CN105717450B - 一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，依据变桨系统测试平台依次测试变桨系统的后备电源容量、稳态驱动能力，以及在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差。与现有技术相比，本发明提供的一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，可以有效防止由于变桨系统驱动能力不足等原因导致的风电机组低电压穿越失败，方法简单、成本低、耗时少、可操作性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种变桨驱动能力的评估方法，具体涉及一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法。
背景技术
风电机组在更换新型号的叶片或变桨系统后，需要通过测试评估变桨系统是否会对风电机组的低电压穿越能力产生影响。大型变速恒频风力发电机组通常采用变桨距控制技术，使风电机组在额定风速以上输出平稳的功率，并在紧急情况下通过调整桨叶确保机组安全。在电网发生短路故障导致电网电压跌落的过程中，变桨系统的供电电源将由外部电网变为内部电源(一般为电池或超级电容等储能装置)，同时会根据风电机组的控制策略进行紧急变桨等操作，遭受明显大于正常运行时的载荷考验。当某种机型的风电机组通过型式试验的检测，具备低电压穿越能力后，风电机组更换变桨系统或采用更大载荷的叶片时，若仍通过整机型式实验的方式判断变桨系统能否满足风电机组正常运行及故障穿越时的要求，不仅耗时长而且成本高。因此，需要提供一种利用变桨试验平台以评估风电机组电动变桨系统能否满足低电压穿越能力要求的测试方法。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，所述方法包括：
步骤1：依据变桨系统测试平台测试变桨系统的后备电源容量；
步骤2：依据变桨系统测试平台测试变桨系统的稳态驱动能力；
步骤3：依据变桨系统测试平台测试变桨系统在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差。
优选的，所述变桨系统测试平台包括上位机、电动变桨系统和加载系统；
所述上位机向所述电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令，以调整变桨电机中桨叶位置和变桨速度；
所述上位机向所述加载系统下发风力载荷指令，模拟变桨过程中气流对所述桨叶的气动载荷；
优选的，所述电动变桨系统包括主控模拟控制器和变桨电机；所述主控模拟控制器包括信号采集单元、信号处理单元、变桨电机状态监测单元和通信单元；
所述信号采集单元，用于接收所述变桨位置指令和变桨速度指令，以及采集电网电压；
所述信号处理单元，依据变桨位置指令向变桨电机发送桨叶位置调整信号，依据变桨速度指令向变桨电机发送变桨速度调整信号；
所述变桨电机状态监测单元，用于采集并显示所述变桨电机的桨距角、变桨速度、电机温度和电机电流；
所述通信单元包括Profibus接口和CANopern接口，用于传输所述变桨位置指令、变桨速度指令、桨叶位置调整信号和变桨速度调整信号；
优选的，所述加载系统包括电机加载控制器、加载电机和转矩测量仪；
所述加载电机，向所述电动变桨系统中变桨电机的输出轴施加扭矩，调整变桨电机的桨距角和变桨速度；
所述转矩测量仪连接于加载控制器和变桨电机之间，检测所述加载电机的输出转矩，并将所述输出转矩发送到电机加载控制器，以监测所述加载电机的工作状态；
优选的，所述电机加载控制器包括信号采集单元、信号处理单元、加载电机状态监测单元和通信单元；
所述信号采集单元，用于接收所述上位机下发的风力载荷指令；
所述信号处理单元，依据所述风力载荷指令向加载电机发送扭矩调整信号，驱动加载电机转动，从而调整变桨电机的桨距角和变桨速度，以模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷；
所述加载电机状态监测单元，用于采集并显示所述加载电机的桨叶位置、电机温度和电机电流；
所述通信单元，用于传输所述风力载荷指令和扭矩调整信号；
优选的，所述步骤1中测试变桨系统的后备电源容量包括：
步骤1-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动变桨电机动作；
步骤1-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发90°至0°的顺桨操作指令，同时断开电动变桨系统的电网供电；
步骤1-3：所述电动变桨系统利用后备电源以风电机组紧急停机时的顺桨速度完成90o至0o的顺桨动作；
采集所述变桨电机实际的桨距角、变桨速度，以及后备电源的电压信号，从而判断所述后备电源容量是否满足风电机组低电压穿越时的要求；
优选的，所述步骤2中测试变桨系统的稳态驱动能力包括：
步骤2-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作；
步骤2-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；所述变桨位置指令为变桨电机由0°依次变桨至90°、70°、50°、30°和10°；所述变桨速度指令为风电机组紧急停机时的顺桨速度；
步骤2-3：采集三个桨叶的桨距角和转速，计算所述桨叶的加速时间、转速误差和定位精度，以及不用桨叶之间的变桨同步度；
所述加速时间，为桨叶从接收所述变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
所述转速误差，为所述变桨速度指令中的转速期望值与所述稳定转速的误差；
所述定位精度，为所述变桨位置指令中桨叶的桨距角期望值与桨距角实际值之差；
优选的，所述步骤3中测试平台测试变桨系统在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差包括：
步骤3-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作；
步骤3-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；所述变桨位置指令为变桨电机由0°变桨至1°；
步骤3-3：采集变桨电机的桨距角和转速，计算所述响应时间和稳态误差；
所述响应时间，为变桨电机从接收所述变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
