机组采用两台变流器并联运行，测试时将并联运行的两台变流器分别接电机的两套绕组，实现电能到机械能再到电能的转化过程。对于3MW以下风力发电机组可以采用单台变流器，测试时可以只使用风机装置1和风机装置2中的一条支路即可，即将被测变流器12和拖动变流器21的机侧连接同步电机的两组绕组，拖动变流器21通过整流和逆变拖动电机旋转，将电能转化为机械能，被测电机G将拖动电机M产生的机械能转化成电能，被测变流器12将被测电机G产生的低频电流电压转化为电网能接受的电能实现并网发电。

实施例三

本实施例为基于上述实施例一的模拟运行系统的模拟运行方法，其包括如下步骤：

电网接入步骤：通过电网接入装置使各个支路的第一端与电网电连接。具体地，可以闭合图2中的电网接入断路器QF1，使各个支路与电网电连接。

预充电步骤：对每条支路上的变流器进行预充电。从而将各个变流器内部的直流母线电压充电至950V。

断路器闭合步骤：闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；

拖动电机侧变流器控制步骤：选择一台风机装置作为拖动风机装置，对该拖动风机装置的两个变流器进行控制，使得该拖动风机装置的两个变流器的网侧变流器单元进行整流、机侧变流器单元进行逆变，将逆变后的电流分别输出到该拖动风机装置的电机的每组绕组上，并对该拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率进行设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速。结合图2所示，例如，将风机装置2设定为拖动风机装置的情况下，通过对其变流器21、变流器22进行拖动转速的设定，将风机装置2中的作为拖动电机M的转速控制到目标转速，从而拖动风机装置2中的被测电机G达到目标转速，在模拟测试完成后，可以再控制变流器降低拖动转速，控制电机M逐渐停机。

被测变流器侧变流器控制步骤：选择另一台风机装置作为被测风机装置，对该被测风机装置的两个变流器进行控制，使该被测风机装置的两个变流器的机侧变流器单元进行整流、网侧变流器单元进行逆变，并使被测风机装置的两个变流器与电网进行并网，并对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定。结合图2，例如，将风机装置1作为被测风机装置的情况下，风机装置1的被测电机G被风机装置2的拖动电机M拖动，变流器11和变流器12在初始的切入转速下开始进行电流调制，开始并网工作，然后逐渐被拖动至目标转速，通过变流器主控制器对变流器进行输出功率设定，使变流器的输出功率保持在目标并网功率上，在模拟测试完成后，被测电机G转速随着拖动电机M的转速逐渐降低，最终停机。

拖动转速控制步骤：监控拖动风机装置的电机的拖动转速，如果拖动转速低于目标并网转速，则调整拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使拖动转速稳定在目标并网转速上。

在上述方法中，通过上述变流器主控制器的控制操作，使得两台风机装置进入模拟运行状态，实现了通过一台风机装置拖动另一台风机装置进行模拟运行的状态。

其中，上述的拖动电机侧变流器控制步骤和被测变流器侧变流器控制步骤之间没有严格的先后顺序，两部分的控制操作可以先后进行，也可以同时地交错进行。

上述的控制过程，拖动风机装置一侧的变流器控制操作和被测风机装置一侧的变流器控制操作可以如图7所示，

其中，拖动风机装置一侧的变流器控制操作包括：

预充电步骤101：对每条支路上的变流器进行预充电；

断路器闭合步骤102：闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；

网侧变流器开整流步骤103：对拖动风机装置的变流器进行控制，使其网侧变流器单元开始整流；

机侧变流器开逆变步骤104：对拖动风机装置的变流器进行控制，使其机侧变流器单元开始逆变；

拖动风机变流器的输出电流频率设定步骤105：对拖动风机装置的两个变流器进行输出电流频率的设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速；

拖动转速监控步骤106：监控拖动风机装置的电机的拖动转速；

拖动转速判定步骤107：对拖动转速进行判断，如果拖动转速低于目标并网转速，则执行步骤108，否则，执行步骤106；

输出电流频率调整步骤108：调整拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使拖动转速稳定在目标并网转速上。

上述的步骤106至步骤108对应于上述的拖动转速控制步骤。

被测风机装置一侧的变流器控制操作包括：

预充电步骤201：对每条支路上的变流器进行预充电；

断路器闭合步骤202：闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；

机侧变流器开整流步骤203：对被测风机装置的变流器进行控制，使其机侧变流器单元开始整流；

网侧变流器开逆变步骤204：对被测风机装置的变流器进行控制，使其网侧变流器单元开始逆变；

变流器调制步骤205：在切入转速下，对被测风机装置的变流器的机侧变流器单元进行调制；这里的切入转速是指拖动风机装置一侧在没达到目标并网转速之前的转速。

并网步骤206：将被测风机装置的变流器与电网进行并网操作；

被测风机变流器功率设定步骤207：对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定。

在完成上述步骤的基础上，两台风机装置已经开始了模拟运行，在此基础上，可以进行数据采集步骤：采集风机装置中设置的电信号传感器和扭矩传感器的输出值。该输出值可以用于进行上述实施例一中提及的各种测试。在模拟运行试验结束后，可以通过变流器主控制器关闭各个变流器，从而停止风机装置运转。

