CN106353679A - 一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统 - Google Patents
一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统。包括：主控制系统、被测变桨系统以及加载系统；所述主控制系统与所述变桨系统和所述加载系统以通讯方式连接，用于控制被测变桨系统的供电、变桨系统给定、变桨系统反馈信号处理、加载系统的数据采集；所述加载系统与所述变桨系统之间通过联轴器给所述变桨系统加载负载，并在联轴器上安装转速‑转矩传感器，用于测量变桨系统的负载扭矩；所述转速‑转矩传感器与主控制系统之间电连接，将所述转速‑转矩传感器采集的信号传递至所述主控制系统。本发明可以真实的反应出变桨系统所受载荷情况、过载能力、低电压穿越和高电压穿越能力，可以完全反应变桨系统的所有性能，满足对变桨系统的性能测试需求。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统。
背景技术
随着世界环境问题日益凸显，特别是污染问题有位严重，风能作为可再生能源越来越受到更广泛的关注，并得到广泛的应用，从而使得风力发电机组成为太阳能利用的主要设备。变桨系统是风力发电机组的核心设备，其性能直接影响到风机的发电效率和机组的安全性。
在将变桨系统安装于实际的风电机组运行之前，有必要对变桨系统样机的性能进行测试。
目前，在变桨系统进行测试的方法中，首先选定一种类型的机组，在相应级别的实验台上，通过对变桨电机施加负载扭矩，模拟变桨过程中气流对桨叶的气动载荷对变桨电机转轴产生的影响，使变桨系统在恒定负载情况下，运行若干时间以对变桨系统进行测试。
但上述的测试方法中，只模拟了固定风况下，变桨过程中对变桨电机转轴产生的影响，没有考虑到风力实际载荷对变桨电机产生的作用力对变桨轴承机械性能的影响，而变桨轴承的机械性能在变桨系统运行过程中起着重要的作用，因此，不能很好的反映变桨系统在实际风况下的运行性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种本发明提供一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，以满足风电机组对变桨系统性能的测试需要。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，包括：主控制系统、被测变桨系统以及加载系统；其中：
所述主控制系统与所述变桨系统和所述加载系统以通讯方式连接，用于控制被测变桨系统的供电、变桨系统给定、变桨系统反馈信号处理、加载系统的数据采集；
所述加载系统与所述变桨系统之间通过联轴器给所述变桨系统加载负载，并在联轴器上安装转速-转矩传感器，用于测量变桨系统的负载扭矩；
所述转速-转矩传感器与主控制系统之间电连接，将所述转速-转矩传感器采集的信号传递至所述主控制系统。
进一步地：所述系统还包括电动调压器，所述电动调压器的电源输入端与电网电连接，输出端提供给所述变桨系统电压，所述电动调压器的控制端连接所述主控制系统，由所述主控制系统输出的模拟量信号，进而调节电动调压器的输出电压，模拟电网各种工况。
进一步地：所述变桨系统与电网之间还设置有可独立控制三相电的主接触器，所述主接触器的控制端与所述主控制系统通讯连接，通过主控制系统发通/断命令，分别控制变桨系统供电的一相、两相或三相，进而模拟变桨系统断电故障。
进一步地：所述变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器、变桨传感器以及变桨电机，所述变桨控制器与变桨驱动器以通讯方式连接，变桨驱动器与变桨电机连接，变桨电机连接联轴器，变桨传感器与所述变桨控制器和变桨驱动器连接，用于采集数字量和模拟量信号。
进一步地：所述加载系统，包括加载驱动器和加载电机；
所述加载驱动器接收来自主控制系统的控制信号，并与加载电机连接，用于执行所述主控制系统的控制信号；
所述加载电机与联轴器连接，用于给变桨系统提供扭矩。
进一步地：所述加载驱动器接收主控制系统的控制命令，该指令为恒定负载转矩或随机负载转矩，同时根据控制命令驱动加载电机，模拟叶片施加给变桨轴承的载荷。
