CN106199428B - 高压大功率双馈型风力发电机试验系统及其测控系统 - Google Patents

Abstract

一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统，其外供辅助电源连接转子变流器成套变压器、双馈风力发电机的定子端及移相变压器的高压端，该移相变压器的高压端具有可调6kV、10kV分接头，其低压端的多套移相降压二次绕组与变频器的输入端连接；而变频器的输出端和拖动电动机连接为拖动电动机提供变频电源。本发明测控系统分为以工业以太网构筑而成的上位机网络系统和以高速工业现场总线PROFIBUS为骨干构成的现场控制网络层二个层级。本发明主要针对海上风力发电机组的单机型式试验以及电机与转子变流器的成套测试，通过测试获取可靠的试验数据，进一步分析评价机组的各项性能指标是否满足标准要求，为设计部门方案可行性评判提供有力的分析数据和依据。

Description

高压大功率双馈型风力发电机试验系统及其测控系统

技术领域

本发明涉及变速恒频双馈异步风力发电机技术领域，具体指一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统、测控系统。

背景技术

由于陆地上可开发的风资源越来越少，风电建设已呈现从陆地向近海发展的趋势。与陆地风电相比，海上风电风能资源的能效相比陆地风电场要高出20%～40%左右，风速高，有利于发展大容量风力发电，机型研发已经向高压大功率双馈型风力发电机发展。在高压大功率双馈型风力发电机研发试制过程中，发电机与转子变流器的整机试验显得尤为重要，但现有的试验系统容量范围及电压等级都已超出了已有风电机组试验测试系统的设备试验能力，也不能利用现有常规电机试验系统完成该产品的试验，主要原因如下：

常规电机试验方法及系统测试方案受试验机组直流电机容量所限，对于大容量常规电机的型式试验通常采用间接负载法，不使用直接负载法进行试品全功率试验，也不能用来进行高压大功率双馈型风力发电机的测试。

现有风电产品试验系统主要针对低压兆瓦级风电产品设置的，从试验容量及电压等级已无法满足高压大功率风电产品的型式试验。

发明内容

本发明提出一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统、测控系统，满足不同电压等级的高压双馈风力发电机的测试。

本发明所采用的技术方案为：

一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统，该试验系统包括外供辅助电源，该外供辅助电源连接转子变流器成套变压器的高压端、双馈风力发电机的定子端及移相变压器的高压端，该移相变压器的高压端具有可调6kV、10kV分接头，其低压端的多套移相降压二次绕组与变频器的输入端连接，移相变压器与变频器组成全功率变频装置；变频器的功率单元串联起来形成Y联结构；而变频器的输出端和拖动电动机连接为拖动电动机提供变频电源；所述双馈风力发电机的转子端串联转子变流器后连接至转子变流器成套变压器的低压端；所述双馈风力发电机与转子变流器组成被测双馈风力发电机组；该双馈风力发电机的主轴通过联轴器与拖动电动机主轴连接。

一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统的测控系统，该测控系统分为两个层级，分别是以工业以太网构筑而成的上位机网络系统和以高速工业现场总线PROFIBUS为骨干构成的现场控制网络层；所述上位机网络系统设置两个工作站，其一是用于监控操作的运行监控站PC1工作站，其二是用于检测的测试测量站PC2工作站；该运行监控站PC1工作站主要用来完成系统高压配电设备、全功率高压变频装置和转子变流器的监控操作、电气主接线模拟图显示以及各监测点的数据监测、报警事件记录存储；而测试测量站PC2工作站通过以太网通讯接口提取高精度功率分析仪采集来的综合电量数据和数据采集装置采集来的热工测温数据。

