CN106438219A - 用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法。该测试系统包括：控制器，与变频器和液压加载系统相连，用于向变频器发送变桨控制信号以及向液压加载系统发送风力载荷信号；变频器，与控制器和变桨电机相连，用于根据变桨控制信号向变桨电机发送电机控制信号；变桨电机，变桨电机的转轴与变桨轴承相连，用于根据电机控制信号对变桨轴承施加转矩；液压加载系统，与控制器和加载臂相连，用于根据风力载荷信号对加载臂施加载荷；加载臂，与液压加载系统和变桨轴承相连，用于在液压加载系统施加的载荷的作用下，对变桨轴承施加载荷；以及变桨轴承，与变桨电机和加载臂相连，用于在变桨电机施加的转矩、和加载臂施加的载荷的作用下转动。

Description

用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法

技术领域

本发明涉及风电领域，更具体地涉及一种用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法。

背景技术

目前，风力发电是新能源开发领域中技术最成熟、最具规模开发条件的发电方式。为了提高风电机组的输出效率，需要通过变桨系统调整叶片的桨距角，来使得风机吸收最大稳定的风能。

变桨系统主要包括控制器、变频器、变桨电机、以及变桨轴承，其中：控制器根据风向和风速计算出要求的桨距角，根据计算出的桨距角生成控制指令，并将控制指令发送给变频器；变频器根据来自控制器的控制指令控制变桨电机转动；变桨电机带动变桨轴承转动，进而通过变桨轴承驱动叶片转动，使得叶片改变桨距角，满足变桨要求。

由于风向和风速的不稳定性，变桨系统驱动叶片改变桨距角的过程反复变化，这常常会造成变桨电机和变桨轴承的严重损坏。因此，在将变桨电机和变桨轴承实际应用到风电机组之前，有必要对它们的质量寿命进行评估。目前，在对变桨电机进行测试时，一般将变桨电机与电动机同轴连接，将该电动机作为变桨电机的负载来对变桨电机的电气性能进行测试。

然而，上述方法只是模拟了不同风况下变桨电机的电气性能的变化情况，没有考虑风力载荷的变化对变桨轴承的机械性能的影响。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新颖的用于风力发电机组变桨系统的测试方法和测试系统。

根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统包括：控制器，与变频器和液压加载系统相连，用于向变频器发送变桨控制信号以及向液压加载系统发送风力载荷信号；变频器，与控制器和变桨电机相连，用于根据变桨控制信号向变桨电机发送电机控制信号；变桨电机，变桨电机的转轴与变桨轴承相连，用于根据电机控制信号对变桨轴承施加转矩；液压加载系统，与控制器和加载臂相连，用于根据风力载荷信号对加载臂施加载荷；加载臂，与液压加载系统和变桨轴承相连，用于在液压加载系统施加的载荷的作用下，对变桨轴承施加载荷；以及变桨轴承，与变桨电机和加载臂相连，用于在变桨电机施加的转矩、和加载臂施加的载荷的作用下转动。

根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试方法包括：通过控制器向变频器发送变桨控制信号、以及向液压加载系统发送风力载荷信号；变频器根据变桨控制信号向变桨电机发送电机控制信号；变桨电机根据电机控制信号对变桨轴承施加转矩；液压加载系统根据风力载荷信号对加载臂施加载荷；加载臂在液压加载系统施加的载荷的作用下，对变桨轴承施加载荷；以及变桨轴承在变桨电机施加的转矩、和加载臂施加的载荷的作用下转动。

根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法，通过模拟变桨电机的转轴和变桨轴承在实际的运行环境下承受的力和力矩，可模拟真实工况下风力发电机组变桨系统中的控制器、变频器、和变桨电机的运行情况以及变桨轴承的受力情况，从而可测试不同工况下整个风力发电机组变桨系统的运行可靠性和稳定性，尤其是变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统的框图；

图2是利用图1所示的测试系统实现的用于风力发电机组变桨系统的测试方法的流程图；

图3是根据本发明另一实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统的框图；

图4是利用图3所示的测试系统实现的用于风力发电机组变桨系统的测试方法的流程图；

图5是图1和图3所示的测试系统中的加载臂在风电机组的轮毂上的安装示意图；

图6是图1和图3所示的测试系统中的加载臂与变桨轴承和液压加载系统之间的连接示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

在实际的风电机组中，叶片安装于轮毂上，叶片根部固定连接变桨轴承，变桨电机通过齿形带带动变桨轴承转动；当需要改变叶片的桨距角时，通过控制变桨电机的转动带动变桨轴承的转动来改变叶片的桨距角。基于变桨电机与变桨轴承之间的联动关系，提出了根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法，以模拟真实工况下变桨系统中的控制器、变频器、和变桨电机的运行情况以及变桨轴承的受力情况，从而测试不同工况下整个变桨系统的运行可靠性和稳定性，尤其是变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能。