进一步地：恒定负载扭矩根据载荷报告计算得出的10分钟平均扭矩T10min随机负载扭矩是利用Matlab软件按照10s的时间间隔提取各工况载荷报告数据，再利用Matlab软件和主控制系统进行通讯，进行实时数据交换。
进一步地：所述系统还包括有断路器，所述断路器分为第一主断路器和主第二断路器，第一主断路器连接在电网的输出端，控制整个加载系统和变桨系统的供电，所述第二主断路器连接在所述第一主断路器与加载系统之间控制加载系统的供电。
进一步地：主控制系统下发的位置给定信号给给变桨系统，所述位置给定信号包括：0°～90°的阶跃信号和正弦信号其中，A为幅值，T为周期。本发明的有益效果为：
本发明提供的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，通过模拟变桨轴承和变桨电机的转轴实际的运行情况下承受的力矩和载荷，接近真实工况。并且变桨控制系统是一套真实的系统，进而变桨控制系统在电网供电和超级电容供电的情况下，可以真实的反应出变桨系统所受载荷情况、过载能力、低电压穿越和高电压穿越能力，可以完全反应变桨系统的所有性能，满足对变桨系统的性能测试需求。
附图说明
图1为本发明的结构模块框图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一方面提供了一种风电机组变桨系统的测试系统，包括：包括：主控制系统、被测变桨系统以及加载系统；
主控制系统，用于控制供被测变桨系统的供电、变桨系统给定、变桨系统反馈信号处理、加载驱动器的给定、转速-转矩传感器的数据采集。其中，分别控制动力电断单项、两相和三相，时间可根据要求进行设定；可以模拟主控系统给变桨系统信号，包括位置、速度、启动、停止等命令信号；可以控制加载驱动器的输出扭矩，模拟风机叶片的载荷；可以通过控制电动调压器控制变桨系统的供电电压，模拟高电压穿越和低电压穿越测试；
开关电源、断路器、接触器和继电器等低压器件组成控制电路硬件回路；
变桨系统，包括变桨控制系统控制器、驱动器、电机、超级电容、编码器、限位开关、PT100、低压器件等；
变桨控制器与驱动器以通讯方式连接，变桨驱动器与变桨电机连接，变桨电机与联轴器连接，传感器与控制器和驱动器连接，低压器件组成控制回路；
变桨控制器与变桨驱动器连接，用于向变桨驱动器发送控制信号；变桨控制器与传感器连接，用于采集数字量和模拟量信号；
变桨驱动器分别与驱动电源和变桨电机连接，用于根据所述变桨控制器的控制信号调节接入的输入电压以输出对变桨电机的控制信号；
主控制系统与变桨系统和加载系统以通讯方式连接，用于控制被测变桨系统的供电、变桨系统给定、变桨系统反馈信号处理、加载系统的数据采集；
加载系统与变桨系统之间通过联轴器给所述变桨系统加载负载，并在联轴器上安装转速-转矩传感器，用于测量变桨系统的负载扭矩；
转速-转矩传感器与主控制系统之间电连接，将转速-转矩传感器采集的信号传递至主控制系统。
该系统还包括电动调压器，电动调压器的电源输入端与电网电连接，输出端提供给变桨系统电压，电动调压器的控制端连接主控制系统，由主控制系统输出的模拟量信号，进而调节电动调压器的输出电压，模拟电网各种工况。
变桨系统与电网之间还设置有可独立控制三相电的主接触器，所述主接触器的控制端与所述主控制系统通讯连接，通过主控制系统发通/断命令，分别控制变桨系统供电的一相、两相或三相，进而模拟变桨系统断电故障。
变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器、变桨传感器以及变桨电机，所述变桨控制器与变桨驱动器以通讯方式连接，变桨驱动器与变桨电机连接，变桨电机连接联轴器，变桨传感器与所述变桨控制器和变桨驱动器连接，用于采集数字量和模拟量信号。设置超级电容与变桨驱动器的直流母线连接，用于在电网供电失败的情况下，作为备用电源供变桨系统控制电机，使风机叶片顺桨至安全位置；
加载系统包括加载驱动器和加载电机；
加载驱动器接收来自主控制系统的控制信号，并与加载电机连接，用于执行所述控制器的控制信号；加载电机与联轴器连接；用于给变桨系统提供扭矩。