所述现场控制网络包括PLC控制器、网络交换机、数据采集装置和高精度功率分析仪；PLC控制器通过高速工业现场总线PROFIBUS与变频器的主控制器、转子变流器的主控制器通讯；网络交换机通过MODBUS总线与现场高压配电设备智能测控通讯；数据采集装置通过电线连接所述双馈风力发电机上的预埋式感温元件；高精度功率分析仪通过电线连接以下三组电气量传感器：双馈风力发电机定子侧设置有第一组电气量传感器，包括第一高精密电流互感器及第一高精度电压互感器；转子变流器成套变压器的高压端设置的第二组电气量传感器，包括第二高精密电流互感器；定转子合成网侧设置的第三组电气量传感器，包括第三高精密电流互感器及第三高精度电压互感器。

本发明是针对海上风力发电机组测试建造的一种测试平台，主要用来进行高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机组的单机型式试验以及电机与转子变流器的成套测试，通过测试获取可靠的试验数据，进一步分析评价机组的各项性能指标是否满足标准要求，为设计部门方案可行性评判提供有力的分析数据和依据。

本发明的移相变压器高压侧具有可调6kV、10kV分接头，低压侧采用多套移相降压二次绕组，这样，外供辅助电源经过移相变压器相隔离的多重化的移相降压二次绕组后向变频器各功率单元供电。所述变频器的主电路由若干个低压功率单元串联叠加组成，相邻功率单元串联起来形成Y联结构，功率单元的串联个数决定变频电源的输出电压幅值。若高压双馈风力发电机额定电压为6kV时，通过改变可调分接头使所述移相变压器输入电压为6kV供电模式，辅助电源采用6kV电源供电。同理，若所述高压双馈风力发电机额定电压为10kV时，通过改变可调分接头使所述移相变压器输入电压为10kV供电模式，辅助电源采用10kV电源供电。通过改变所述全功率高压变频装置功率单元的串联个数改变输出电压，使所述拖动电机的选用极为方便，可以选取任意电压等级的普通电机，满足不同电压等级的高压双馈风力发电机测试。具体效果如下：

1.全功率高压变频装置供电电压等级可以随意切换，使所述高压大功率双馈风力发电机试验系统可以满足不同规格、不同电压等级试品试验需要，试验方案灵活、试验能力强、节约设备投资成本。

2.所述拖动电机采用全功率变频电源供电，由此拖动电机可以利用常规电机根据试品调速范围选配，可以节约设备投资成本。

3.所述高压大功率双馈风力发电机试验系统可以适用于不同极数双馈发电机机型试验，试验方案灵活多变，机型随意更换，试品更换快捷简便，节约时间。

4.所述高压大功率双馈风力发电机试验系统可以进行双馈风力发电机与转子变流器成套试验，也可以用于双馈风力发电机单机或转子变流器的性能测试与调试，试验方案灵活多变，易于实现。

5.所述高压大功率双馈风力发电机试验系统的系统方案可以用于双馈风力发电机与转子变流器成套性能检测认证，也可以用于双馈风力发电机单机或转子变流器性能检测认证。

6.试验系统方案全功率试验采用能量回馈法，且试验电源采用变频装置供电，有利于节约电能，节省试验成本，尤其在批量生产效果比较显著。

7.所述高压大功率双馈风力发电机试验系统的所述辅助电源可以采用小型发变机组独立供电，可以使试验系统与电网隔离形成独立局域电网，这点尤其在进行双馈风力电机组电压、电流谐波因数测试时，检测可以免受电网谐波背景噪声影响，测试数据能够真实地准确反映试品实际性能指标。

8.所述试验平台可以在试验室内完成双馈风力发电机与转子变流器的参数匹配调试及控制策略验证。尤其是模拟实际运行环境，在不同转速下进行双馈风力发电机全功率负载试验及热运行试验，包括分析电机的定、转子功率曲线测定、电机效率曲线测定，以及并网合闸冲击、负载时的电压、电流谐波因数分析等各项性能测试。

附图说明

图1 为本发明电力系统图；

图2为本发明全功率高压变频装置拓扑结构图；

图3为本发明测控系统网络拓扑结构图。

具体方案实施

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

本发明适用于电压等级满足10kV及6kV大功率双馈风力发电机研发阶段的型式试验以及电机与变流器的成套试验，并兼顾其他类型风力发电机及配套变流器的成套试验，也可用于风电机组变流器开发调试。

