CN109084984A - 一种风力发电机组发电系统联调试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机技术领域，提供了一种风力发电机组发电系统联调试验装置及试验方法。风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，包括：发电机，内置定子接线箱和转子接线箱；拖动设备，拖动发电机转动，模拟发电机在实际运行中的机械输入；变流器，与发电机连接，改变由发电机输出的不规律电流；调压调频设备，其两端分别与变流器出口及电网连接，模拟电网状态；定子电参数监测设备，与定子接线箱连接；转子电参数监测设备，与转子接线箱连接；变流器出口电参数监测设备，与所述变流器出口连接。本发明可以模拟实际运行状况对发电机及变流器进行评估，以解决验证发电机与变流器的匹配性的问题。

Description

一种风力发电机组发电系统联调试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种风力发电机组发电系统联调试验装置及试验方法。

背景技术

随着石油、煤等非可再生资源的消耗和环保意识的提高，人们已越来越重视可再生能源的应用。其中，风能作为一种清洁的可再生能源，在全球节能减排工作中的地位日益重要，相应地，作为风能向电能转换装置的风力发电机组也已得到越来越多的重视和发展。

并网型的风力发电机组在正式并网发电前，需进行发电前的静态调试，以及发电过程的动态调试。静态调试指的是风力发电机组通电，实现风力发电机组内部诸如变桨、偏航以及主控系统等机电设备的动作调试。动态调试指的是风力发电机在可以连接稳定电网的前提下，根据风速，自动实现变桨、偏航、起机并网、功率调节、停机、刹车等动态功能的调试。其中，稳定电网是指风力发电机组的并网变流器所需的锁相参考电源(通常包括电压幅值、相位、频率及波形)。风力发电机组在并网后将风能转换为电压幅值、相位、频率和波形与参考电源相同的电能。

发电系统是风力发电机组的核心部件，其运行的可靠性直接影响机组的稳定性，在发电系统开发验证阶段，发电机与变流器有单独验证方法及标准，但多项匹配性、参数优化等问题在整个系统正式投运前无法进行有效验证与识别，因而增加了首台样机装机投运前，发电系统的调试周期，降低了整机运行可靠性，从而拉长了整机从设计、样机投运、技术改进到批量生产的周期。

中国专利库公开了一种风力发电机的整机联调装置（CN200710032713.6），其公开了一种风力发电机的整机联调装置，包括安装在机座上的减速箱，减速箱高速端与发电机相连、低速端与风叶轮相连，其技术方案的要点是，所述的减速箱与发电机之间由联轴器连接，所述的联轴器包括联轴器胀紧套，在联轴器一侧机座上设有电机安装座，电机安装座上装有电动机，联轴器胀紧套通过皮带与电动机上的皮带轮连接。但其并未公开整套发电系统的实验装置的搭建及试验方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种风力发电机组发电系统联调试验装置及试验方法，以验证发电机与变流器的匹配性。

第一方面，本发明提供的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，包括：

发电机，内置定子接线箱和转子接线箱；

拖动设备，拖动所述发电机转动，模拟所述发电机在实际运行中的机械输入；

变流器，与所述发电机连接，用于控制所述发电机有功功率和无功功率的输出；

定子电参数监测设备，与所述定子接线箱连接，监测定子的电流、电压、功率和谐波；

转子电参数监测设备，与所述转子接线箱连接，监测转子的电流、电压、功率和谐波。

可选地，还包括用于模拟电网状态的调压调频设备，其两端分别与所述变流器出口及电网连接。

可选地，还包括用于监测所述变流器并网出口的电流、电压、功率、谐波和电能质量的变流器出口电参数监测设备，其与所述变流器出口连接。

可选地，所述变流器包括机侧变流器和网侧变流器，所述转子接线箱内的铜排通过电缆与所述机侧变流器入口连接，所述定子接线箱内的铜排通过电缆与所述网侧变流器出口连接。

可选地，还包括网侧变流器电参数监测设备，其与所述网侧变流器出口连接，用于监测所述网侧变流器出口的电流、电压、功率和谐波。

可选地，还包括绝缘联轴器，其两端分别与所述拖动设备和所述发电机电连接。

可选地，还包括设置在发电机绕组、轴承、碳刷、定子接线箱冷却介质进口、定子接线箱冷却介质出口、转子接线箱冷却介质进口、转子接线箱冷却介质出口、变流器IGBT模块、直流母线、接线铜排各处埋置的温度监测装置。