所述加载驱动器接收主控制系统的控制命令，该指令为恒定负载转矩或随机负载转矩，同时根据控制命令驱动加载电机，模拟叶片施加给变桨轴承的载荷。
恒定负载扭矩根据载荷报告计算得出的10分钟平均扭矩T10min随机负载扭矩是利用Matlab软件按照10s的时间间隔提取各工况载荷报告数据，再利用Matlab软件和主控制系统进行通讯，进行实时数据交换。
系统还包括有断路器，所述断路器分为第一主断路器和主第二断路器，第一主断路器连接在电网的输出端，控制整个加载系统和变桨系统的供电，所述第二主断路器连接在所述第一主断路器与加载系统之间控制加载系统的供电。
实施例：风力发电机组作为风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的设备。再当下资源枯竭和环境污染日益严重的背景下，风力发电作为清洁能源，是目前最具前景的新能源发展方向。但是风能作为间歇性能源，具有很大的随机性和不可控性。
风力发电机组的输出功率范围较宽，并且转速范围较大，控制输出功率最有效的方法就是控制叶片桨距角，调节风轮捕获的风能，提高风机利用率。
变桨系统作为风机的重要部分，担负着调节输出功率和减小风机载荷的作用，因此，安全、可靠的变桨系统是必要的，本发明实施例提供的一种兆瓦级风电机组变桨系统测试系统，可以有效模拟风机变桨系统的运行情况，并对变桨系统的性能进行评估。
图1是本发明系统结构示意图，如图1所示，包括：主控制系统、电动调压器、主接触器、被测变桨系统和加载系统。
主控制系统5包括嵌入式工控机、触控PC、断路器、接触器和继电器。
主控制系统与变桨系统7和加载系统6以CANopen通讯方式连接。
电动调压器4的控制命令是由主控制系统给出的4-20mA模拟量信号，用于调整被测变桨系统的供电电压。
电动调压器4与主控制系统5中的工控机连接，受控于工控机输出的模拟量信号，进而调节调压器4的输出电压，模拟电网各种工况。
变桨系统7，为真实的变桨控制系统，包括超级电容9，变桨控制柜8，变桨电机10。
超级电容9作为变桨系统的备用电源，在电网故障时为变桨系统提供能量，其具有较好的充、放电性能，并且电压变化呈线性，运行温度范围宽，低温性能好等优点。
变桨控制柜8包括PLC控制器和变桨驱动器，二者以通讯方式连接，其中，PLC控制器接收主控制系统5的指令，并且将变桨系统的所有信息上传至主控制系统5，变桨控制柜内的其他低压器件组成变桨系统的硬件控制电路，用于驱动变桨电机10。
加载系统6，包括一台加载驱动器14，一台加载电机13。
加载驱动器14接收主控制系统5的控制命令，该指令可以是恒定的转矩，也可以是实时变化的转矩，同时驱动加载电机13，模拟叶片施加给变桨轴承的载荷。
实时变化的转矩给定命令由Matlab软件根据Bladed软件仿真的载荷报告数据提取，再由Matlab软件与主控制器进行实时通讯，最后下发至加载驱动器14，进而由加载电机13模拟出叶片的负载扭矩。
第一主断路器1，控制整个加载系统和变桨系统的供电，第二主断路器2控制加载系统的供电。
主接触器3，为可独立控制三相电的接触器，可通过主控制系统发通/断命令，分别控制变桨系统供电的一相、两相或三相，进而模拟变桨系统断电故障。转速-转矩传感器12，记录加载系统所施加的负载扭矩大小，实时将扭矩值上传至主控制系统，转速-转矩传感器12并连接有电容11。
图1可以测试变桨系统7在不同加载工况和不同电网工况下，其中，所有的控制命令由主控制系统下发，变桨系统7的性能，即其功能性和可靠性。
参见图2，测试方法，包括对风电机组变桨系统的功能性测试评估和运行性能测试评估。
功能性检测可根据NB/T 31018-2011执行，检验变桨系统的安全性是否满足各种情况下，均能满足风电机组安全停机的要求。
运行性能检测主要评定以下参数：调节时间、超调量、控制柜温升和变桨电机温升、响应时间。
首先主控制系统对位置初始化，并选择是正弦信号给定还是方波信号给定，
变桨系统的位置给定包括：0°～90°阶跃信号正弦信号其中，A为幅值，T为周期。其中，变桨速度按照机械设计的要求执行。
对加载系统的输出负载进行选择，输出负载扭矩可分为恒定负载和随机负载，其中，恒定负载扭矩根据载荷报告计算得出的T10min，随机负载扭矩是利用Matlab软件按照10s的时间间隔提取各工况载荷报告数据，再利用Matlab软件和主控制系统进行通讯，进行实时数据交换。其中，载荷报告的各个工况情况参考IEC61400:2005标准。