见图1、图2，一种高压大功率双馈风力发电机试验系统，包括外供辅助电源1，该外供辅助电源1连接转子变流器成套变压器2的高压端、双馈风力发电机4的定子端及移相变压器7的高压端，该移相变压器7的高压端具有可调6kV、10kV分接头，其低压端的多套移相降压二次绕组与变频器6的输入端连接，移相变压器7与变频器6组成全功率变频装置8；变频器6的功率单元串联起来形成Y联结构；而变频器6的输出端和拖动电动机5连接给拖动电动机5提供变频电源；所述双馈风力发电机4的转子端串联转子变流器3后连接至降压试验变压器2的低压端；所述双馈风力发电机4与转子变流器3组成被测双馈风力发电机组；该双馈风力发电机4的主轴通过联轴器与拖动电动机5主轴连接。外供辅助电源1经过移相变压器7相互隔离的多重化的移相降压二次绕组后向所述变频器6各功率单元供电。所述变频器6的主电路由若干个低压功率单元串联叠加组成，相邻功率单元的输出端串联起来形成Y联结构，功率单元的串联个数决定变频电源的输出电压幅值。

外供辅助电源1采用电网工频电源或小型发变机组独立电源供电，主要作用是提供试验系统损耗能量。

本发明的基本原理：高压双馈风力发电机4试验时，所述辅助电源1为所述高压双馈风力发电机4提供网侧工频电源。拖动电动机5由全功率高压变频装置8变频启动，控制拖动电动机5的输入转矩及转速。当拖动电动机5拖动双馈风力发电机4升速时，转子变流器3检测到双馈风力发电机4达到切入转速时投励建压，并不断地调节双馈风力发电机4转子电流相位及频率，使双馈风力发电机4定子电压相位及频率与网侧电压达到同步。并网结束后转子变流器3根据双馈风力发电机4的控制模型算法调节转子电流幅值及相位，控制所述双馈风力发电机4的输出电磁转矩以及无功功率。这时调节拖动电动机5的转速使双馈风力发电机4在全转速范围内变化，在不同转速点测取双馈风力发电机4的负载特性数据。

一种高压大功率双馈风电机组试验系统的测控系统：见图3，所述测控系统分为两个层级，分别是以工业以太网构筑而成的上位机网络系统和以高速工业现场总线PROFIBUS为骨干构成的现场控制网络层。

所述上位机网络系统设置两个工作站，其一是用于监控操作的运行监控站PC1工作站9，其二是用于检测的测试测量站PC2工作站10，另外，还配置了用于检测报告打印的网络打印机18。所述运行监控站PC1工作站9主要用来完成系统高压配电设备、全功率高压变频装置8和转子变流器3的监控操作、电气主接线模拟图显示以及各监测点的数据监测、报警事件记录存储等。所述测试测量站PC2工作站10经过以太网通讯接口提取WT1800高精度功率分析仪17的综合电量测量数据和MW100热工数据采集设备16采集的热工数据。综合电量测量主要包括所述双馈风力发电机4的三相功率、三相电压、三相电流、功率因数、频率等采集数据。热工数据主要包括所述双馈风力发电机4定子绕组温度、轴承温度、冷却介质温度等。