下面结合附图，详细描述根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法。

图1是根据本发明实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统的框图。如图1所示，测试系统100包括控制器102、变频器104、变桨电机106、液压加载系统108、加载臂110、以及变桨轴承112，其中：

控制器102与变频器104和液压加载系统108相连，用于向变频器104发送变桨控制信号、以及向液压加载系统108发送风力载荷信号；变频器104与控制器102和变桨电机106相连，用于根据来自控制器102的变桨控制信号向变桨电机106发送电机控制信号；变桨电机106与变频器104和变桨轴承112相连，用于根据来自变频器104的电机控制信号对变桨轴承112施加转矩；液压加载系统108与控制器102和加载臂110相连，用于根据来自控制器102的风力载荷信号对加载臂110施加载荷；加载臂110与液压加载系统108和变桨轴承112相连，用于在液压加载系统108施加的载荷的作用下，对变桨轴承112施加载荷；变桨轴承112与变桨电机106和加载臂110相连，用于在变桨电机106施加的转矩、和加载臂110施加的载荷的作用下转动。

这里，也可以认为液压加载系统108和加载臂110的作用在于：液压加载系统108根据来自控制器102的风力载荷信号生成载荷，并对加载臂110施加所生成的载荷；加载臂110将液压加载系统108所生成的载荷传递到变桨轴承112。也就是说，液压加载系统108可以根据来自控制器102的风力载荷信号向加载臂110施加载荷力和载荷力矩，以模拟某一风况下叶片上的风力载荷传递到变桨轴承112而使变桨轴承112承受相应的力与力矩。

在一些实施例中，控制器102可以根据各种传感器反馈的有关风速、风向、以及叶片初始位置等的相关信息，生成变桨控制信号和风力载荷信号；变频器104可以通过根据来自控制器102的变桨控制信号调节用于驱动变桨电机106的驱动电压和驱动电流，来向变桨电机106发送电机控制信号；变桨电机106可以通过皮带轮和齿形带与变桨轴承112相连，例如，变桨电机106的转轴与皮带轮相连，皮带轮通过齿形带与变桨轴承112相连，来带动变桨轴承112转动，从而通过变桨轴承驱动叶片转动；液压加载系统108可以根据来自控制器102的风力载荷信号，通过加载臂110对变桨轴承112施加载荷。

图2是利用图1所示的测试系统实现的用于风力发电机组变桨系统的测试方法的流程图。如图2所示，该测试方法200包括：S202，通过控制器向变频器发送变桨控制信号、以及向液压加载系统发送风力载荷信号；S204，变频器根据变桨控制信号向变桨电机发送电机控制信号；S206，变桨电机根据电机控制信号对变桨轴承施加转矩；S208，液压加载系统根据风力载荷信号对加载臂施加载荷；S210，加载臂在液压加载系统施加的载荷的作用下，对变桨轴承施加载荷；S212，变桨轴承在变桨电机施加的转矩、和加载臂施加的载荷的作用下转动。

需要说明的是，步骤S202-S212并不一定按照以上所述的顺序执行。例如，步骤S204和步骤S208可以同时进行，也可以先后进行，但是并不一定是步骤S204在步骤S208之前进行，也可以是步骤S208在步骤S204之前进行；在步骤S204和步骤S208完成后，步骤S206和步骤S210可以同时进行，也可以先后进行，但是并不一定是步骤S206在步骤S210之前进行，也可以是步骤S210在步骤S206之前进行。

结合图1和图2描述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法通过模拟变桨轴承和变桨电机在实际的运行环境下承受的力和力矩，可模拟真实工况下变桨系统中的控制器、变频器、和变桨电机的运行情况以及变桨轴承的受力情况，从而可测试不同工况下变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能(例如，形变情况)。

图3是根据本发明另一实施例的用于风力发电机组变桨系统的测试系统的框图。如图3所示，该测试系统300除了包括控制器102、变频器104、变桨电机106、液压加载系统108、加载臂110、以及变桨轴承112以外，还包括上位机114、应力传感器116、负荷传感器118、位移传感器120、电压传感器122、电流传感器124、旋转编码器126、数采装置128、以及测控系统130，其中：