通过主控制系统下发的位置给定信号和负载扭矩组合进行测试。阶跃信号时，两种负载扭矩情况下分别进行长时间加载测试，测试的内容包括：电网断电测试、高/低穿测试，当调节时间小于超调量σ％＜0.2％，控制柜和电机每小时温升小于0.1°。
正弦波信号时，两种负载扭矩情况下风别进行长时间加载测试，当控制柜和电机每小时温升小于0.1°，且变桨系统的响应时间tr＜300ms。
变桨系统运行性能测试满足上述指标则满足设计要求，若不满足，根据流程图则需对变桨系统进行参数优化，并进行重新评估测试。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：包括：主控制系统、被测变桨系统以及加载系统；其中：
所述主控制系统与所述变桨系统和所述加载系统以通讯方式连接，用于控制被测变桨系统的供电、变桨系统给定、变桨系统反馈信号处理、加载系统的数据采集；
所述加载系统与所述变桨系统之间通过联轴器给所述变桨系统加载负载，并在联轴器上安装转速-转矩传感器，用于测量变桨系统的负载扭矩；
所述转速-转矩传感器与主控制系统之间电连接，将所述转速-转矩传感器采集的信号传递至所述主控制系统。
2.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述系统还包括电动调压器，所述电动调压器的电源输入端与电网电连接，输出端提供给所述变桨系统电压，所述电动调压器的控制端连接所述主控制系统，由所述主控制系统输出的模拟量信号，进而调节电动调压器的输出电压，模拟电网各种工况。
3.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述变桨系统与电网之间还设置有可独立控制三相电的主接触器，所述主接触器的控制端与所述主控制系统通讯连接，通过主控制系统发通/断命令，分别控制变桨系统供电的一相、两相或三相，进而模拟变桨系统断电故障。
4.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器、变桨传感器以及变桨电机，所述变桨控制器与变桨驱动器以通讯方式连接，变桨驱动器与变桨电机连接，变桨电机连接联轴器，变桨传感器与所述变桨控制器和变桨驱动器连接，用于采集数字量和模拟量信号。
5.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述加载系统，包括加载驱动器和加载电机；
所述加载驱动器接收来自主控制系统的控制信号，并与加载电机连接，用于执行所述主控制系统的控制信号；
所述加载电机与联轴器连接，用于给变桨系统提供扭矩。
6.按照权利要求5所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述加载驱动器接收主控制系统的控制命令，该指令为恒定负载转矩或随机负载转矩，同时根据控制命令驱动加载电机，模拟叶片施加给变桨轴承的载荷。
7.按照权利要求6所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：恒定负载扭矩根据载荷报告计算得出的10分钟平均扭矩T10min随机负载扭矩是利用Matlab软件按照10s的时间间隔提取各工况载荷报告数据，再利用Matlab软件和主控制系统进行通讯，进行实时数据交换。
8.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：所述系统还包括有断路器，所述断路器分为第一主断路器和主第二断路器，第一主断路器连接在电网的输出端，控制整个加载系统和变桨系统的供电，所述第二主断路器连接在所述第一主断路器与加载系统之间控制加载系统的供电。
9.按照权利要求1所述的兆瓦级风电机组变桨系统的测试系统，其特征在于：主控制系统下发的位置给定信号给给变桨系统，所述位置给定信号包括：0°～90°的阶跃信号和正弦信号其中，A为幅值，T为周期。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20170125 |