CN104296990A - 一种风力发电机组传动链效率测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量风电机组传动链效率的装置及测量方法，包括风速计、风向标、温度压力传感器、低高速轴转矩仪、低高速轴应变片、电流互感器、功率变送器和数据采集处理器；所述风速计、风向标和温度压力传感器安装于测风塔上；所述低速轴转矩仪和低速轴应变片安装在主轴上；所述高速轴转矩仪和高速轴应变片安装于高速轴上；所述电流互感器安装于箱变侧，同时需要接出并网侧电压信号，两者信号再接线到功率变送器；上述温度压力传感器、低速轴转矩仪、低速轴应变片、高速轴转矩仪、高速轴应变片、功率变送器的输出线均连接到数据采集处理器进行同步记录和处理所有测量信号，方便地得到需要的结果，很好地分析风电机组性能。

Description

一种风力发电机组传动链效率测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及整体风力发电机组传动链效率测试系统，具体地讲是一种可以分别测量风电机组风轮利用率、机械损失、电气损失、传动链效率和功率系数的装置及测试方法。

背景技术

风力发电机组是从风能中吸收能量，将风能转换成机械能，再通过机组传动链将机械能转化成电能的设备。风力发电机组传动效率的好坏直接影响着机组性能，由于中国国内气候环境比较特殊，比如高原环境和低温环境。在这两种情况下机组传动链损失肯定存在差别，如果机组损耗太大直接影响机组性能。如何合理有效的得到整个传动链的效率情况，就需要搭建方便合理的测试系统和方法，才能得到不同条件下整个机组的传动效率，另外可以横向对比不同传动链结构形式的传动效率。目前国内对这方面的资料比较少，尤其是机组运行在不同环境条件下，对机组传动链方面的机械损失和电气损失没有办法衡量，对机组系统建模和机组性能影响较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述目前风电传动链效率检测存在的问题，提供一种结构简单、方便实用、能够有效测量风力发电机组的风轮利用系数、机械损失、电气损失、传动链效率和功率系数等的方法及设备。

实现本发明的技术方案是：一种测量风电机组传动链效率的装置，其特征在于：包括风速计、风向标、温度压力传感器、低速轴转矩仪、高速轴转矩仪、低速轴应变片、高速轴应变片、电流互感器、功率变送器和数据采集处理器；所述风速计、风向标和温度压力传感器安装于测风塔上，测量风场当地实时气象条件；所述低速轴转矩仪和低速轴应变片安装在主轴上，测量低速轴转矩和低速轴转速；所述高速轴转矩仪和高速轴应变片安装于高速轴上，测量高速轴转矩和高速轴转速；所述电流互感器安装于箱变侧，同时需要接出并网侧电压信号，两者信号再接线到功率变送器，测量机组并网功率；上述温度压力传感器的输出线、低速轴转矩仪和应变片输出线、高速轴转矩仪和应变片输出线、功率变送器输出线均连接到数据采集处理器，通过数据采集处理器同步记录所有测量信号，并进行数据处理与分析。

一种测量风电机组传动链效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将风速计、风向标和温度压力传感器安装于测风塔上，温度压力传感器输出线连接到数据采集处理器,测量风场当地实时气象条件；将低速轴转矩仪和应变片安装在主轴上，其输出线连接到数据采集处理器，测量低速轴转矩和低速轴转速；将高速轴转矩仪和应变片安装于高速轴上，其输出线连接到数据采集处理器，测量高速轴转矩和高速轴转速；将电流互感器安装于箱变侧，同时接出并网侧电压信号，两者信号再接线到功率变送器，功率变送器输出线连接到数据采集处理器，测量机组并网功率；

b、利用压力温度传感器测量结果，再通过公式(1)计算得到当地的空气密度。利用转矩仪和应变片测量低速轴和高速轴的转矩及转速值，其乘积就可分别得到低速轴和高速轴的功率。利用电流互感器和并网侧电压信号接入功率变送器，可测量得到机组的并网功率；

$\mathrm{\ρ}=\frac{B}{R_{0}T}---\left(1\right)$

其中，ρ：空气密度kg/m³；B：大气压力Pa；R₀：气体常数；T：温度K；

c、利用上面得到的空气密度和低速轴功率，就可以计算得到风轮利用系数，具体计算公式(2)；

$C_{p1}=\frac{P_{\mathrm{Lss}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(2\right)$

其中，C_p1：风轮利用系数；P_Lss：低速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s；

d、利用低速轴和高速轴测量转矩值计算得到齿轮箱的机械损失，分组统计得到不同环境温度条件下，不同低速轴转速对应不同低速轴输入转矩下的齿轮箱机械损失Q₁情况，具体计算公式(3)；