上位机114与控制器102相连，用于设定不同工况下的变桨参数值和风力载荷参数值，并向控制器102发送变桨参数值和风力载荷参数值，以控制控制器102根据变桨参数值生成变桨控制信号、以及根据风力载荷参数值生成风力载荷信号。在一些实施例中，上位机114可以具有操作界面，供用户根据风机在不同风况下的运行情况设定相应的变桨参数值和风力载荷参数值；控制器102可以是可编程逻辑控制器(PLC)，作为下位机，控制器102在接收到的变桨参数值和风力载荷参数值后，可以根据变桨参数值生成变桨控制信号并发送给变频器104，根据风力载荷参数值生成风力载荷信号并发送给液压加载系统108。这里，变桨参数值可以包括变桨速度和角度等参数值，风力载荷参数值可以包括力和力矩等参数值。

应力传感器116与变桨轴承112相连，用于检测在不同载荷情况下，变桨轴承转动过程中的应力值并显示。

负荷传感器118与液压加载系统108中的液压加载装置机械相连，用于检测液压加载装置中的液压缸产生的载荷以生成第一载荷信号。

位移传感器120与液压加载装置中的作动缸相连，用于检测作动缸的移动距离，以向液压加载装置反馈与作动缸的移动距离相对应的第二载荷信号，与负荷传感器118形成对于液压加载装置的闭环控制。

具体地，液压缸产生的载荷(即，液压加载系统108产生的载荷)是通过作动缸的动作传递到加载臂的，而作动缸的动作会损耗液压缸产生的载荷，位移传感器反馈的第二载荷信号可以表征液压缸产生的载荷减去作动缸损耗的载荷后的剩余载荷(即，液压加载系统108实际施加到加载臂的载荷)，所以液压加载装置可以基于第二载荷信号来调节液压缸产生的载荷从而调节第一载荷信号，使得液压加载系统108实际施加到加载臂的载荷达到实际期望的载荷。

电压传感器122与变桨电机106相连，用于检测变桨电机106转动过程中的电压值并显示。

电流传感器124与变桨电机106相连，用于检测变桨电机106转动过程中的电流值并显示。

旋转编码器126与变桨电机106相连，用于检测变桨电机106转动过程中的转向和转速值并显示。

电压传感器122检测出的电压值、电流传感器124检测出的电流值、和旋转编码器126检测出的转速值可以通过数字量或波形曲线表示出来，通过观察这些曲线或数值可掌握变桨电机106的运行情况，对变桨电机106的电气性能进行分析。利用各种传感器对变桨轴承和变桨电机的相关参数进行采集，可更加精确地掌握变桨电机106和变桨轴承112在模拟工况下运行时的情况，为分析变桨电机106的电气性能和变桨轴承112的机械性能提供重要的参考数据。

各种传感器检测的部件不同，为了更好地分析，需要进一步设置数采装置128，该数采装置128分别与应力传感器116、负荷传感器118、位移传感器120、电压传感器122、电流传感器124、和旋转编码器126相连，用于对接收到的应力值、载荷值、位移值、电压值、电流值、转速值和转向进行标准化数据处理，并将数据处理结果发送给测控系统130；测控系统130可以根据来自数采装置128的数据处理结果评估变桨系统的状态并输出有关变桨系统的状态的信息。

图4是利用图3所示的测试系统实现的用于风力发电机组变桨系统的测试方法的流程图。如图4所示，该测试方法400包括：S402，通过上位机设定变桨参数值和风力载荷参数值，并向控制器发送变桨参数值和风力载荷参数值，以控制控制器根据变桨参数值生成变桨控制信号、以及根据风力载荷参数值生成风力载荷信号；S404，通过控制器向变频器发送变桨控制信号、以及向液压加载系统发送风力载荷信号；S406，变频器根据变桨控制信号向变桨电机发送电机控制信号；S408，变桨电机根据电机控制信号对变桨轴承施加转矩；S410，液压加载系统根据风力载荷信号对加载臂施加载荷；S412，加载臂在液压加载系统施加的载荷的作用下，对变桨轴承施加载荷；S414，变桨轴承在变桨电机施加的转矩、和加载臂施加的载荷的作用下转动；S416，通过应力传感器检测变桨轴承转动过程中的应力值；S418，通过负荷传感器检测液压加载装置中的液压缸产生的载荷，以生成第一载荷信号；S420，通过位移传感器检测液压加载装置中的作动缸里的活塞的移动位移，以向液压加载装置反馈与该移动距离相对应的第二载荷信号；S422，通过电压传感器检测变桨电机旋转过程中的电压值并显示；S424，通过电流传感器检测变桨电机旋转过程中的电流值并显示；S426，通过旋转编码器检测变桨电机旋转过程中的转向和转速值并显示；S428，通过数采装置上述步骤中检测出的应力值、载荷值、位移值、电压值、电流值、和变桨电机的转速值及转向信息进行标准化数据处理，并将数据处理结果发送给测控系统；S430，通过测控系统根据来自数采装置的数据处理结果评估变桨系统的状态并输出有关变桨系统的状态的信息。