所述稳态误差，为变桨位置期望值与停止变桨后实际变桨位置的误差。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，变桨系统测试平台，可以在制造商装配车间开展测试，与在风电场开展测试相比具有安全、省时的优点；2、本发明提供的一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，分别从后备电源的容量、变桨电机的驱动能力，以及新的力矩加载时的响应时间与稳态误差三个方面对风电机组电动变桨系统的低电压穿越能力进行评估，可以有效防止由于变桨系统驱动能力不足等原因导致的风电机组低电压穿越失败，具有方法简单、成本低、耗时少、可操作性高等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1：本发明实施例中一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法示意图；
图2：本发明实施例中变桨系统测试平台的结构示意图；
图3：本发明实施例中变桨电机测试波形图A；
图4：本发明实施例中变桨电机测试波形图B；
图5：本发明实施例中变桨电机测试波形图C；
图6：本发明实施例中变桨电机测试波形图D；
图7：本发明实施例中变桨电机测试波形图E。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
要评估变桨系统的低电压穿越能力，需要考核变桨系统的后备电源容量、变桨电机的驱动能力和失电故障穿越能力能否满足风电机组低电压穿越的要求。本发明提供的一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，通过变桨系统测试平台对变桨系统的后备电源容量、稳态驱动能力，以及在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差的测试。
一、变桨系统测试平台；
如图2所示，变桨系统测试平台包括上位机、电动变桨系统和加载系统；
上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令，以调整变桨电机中桨叶位置和变桨速度；上位机向加载系统下发风力载荷指令，模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷。
1、电动变桨系统；
包括主控模拟控制器和变桨电机。
主控模拟控制器包括信号采集单元、信号处理单元、变桨电机状态监测单元和通信单元。
(1)信号采集单元，用于接收变桨位置指令和变桨速度指令，以及采集电网电压。
(2)信号处理单元，依据变桨位置指令向变桨电机发送桨叶位置调整信号，依据变桨速度指令向变桨电机发送变桨速度调整信号。
(3)变桨电机状态监测单元，用于采集并显示变桨电机的桨距角、变桨速度、电机温度和电机电流；。
(4)通信单元包括Profibus接口和CANopern接口，用于传输变桨位置指令、变桨速度指令、桨叶位置调整信号和变桨速度调整信号。
2、加载系统；
包括电机加载控制器、加载电机和转矩测量仪。
(1)加载电机，用于向电动变桨系统中变桨电机的输出轴施加扭矩，调整变桨电机的桨距角和变桨速度，以模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷。
(2)转矩测量仪连接于加载控制器和变桨电机之间，检测加载电机的输出转矩，并将输出转矩发送到电机加载控制器，以监测加载电机的工作状态。
(3)电机加载控制器包括信号采集单元、信号处理单元、加载电机状态监测单元和通信单元。
①：信号采集单元，用于接收上位机下发的风力载荷指令。
②：信号处理单元，依据风力载荷指令向加载电机发送扭矩调整信号，驱动加载电机转动，从而调整变桨电机的桨距角和变桨速度，以模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷。
③：加载电机状态监测单元，用于采集并显示加载电机的桨叶位置、电机温度和电机电流。
④：通信单元，用于传输风力载荷指令和扭矩调整信号。
二、依据上述变桨系统测试平台的变桨电机低电压穿越能力的评估方法包括：
1、测试变桨系统的后备电源容量；
(1)获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M，1.2为安全裕度系数；加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作。
(2)通过上位机向电动变桨系统下发90°至0°的顺桨操作指令，同时断开电动变桨系统的电网供电。
(3)电动变桨系统利用后备电源以风电机组紧急停机时的顺桨速度完成90o至0o的顺桨动作；
采集变桨电机实际的桨距角、变桨速度，以及后备电源的电压信号，从而判断所述后备电源容量是否满电机在低电压穿越时的要求。
2、测试变桨系统的稳态驱动能力；
(1)获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作；
(2)通过上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；
变桨位置指令为变桨电机由0°依次变桨至90°、70°、50°、30°和10°；
变桨速度指令为风电机组紧急停机时的顺桨速度。
(3)采集三个桨叶的桨距角和转速，计算桨叶的加速时间、转速误差和定位精度，以及不用桨叶之间的变桨同步度；
加速时间，指的是桨叶从接收变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
转速误差，指的是变桨速度指令中的转速期望值与稳定转速的误差；
定位精度，指的是变桨位置指令中桨叶的桨距角期望值与桨距角实际值之差。
3、测试变桨系统在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差；
(1)获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作。
(2)通过上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；变桨位置指令为变桨电机由0°变桨至1°。
(3)采集变桨电机的桨距角和转速，计算响应时间和稳态误差；
响应时间，指的是变桨电机从接收变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
稳态误差，指的是变桨位置期望值与停止变桨后实际变桨位置的误差。