所述现场控制网络包括SIEMENS S7-300PLC控制器11、网络交换机14、MW100数据采集装置16和WT1800高精度功率分析仪17四部分组成。SIEMENS S7-300PLC控制器11通过高速工业现场总线PROFIBUS与变频器6的主控制器12、转子变流器3的主控制器13通讯。网络交换机14通过MODBUS总线与现场高压配电设备智能测控保护装置15通讯。所述现场高压配电设备主要是指外供辅助电源1以及与转子变流器成套变压器2高压端、双馈风力发电机4定子端、移相变压器7高压端相连接的所有配电高压开关柜。MW100数据采集装置16通过电线连接所述双馈风力发电机4的预埋式感温元件，主要包括定子绕组测温元件、轴承测温元件、冷却介质测温元件等。高精度功率分析仪17通过电线连接以下三组电气量传感器：双馈风力发电机4定子侧设置有第一组电气量传感器，该组电气量传感器包括第一高精密电流互感器20及第一高精度电压互感器23；转子变流器成套变压器2的高压端设置的第二组电气量传感器，该组电气量传感器包括第二高精密电流互感器19；定转子合成网侧设置的第三组电气量传感器，该组电气量传感器包括第三高精密电流互感器21及第三高精度电压互感器22。所检测的电气量包括所述双馈风力发电机4定子侧三相电流电压、所述转子变流器3串接转子变流器成套变压器2高压侧三相电流电压、定转子合成网侧三相电流电压及频率。

Claims (3)

1.一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统，其特征在于：该试验系统包括外供辅助电源（1），该外供辅助电源（1）连接转子变流器成套变压器（2）的高压端、双馈风力发电机（4）的定子端及移相变压器（7）的高压端，该移相变压器（7）的高压端具有可调6kV、10kV分接头，其低压端的多套移相降压二次绕组与变频器（6）的输入端连接，移相变压器（7）与变频器（6）组成全功率变频装置（8）；变频器（6）的功率单元串联起来形成Y联结构；而变频器（6）的输出端和拖动电动机（5）连接为拖动电动机（5）提供变频电源；所述双馈风力发电机（4）的转子端串联转子变流器（3）后连接至转子变流器成套变压器（2）的低压端；所述双馈风力发电机（4）与转子变流器（3）组成被测双馈风力发电机组；该双馈风力发电机（4）的主轴通过联轴器与拖动电动机（5）主轴连接；所述高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统的测控系统分为两个层级，分别是以工业以太网构筑而成的上位机网络系统和以高速工业现场总线PROFIBUS为骨干构成的现场控制网络层；所述上位机网络系统设置两个工作站，其一是用于监控操作的运行监控站PC1工作站（9），其二是用于检测的测试测量站PC2工作站（10）；该运行监控站PC1工作站（9）主要用来完成系统高压配电设备、全功率高压变频装置（8）和转子变流器（3）的监控操作、电气主接线模拟图显示以及各监测点的数据监测、报警事件记录存储；而测试测量站PC2工作站（10）通过以太网通讯接口提取高精度功率分析 仪（17）采集来的综合电量数据和数据采集装置（16）采集来的热工数据；

所述现场控制网络包括PLC控制器（11）、网络交换机（14）、数据采集装置（16）和高精度功率分析仪（17）；PLC控制器（11）通过高速工业现场总线PROFIBUS与变频器（6）的主控制器（12）、转子变流器（3）的主控制器（13）通讯；网络交换机（14）通过MODBUS总线与现场高压配电设备智能测控保护装置15通讯；数据采集装置（16）通过电线连接所述双馈风力发电机（4）上的预埋式感温元件；高精度功率分析仪（17）通过电线连接以下三组电气量传感器：双馈风力发电机（4）定子侧设置的第一组电气量传感器，包括第一高精密电流互感器（20）及第一高精度电压互感器（23）；转子变流器成套变压器（2）的高压端设置的第二组电气量传感器，包括第二高精密电流互感器（19）；定转子合成网侧设置的第三组电气量传感器，包括第三高精密电流互感器（21）及第三高精度电压互感器（22）。

2.根据权利要求1所述的一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统，其特征在于：所述外供辅助电源（1）采用电网工频电源或小型发变机组独立电源供电。

3.根据权利要求1所述的一种高压大功率变速恒频双馈异步风力发电机试验系统的测控系统，其特征在于：所述上位机网络系统配置了用于检测报告打印的网络打印机（18）。

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