类似地，需要说明的是，步骤S402-S430并不一定按照以上所述的顺序执行。例如，步骤S410和步骤S412可以在步骤S406和步骤S408之前进行，也可以与步骤S406和步骤S408同时进行；步骤S410和步骤S406可以同时进行，也可以先后进行，但是并不一定是步骤S406在步骤S410之前进行，也可以是步骤S410在步骤S406之前进行；在步骤S406和步骤S410完成后，步骤S408和步骤S412可以同时进行，也可以先后进行，但是并不一定是步骤S408在步骤S412之前进行，也可以是步骤S412在步骤S408之前进行；步骤S416-S426也可以按照相反的顺序进行。

在图4所示的测试方法中，通过各种传感器对变桨轴承和变桨电机的相关参数进行采集，可为分析变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能提供重要的参考数据。结合图3和图4描述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统和测试方法通过模拟变桨轴承和变桨电机在实际的运行环境下承受的力和力矩，可模拟真实工况下变桨系统中的控制器、变频器、和变桨电机的运行情况以及变桨轴承的受力情况，从而可测试不同工况下变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能(例如，形变情况)。

图5是图1和图3所示的测试系统中的加载臂在风电机组的轮毂上的安装示意图。从图5中可以看出，可以针对轮毂上每个安装叶片的位置安装一套图1或图3所示的测试系统，用以模拟真实工况下变桨系统中的控制器、变频器、和变桨电机的运行情况以及变桨轴承的受力情况，从而测试不同工况下变桨电机的电气性能和变桨轴承的机械性能。在一些实施例中，可以直接利用叶片模拟加载臂，也可以安装实际的叶片作为加载臂，轮毂及其内部所有部件都是风机本身的设备器件，这样可以更加真实的模拟测试由于风能载荷的变化导致的变桨电机电气性能的变化和变桨轴承的机械性能的变化。

图6是图1和图3所示的测试系统中的加载臂与变桨轴承和液压加载系统之间的连接示意图。如图6所示，液压加载系统是通过液压缸的动作产生压力而生成相应的载荷，模拟某一风况下因风对叶片的作用传递到变桨轴承而使变桨轴承承受相应的力和力矩。

在图1和图3所示的测试系统的运行过程中，变桨电机根据变桨控制信号生成并向变桨轴承施加相应的转矩，液压加载系统根据风力载荷信号通过加载臂向变桨轴承施加相应的载荷，进而变桨轴承在变桨电机施加的相应转矩和液压加载系统施加的相应载荷的作用下以相应的转速转动，并转动到相应的位置，从而可驱动叶片改变相应桨距角。

由以上所述可知，通过模拟变桨轴承、叶片和变桨电机在实际的运行环境下承受的力和力矩，可模拟真实状况下变桨系统中的控制器、变频器和变桨电机的运行情况，以及上述各部件之间的配合情况，从而可测试不同工况下变桨电机运行过程中的电气性能。并且，可通过各种测量仪器测得变桨轴承和轴承与叶片连接螺栓的受力和形变情况，以便对变桨轴承及轴承螺栓的机械性能作出评价。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (12)

1.一种用于风力发电机组变桨系统的测试系统，包括：

控制器，与变频器和液压加载系统相连，用于向所述变频器发送变桨控制信号、以及向所述液压加载系统发送风力载荷信号；

所述变频器，与所述控制器和变桨电机相连，用于根据所述变桨控制信号向所述变桨电机发送电机控制信号；

所述变桨电机，其转轴与变桨轴承相连，用于根据所述电机控制信号对所述变桨轴承施加转矩；

所述液压加载系统，与所述控制器和加载臂相连，用于根据所述风力载荷信号对所述加载臂施加载荷；

所述加载臂，与所述液压加载系统和所述变桨轴承相连，用于在所述液压加载系统施加的载荷的作用下，对所述变桨轴承施加载荷；以及

所述变桨轴承，与所述变桨电机和所述加载臂相连，用于在所述变桨电机施加的转矩、和所述加载臂施加的载荷的作用下转动。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统，还包括：