图3示出了本实施例中变桨电机由0°变桨至1°的测试波形图，可知变桨电机的响应时间短、稳态误差较小，仅在变桨的0.3s内出现波形，随后即趋于稳定。
4、测试变桨系统的故障穿越能力；
(1)获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作。
(2)通过上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；
变桨位置指令包括：
①：0°变桨至90°；
②：90°变桨至0°；
③：正弦信号；
④：方波信号。
(3)变桨电机执行变桨位置指令过程中，电网断路器断开，变桨电机由电网供电转换为后备电源供电，采集电压跌落波形、变桨电机的桨距角和变桨速度；重复执行两次步骤(2)中的每个变桨位置指令。
图4和5示出了本实施例中变桨电机接收正弦信号的变桨位置指令后的波形图，可知变桨电机能较好的跟踪变桨位置指令，变桨速度亦满足变桨速度指令的要求。
图6和7示出了本实施例中变桨电机接收方波信号的变桨位置指令后的波形图，可知变桨电机能较好的跟踪变桨位置指令，变桨速度亦满足变桨速度指令的要求。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (6)
1.一种低电压穿越过程中变桨驱动能力的评估方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：依据变桨系统测试平台测试变桨系统的后备电源容量；
步骤2：依据变桨系统测试平台测试变桨系统的稳态驱动能力；
步骤3：依据变桨系统测试平台测试变桨系统在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差；
所述变桨系统测试平台包括上位机、电动变桨系统和加载系统；
所述上位机向所述电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令，以调整变桨电机中桨叶位置和变桨速度；
所述上位机向所述加载系统下发风力载荷指令，模拟变桨过程中气流对所述桨叶的气动载荷；
所述步骤1中测试变桨系统的后备电源容量包括：
步骤1-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动变桨电机动作；
步骤1-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发90°至0°的顺桨操作指令，同时断开电动变桨系统的电网供电；
步骤1-3：所述电动变桨系统利用后备电源以风电机组紧急停机时的顺桨速度完成90°至0°的顺桨动作；
采集所述变桨电机实际的桨距角、变桨速度，以及后备电源的电压信号，从而判断所述后备电源容量是否满足电机组低电压穿越时的要求。
2.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述电动变桨系统包括主控模拟控制器和变桨电机；所述主控模拟控制器包括信号采集单元、信号处理单元、变桨电机状态监测单元和通信单元；
所述信号采集单元，用于接收所述变桨位置指令和变桨速度指令，以及采集电网电压；
所述信号处理单元，依据变桨位置指令向变桨电机发送桨叶位置调整信号，依据变桨速度指令向变桨电机发送变桨速度调整信号；
所述变桨电机状态监测单元，用于采集并显示所述变桨电机的桨距角、变桨速度、电机温度和电机电流；
所述通信单元包括Profibus接口和CANopen接口，用于传输所述变桨位置指令、变桨速度指令、桨叶位置调整信号和变桨速度调整信号。
3.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述加载系统包括电机加载控制器、加载电机和转矩测量仪；
所述加载电机，向所述电动变桨系统中变桨电机的输出轴施加扭矩，调整变桨电机的桨距角和变桨速度；
所述转矩测量仪连接于加载控制器和变桨电机之间，检测所述加载电机的输出转矩，并将所述输出转矩发送到电机加载控制器，以监测所述加载电机的工作状态。
4.如权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述电机加载控制器包括信号采集单元、信号处理单元、加载电机状态监测单元和通信单元；
所述信号采集单元，用于接收所述上位机下发的风力载荷指令；
所述信号处理单元，依据所述风力载荷指令向加载电机发送扭矩调整信号，驱动加载电机转动，从而调整变桨电机的桨距角和变桨速度，以模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷；
所述加载电机状态监测单元，用于采集并显示所述加载电机的桨叶位置、电机温度和电机电流；
所述通信单元，用于传输所述风力载荷指令和扭矩调整信号。
5.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤2中测试变桨系统的稳态驱动能力包括：
步骤2-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作；
步骤2-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；所述变桨位置指令为变桨电机由0°依次变桨至90°、70°、50°、30°和10°；所述变桨速度指令为风电机组紧急停机时的顺桨速度；
步骤2-3：采集三个桨叶的桨距角和转速，计算所述桨叶的加速时间、转速误差和定位精度，以及不同桨叶之间的变桨同步度；
所述加速时间，为桨叶从接收所述变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
所述转速误差，为所述变桨速度指令中的转速期望值与所述稳定转速的误差；
所述定位精度，为所述变桨位置指令中桨叶的桨距角期望值与桨距角实际值之差。
6.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤3中测试平台测试变桨系统在新的力矩加载时的响应时间与稳态误差包括：
步骤3-1：获取电动变桨系统中变桨电机所需的驱动力矩M，则加载系统输出的加载转矩为1.2×M；所述加载系统中的加载电机驱动的变桨电机动作；
步骤3-2：通过所述上位机向电动变桨系统下发变桨位置指令和变桨速度指令；所述变桨位置指令为变桨电机由0°变桨至1°；
步骤3-3：采集变桨电机的桨距角和转速，计算所述响应时间和稳态误差；
所述响应时间，为变桨电机从接收所述变桨速度指令直至达到稳定转速的时间；
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