此外，上述方法还可以包括电网接入步骤，具体为：闭合电网接入断路器，使各个支路与电网电连接。

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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种直驱同步风力发电机的模拟运行系统，其特征在于，包括：电网接入装置、两台风机装置以及变流器主控制器，

每台所述风机装置包括一直驱同步双绕组型的电机和两条支路，每条支路上设置有一全功率型的变流器，该两条支路的第一端与所述电网接入装置连接，该两条支路的第二端分别与所述电机的两组绕组连接，两台所述风机装置的电机传动连接，传动比为1:1；

所述变流器主控制器用于：在进行模拟运行时，对各个变流器进行控制，使两台风机装置中的一台成为拖动风机装置，另一台成为被测风机装置；

其中，所述变流器主控制器包括：

第一变流器控制单元，用于闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；

第二变流器控制单元，用于选择一台风机装置作为拖动风机装置，对该拖动风机装置的两个变流器进行控制，使得该拖动风机装置的两个变流器的网侧变流器单元进行整流、机侧变流器单元进行逆变，将逆变后的电流分别输出到该拖动风机装置的电机的每组绕组上，并对该拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率进行设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速；

第三变流器控制单元，用于选择另一台风机装置作为被测风机装置，对该被测风机装置的两个变流器进行控制，使该被测风机装置的两个变流器的机侧变流器单元进行整流、网侧变流器单元进行逆变，并使被测风机装置的两个变流器与电网进行并网，并对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定；

第四变流器控制单元，用于监控所述拖动风机装置的电机的拖动转速，如果所述拖动转速低于所述目标并网转速，则调整所述拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使所述拖动转速稳定在所述目标并网转速上。

2.根据权利要求1所述的模拟运行系统，其特征在于，所述电网接入装置包括电网接入断路器和隔离变压器，所述隔离变压器的一次侧绕组通过所述电网接入断路器与所述电网连接，所述隔离变压器的二次侧绕组与每条支路的第一端连接。

3.根据权利要求1或2所述的模拟运行系统，其特征在于，在两台风机装置的电机传动连接的部分设置扭矩传感器。

4.根据权利要求3所述的模拟运行系统，其特征在于，在所述每条支路的变流器的两侧分别设置有电信号传感器。

5.一种直驱同步风力发电机的模拟运行方法，其特征在于，该模拟运行方法基于权利要求1所述的直驱同步风力发电机的模拟运行系统，包括如下步骤：

通过电网接入装置使各个支路的第一端与电网电连接；

对每条支路上的变流器进行预充电；

闭合每个变流器的网侧断路器和机侧断路器；

选择一台风机装置作为拖动风机装置，对该拖动风机装置的两个变流器进行控制，使得该拖动风机装置的两个变流器的网侧变流器单元进行整流、机侧变流器单元进行逆变，将逆变后的电流分别输出到该拖动风机装置的电机的每组绕组上，并对该拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率进行设定，驱动拖动风机装置的电机的拖动转速达到目标并网转速；

选择另一台风机装置作为被测风机装置，对该被测风机装置的两个变流器进行控制，使该被测风机装置的两个变流器的机侧变流器单元进行整流、网侧变流器单元进行逆变，并使被测风机装置的两个变流器与电网进行并网，并对该被测风机装置的两个变流器进行目标并网功率的设定；

监控所述拖动风机装置的电机的拖动转速，如果所述拖动转速低于所述目标并网转速，则调整所述拖动风机装置的两个变流器的输出电流频率，使所述拖动转速稳定在所述目标并网转速上。

6.根据权利要求5所述的模拟运行方法，其特征在于，在所述两台所述风机装置的电机传动连接的部分设置扭矩传感器，在所述每条支路的变流器的两侧分别设置有电信号传感器，所述模拟运行方法还包括：

采集所述扭矩传感器和所述电信号传感器的输出值。

7.根据权利要求6所述的模拟运行方法，其特征在于，所述电网接入装置包括电网接入断路器和隔离变压器，所述隔离变压器的一次侧绕组通过所述电网接入断路器与所述电网连接，所述隔离变压器的二次侧绕组与所述两条支路的第一端连接，

所述通过电网接入装置使各个支路的第一端与电网电连接具体为：闭合所述电网接入断路器，使各个支路与所述电网电连接。