负荷传感器，与所述液压加载系统中的液压加载装置相连，用于检测所述液压加载装置中的液压缸产生的载荷以生成第一载荷信号；

位移传感器，与所述液压加载装置中的作动缸相连，用于检测所述作动缸的移动距离以向所述液压加载装置反馈与所述移动距离相对应的第二载荷信号，其中

所述第二载荷信号表征所述液压缸产生的载荷减去所述作动缸损耗的载荷后的剩余载荷，即所述液压加载系统实际施加到所述加载臂的载荷，所述液压加载装置基于所述第二载荷信号来调节所述液压缸产生的载荷从而调节所述第一载荷信号。

3.根据权利要求1或2所述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统，还包括：

上位机，与所述控制器相连，用于设置变桨参数值和风力载荷参数值，并向所述控制器发送所述变桨参数值和所述风力载荷参数值，其中

所述控制器根据所述变桨参数值生成所述变桨控制信号，并根据所述风力载荷参数值生成所述风力载荷信号。

4.根据权利要求1或2所述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统，还包括：

应力传感器，与所述变桨轴承相连，用于检测所述变桨轴承转动过程中的应力值并显示。

5.根据权利要求4所述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统，还包括电压传感器、电流传感器、以及旋转编码器中的一者或多者，其中

所述电压传感器，与所述变桨电机相连，用于检测所述变桨电机转动过程中的电压值并显示；

所述电流传感器，与所述变桨电机相连，用于检测所述变桨电机转动过程中的电流值并显示；

所述旋转编码器，与所述变桨电机相连，用于检测所述变桨电机转动过程中的转向和转速值并显示。

6.根据权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的测试系统，还包括：

数采装置，与所述应力传感器、所述电压传感器、所述电流传感器、以及所述旋转编码器中的一者或多者相连，用于对接收到的所述应力值、所述电压值、所述电流值、所述转速值、以及所述转向中的一者或多者进行标准化数据处理，并将数据处理结果发送给测控系统；以及

所述测控系统，与所述数采装置相连，用于根据所述数据处理结果评估所述变桨系统的状态并输出有关所述变桨系统的状态的信息。

7.一种用于风力发电机组变桨系统的测试方法，包括：

通过控制器向变频器发送变桨控制信号、以及向液压加载系统发送风力载荷信号；

所述变频器根据所述变桨控制信号向所述变桨电机发送电机控制信号；

所述变桨电机根据所述电机控制信号对所述变桨轴承施加转矩；

所述液压加载系统根据所述风力载荷信号对所述加载臂施加载荷；

所述加载臂在所述液压加载系统施加的载荷的作用下，对所述变桨轴承施加载荷；以及

所述变桨轴承在所述变桨电机施加的转矩、和所述加载臂施加的载荷的作用下转动。

8.根据权利要求7所述的用于风力发电机组变桨系统的测试方法，还包括：

通过负荷传感器检测所述液压加载系统中的液压加载装置中的液压缸产生的载荷，以生成第一载荷信号；

通过位移传感器检测所述液压加载装置中的作动缸的移动距离，以向所述液压加载装置反馈与所述移动距离相对应的第二载荷信号，其中

所述第二载荷信号表征所述液压缸产生的载荷减去所述作动缸损耗的载荷后的剩余载荷，即所述液压加载系统实际施加到所述加载臂的载荷，所述液压加载装置基于所述第二载荷信号来调节所述液压缸产生的载荷从而调节所述第一载荷信号。

9.根据权利要求7或8所述的用于风力发电机组变桨系统的测试方法，还包括：

通过上位机设置变桨参数值和风力载荷参数值，并向所述控制器发送所述变桨参数值和所述风力载荷参数值，其中

所述控制器根据所述变桨参数值生成所述变桨控制信号，并根据所述风力载荷参数值生成所述风力载荷信号。

10.根据权利要求7或8所述的用于风力发电机组变桨系统的测试方法，还包括：

通过应力传感器检测所述变桨轴承转动过程中的应力值并显示。

11.根据权利要求10所述的用于风力发电机组变桨系统的测试方法，还包括：

通过电压传感器检测所述变桨电机转动过程中的电压值并显示；

通过电流传感器检测所述变桨电机转动过程中的电流值并显示；和/或

通过旋转编码器检测所述变桨电机转动过程中的转向和转速值并显示。

12.根据权利要求11所述的用于风力发电机组变桨系统的测试方法，还包括：

通过数采装置接收所述应力值、所述电压值、所述电流值、所述转速值、以及所述转向中的一者或多者，对接收到的所述应力值、所述电压值、所述电流值、所述转速值、以及所述转向中的一者或多者进行标准化数据处理，并将数据处理结果发送给测控系统；以及

所述测控系统根据所述数据处理结果评估所述变桨系统的状态并输出有关所述变桨系统的状态的信息。