第二方面，本发明提供的一种风力发电机组发电系统全功率联调试验方法，采用所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，进行联调试验。

可选地，所述联调试验包括电网适应性试验、故障复现试验、谐波测试、直流纹波试验、极端工况下温升试验、加载试验、机组功率因数测定试验、温升试验和工作特性曲线试验。

本发明的技术效果：

1.本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置可以模拟实际运行状况对发电机及变流器进行评估，以解决验证发电机与变流器的匹配性的问题。

2.本发明可以减少首台样机装机投运前发电系统的调试周期，提高整机运行的可靠性。

3.本发明可以降低风场调试故障率，减少风场调试时间。

4.可以采用本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置对发电机、变流器试验时运行状态实时监测，从而对发电系统的各项参数进行优化。

5.本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置适用于对2MW、3MW和5MW的发电系统的联调试验验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种风力发电机组发电系统联调试验装置的结构框图。

附图标记：

拖动设备-1；发电机-2；定子接线箱-3；转子接线箱-4；

机侧变流器-5；网侧变流器-6；调压调频设备-7；定子电参数监测设备-8；

转子电参数监测设备-9；网侧变流器电参数监测设备-10；

变流器出口电参数监测设备-11；绝缘联轴器-12。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

图1示出了本发明第一实施例所提供的 一种风力发电机组发电系统联调试验装置的结构框图。参见图1，本发明第一实施例提供了一种风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，包括：

发电机2，内置定子接线箱3和转子接线箱4；

拖动设备1，拖动所述发电机2转动，模拟所述发电机2在实际运行中的机械输入；

变流器，用于控制所述发电机2有功功率和无功功率的输出，具体为：通过对发电机2的转子进行励磁，使得发电机2的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功功率和无功功率的控制。变流器包括机侧变流器5和网侧变流器6，所述转子接线箱4内的铜排通过电缆与所述机侧变流器5入口连接，所述定子接线箱3内的铜排通过电缆与所述网侧变流器6出口连接；

调压调频设备7，其两端分别与所述变流器出口及电网连接，模拟电网状态；

定子电参数监测设备8，与所述定子接线箱3连接，监测定子的电流、电压、功率和谐波；

转子电参数监测设备9，与所述转子接线箱4连接，监测转子的电流、电压、功率和谐波；

变流器出口电参数监测设备11，与所述变流器出口连接，监测所述变流器并网出口的电流、电压、功率、谐波和电能质量；

网侧变流器电参数监测设备10，其与所述网侧变流器6出口连接，用于监测所述网侧变流器6出口的电流、电压、功率和谐波。

拖动设备1以电动机作为原动机拖动发电机2转动，可模拟发电机2在实际运行中的机械输入，因此，可以根据需要调节机械输入的速度。

本发明第一实施例中所述的变流器包括机侧变流器5和网侧变流器6，机侧变流器5与发电机2的转子接线箱4连接，设置于靠近发电机2一侧，用于将发电机2的不规律电流通过整流模块整流成直流电。网侧变流器6与发电机2的定子接线箱3连接，设置于靠近电网一侧，通过IGBT模块对机侧电流器输出的直流电进行逆变，使之成为可控的交流电，满足并网要求，获取与电网同电压同频率的电流。

参见图1，本发明第一实施例还包括绝缘联轴器12，其两端分别与所述拖动设备1和所述发电机2电连接。绝缘联轴器12的两端绝缘，可防止拖动设备1与发电机2之间的电流相互干扰而影响工作。

除以上设备外，还包括在发电机2各处埋置的温度监测装置，具体是在发电机绕组、轴承、碳刷、定子接线箱3冷却介质进口、定子接线箱3冷却介质出口、转子接线箱4冷却介质进口、转子接线箱4冷却介质出口、变流器IGBT模块、直流母线、接线铜排等位置（图1中未示出）。