Q₁＝Q_Lss-Q_Hss               (3)

其中，Q₁：机械损失转矩Nm；Q_Lss：低速轴转矩Nm；Q_Hss：高速轴转矩Nm；

e、利用高速轴和并网功率测量值计算得到电气损失，分组统计得到不同环境温度条件下，不同高速轴功率(输入功率)对应机组的电功率损失P₁情况，包括了发电机和辅助用电损耗，具体计算公式(4)；

P₁=P_Hss-P_Grid              (4)

其中，P₁：电气损失功率kW；P_Hss：低速轴功率kW；P_Grid：高速轴功率kW；

f、利用低速轴功率和并网功率测量值计算出机组整体传动链效率；

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{P_{\mathrm{Lss}}}---\left(5\right)$

其中，η：传动链效率；P_Grid：高速轴功率kW；P_Lss：低速轴功率kW；

g、利用并网功率和风能可计算得到机组的功率系数，具体计算公式(6)；

$C_{p2}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(6\right)$

其中，C_p2：功率系数；P_Grid：高速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s。

所述步骤c中，根据风轮利用系数可以验证机组在变速运行期间，是否保持运行在最佳叶尖速比下，能有效评判机组运行情况或叶片性能是否满足设计要求。

所述步骤f中，可以得到不同风速条件下的传动链效率情况，可用于衡量机组性能好坏的标准之一。

所述步骤g中，同时可以绘制Cp-λ曲线与设计值进行对比，判断机组整体性能情况，衡量机组把风能转化成电能的利用率。

本发明的有益效果是：一种简单有效地测量风机整体传动链效率的装置，并通过理论计算得到多种有价值的数据，对判断机组的整体性能和机组优化提供可靠系统及方法，对提高机组的经济性具有辅助作用。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是图1的采集数据结果关系示意图。

图中代号含义：1—风速计；2—风向标；3—温度压力传感器；4—主轴；5—低速轴转矩仪；6—齿轮箱；7—高速轴转矩仪；8—电气系统；9—电流互感器；10—电网；11—数据采集处理器；12—低速轴应变片；13—高速轴应变片；14—高速轴；15—测风塔；16—功率变送器；17-并网侧电压信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括风速计1、风向标2、温度压力传感器3、低速轴转矩仪5、高速轴转矩仪7、功率变速器16和数据采集处理器11。风速计1、风向标2和温度压力传感器3安装于测风塔15上，用于测量风场当地实时气象条件；低速轴转矩仪5和低速轴应变片12安装在主轴4上，主要测量低速轴转矩和低速轴转速；主轴4通过齿轮箱6连接高速轴14，高速轴转矩仪7和高速轴应变片13安装于高速轴14上，主要测量高速轴转矩和高速轴转速；高速轴带动电气系统8工作并接入电网10，电流互感器9安装于箱变侧，同时需要接出并网侧电压信号17，两者信号再接线到功率变送器16，主要测量机组并网功率；上述所有信号通过接线方式连接到数据采集处理器11中，通过数据采集处理器11同步记录所有测量信号，并进行数据处理与分析。

如图2所示，根据图1测试系统测量的数据结果，利用图2的统计方法进行数据处理与分析，根据公式(1)和测风塔测量数据可以得到空气密度和风速，由此可以计算得到风能的总能量；

$\mathrm{\ρ}=\frac{B}{R_{0}T}---\left(1\right)$

其中，ρ：空气密度kg/m³；B：大气压力Pa；R₀：气体常数；T：温度K；

低速轴设备可以计算得到低速轴功率，利用公式(2)可得到风轮利用系数；

$C_{p1}=\frac{P_{\mathrm{Lss}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(2\right)$

其中，C_p1：风轮利用系数；P_Lss：低速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s；

高速轴设备测量结果可以计算高速轴轴功率，利用公式(3)可得到不同环境温度条件下不同转速和转矩的机械损失；

Q₁＝Q_Lss-Q_Hss             (3)

其中，Q₁：机械损失转矩Nm；Q_Lss：低速轴转矩Nm；Q_Hss：高速轴转矩Nm；

功率测量设备测量值为并网功率，利用公式(4)可得到不同环境温度条件下不同输入功率的电气损失；

P₁＝P_Hss-P_Grid               (4)

其中，P₁：电气损失功率kW；P_Hss：低速轴功率kW；P_Grid：高速轴功率kW；

利用公式(5)可计算得到机组传动链效率；

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{P_{\mathrm{Lss}}}---\left(5\right)$

其中，η：传动链效率；P_Grid：高速轴功率kW；P_Lss：低速轴功率kW；

根据公式(6)可得到机组整体功率系数，衡量机组性能好坏的标准之一。

$C_{p2}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(6\right)$

其中，c_p2：功率系数；P_Grid：高速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s。

Claims (5)

1.一种测量风电机组传动链效率的装置，其特征在于：包括风速计、风向标、温度压力传感器、低速轴转矩仪、高速轴转矩仪、低速轴应变片、高速轴应变片、电流互感器、功率变送器和数据采集处理器；所述风速计、风向标和温度压力传感器安装于测风塔上，测量风场当地实时气象条件；所述低速轴转矩仪和低速轴应变片安装在主轴上，测量低速轴转矩和低速轴转速；所述高速轴转矩仪和高速轴应变片安装于高速轴上，测量高速轴转矩和高速轴转速；所述电流互感器安装于箱变侧，同时需要接出并网侧电压信号，两者信号再接线到功率变送器，测量机组并网功率；上述温度压力传感器的输出线、低速轴转矩仪和应变片输出线、高速轴转矩仪和应变片输出线、功率变送器输出线均连接到数据采集处理器，通过数据采集处理器同步记录所有测量信号，并进行数据处理与分析。

2.一种测量风电机组传动链效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将风速计、风向标和温度压力传感器安装于测风塔上，温度压力传感器输出线连接到数据采集处理器,测量风场当地实时气象条件；将低速轴转矩仪和应变片安装在主轴上，其输出线连接到数据采集处理器，测量低速轴转矩和低速轴转速；将高速轴转矩仪和应变片安装于高速轴上，其输出线连接到数据采集处理器，测量高速轴转矩和高速轴转速；将电流互感器安装于箱变侧，同时接出并网侧电压信号，两者信号再接线到功率变送器，功率变送器输出线连接到数据采集处理器，测量机组并网功率；

b、利用温度压力传感器测量结果，再通过公式(1)计算得到当地的空气密度；利用转矩仪和应变片测量低速轴和高速轴的转矩及转速值，其乘积就可分别得到低速轴和高速轴的功率。利用电流互感器和并网侧电压信号接入功率变送器，可测量得到机组的并网功率；

$\mathrm{\ρ}=\frac{B}{R_{0}T}---\left(1\right)$

其中，ρ：空气密度kg/m³；B：大气压力Pa；R₀：气体常数；T：温度K；

c、利用上面得到的风速、空气密度和低速轴功率，就可以计算得到风轮利用系数，具体计算公式(2)；

$C_{p1}=\frac{P_{\mathrm{Lss}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(2\right)$

其中，C_p1：风轮利用系数；P_Lss：低速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s；

d、利用低速轴和高速轴测量转矩值计算得到齿轮箱的机械损失，分组统计得到不同环境温度条件下，不同低速轴转速对应不同低速轴输入转矩下的齿轮箱机械损失Q₁情况，具体计算公式(3)；

Q₁＝Q_Lss-Q_Hss              (3)

其中，Q₁：机械损失转矩Nm；Q_Lss：低速轴转矩Nm；Q_Hss：高速轴转矩Nm；

e、利用高速轴和并网功率测量值计算得到电气损失，分组统计得到不同环境温度条件下，不同高速轴功率(输入功率)对应机组的电功率损失P₁情况，包括了发电机和辅助用电损耗，具体计算公式(4)；

P₁＝P_Hss-P_Grid                (4)

其中，P₁：电气损失功率kW；P_Hss：低速轴功率kW；P_Grid：高速轴功率kW；

f、利用低速轴功率和并网功率测量值计算出机组整体传动链效率；

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{P_{\mathrm{Lss}}}---\left(5\right)$

其中，η：传动链效率；P_Grid：高速轴功率kW；P_Lss：低速轴功率kW；

g、利用并网功率和风能可计算得到机组的功率系数，具体计算公式(6)；

$C_{p2}=\frac{P_{\mathrm{Grid}}}{0.5{\mathrm{\ρAv}}^3}---\left(6\right)$

其中，C_p2：功率系数；P_Grid：高速轴功率kW；ρ：空气密度kg/m³，A：风轮扫风面积m²；V：来流风速m/s。

3.根据权利要求2测量风电机组传动链效率的方法，其特征在于：所述步骤c中，根据风轮利用系数可以验证机组在变速运行期间，是否保持运行在最佳叶尖速比下，能有效评判机组运行情况或叶片性能是否满足设计要求。

4.根据权利要求2测量风电机组传动链效率的方法，其特征在于：所述步骤f中，可以得到不同风速条件下的传动链效率情况，可用于衡量机组性能好坏的标准之一。

5.根据权利要求2测量风电机组传动链效率的方法，其特征在于：所述步骤g中，同时可以绘制Cp-λ曲线与设计值进行对比，判断机组整体性能情况，衡量机组把风能转化成电能的利用率。