定子电参数监测设备8、转子电参数监测设备9、变流器出口电参数监测设备11和网侧变流器电参数监测设备10中所涉及的电参数监测设备包括但不限于电参数检测仪、电参数综合测量仪，用于对电参数进行数据处理、分析和传输。

调压调频设备7具体为调频调压电源AF400。

本发明第二实施例提供了一种风力发电机组发电系统全功率联调试验方法，采用所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，进行联调试验。

本发明第二实施例所提供的风力发电机组发电系统全功率联调试验方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，第二实施例部分未提及之处，可参考前述第一实施例中的相应内容。

具体一点来说，联调试验包括电网适应性试验、故障复现试验、谐波测试、直流纹波试验、极端工况下温升试验、加载试验、机组功率因数测定试验、温升试验和工作特性曲线试验。

1.电网适应性试验：

启动拖动设备1，调节拖动转速为发电机2最低转速，调节调压调频设备7，模拟电网频率为额定电网频率，电压分别为最高、最低边界值，启动变流器并网，观察是否能正常并网，记录各电参数值；并网（电压维持边界值不变）后调节发电机2转速至同步转速及额定转速，观察发电系统是否能正常工作，分别记录各项电参数值。

启动拖动设备1，调节拖动转速为发电机2最低转速，调节调压调频设备7，模拟电网电压为额定电网电压，频率分别为最高、最低边界值，启动变流器并网，观察是否能正常并网，记录各电参数值；并网（频率维持边界值不变）后调节发电机2转速至同步转速及额定转速，观察发电系统是否能正常工作，分别记录各项电参数值。

2. 故障复现试验：

当发电系统在实际运行过程中出现故障时，根据故障前发电系统运行数据（发电机2转速、电网参数、发电机2运行参数、变流器运行参数等）作为输入，通过调节模拟发电机2转速、电网参数、发电机2运行参数、变流器运行参数等还原发电系统故障前的状态，通过对各电参数、温度数据的观察，分析故障原因。

3. 谐波测试：

参考风力发电机组整机设计功率曲线选取发电机2工作特性曲线对应试验点（转速—功率—功率因数值），转速至少包括并网转速、同步转速、额定转速，启动拖动设备1并将转速调至转速点，启动变流器，通过调压调频设备7将频率及电压调至额定运行的电网条件，通过调节变流器，观察发电机2的定子电参数监测设备8和转子电参数监测设备9，将发电机2实际输出电参数调至发电机2转速对应功率点，通过网侧变流器电参数监测设备10测量变流器网侧输出点的电压及电流谐波含量，通过转子电参数监测设备9测量发电机2转子侧接线铜排的电压及电流谐波含量，以及通过变流器出口电参数监测设备11测量变流器总输出点的电压及电流谐波含量。

4. 直流纹波试验：

将发电机2运行状态调至工作特性曲线试验点，将电参数测量设备探头分别置于变流器直流母线正、负极，测量直流电压中的交流谐波分量的有效值与直流额定电压的比值，要求直流电压纹波系数＜5%。

5. 加载试验：

依次取并网转速到超速保护转速范围内五个速度点，五个速度点至少包括并网转速、同步转速、额定转速。在功率因数分别为额定功率因数、设计功率因数、特殊工况下功率因数时测量每个转速所对应的发电机2的输出电量。测试动态加减载响应时间时，电机转速设置为额定转速，分别按50％及100％进行动态加减载测试。试验通过100％动态加载、减载响应时间及加载过程中，电网端输出有功/无功功率误差值进行考核。

6. 机组功率因数测定试验：

将发电机2调整到额定状态（额定转速、额定有功功率）系统在功率因数为额定功率因数、设计功率因数、特殊工况功率因数时，测量机组向电网发送的有功功率P和总视在功率S，功率因数为PF=P/S×100%，确定机组具有调整功率因数的功能。机组功率因数测定试验可与加载试验同时进行。

7. 温升试验：

启动拖动设备1并将转速调至额定转速，启动变流器，通过调压调频设备7将频率及电压调至额定运行的电网条件，通过调节变流器，观察定子电参数监测设备8和转子电参数监测设备9，将发电机2实际输出电参数调至发电机2额定功率，观察变流器出口电参数将功率因数调至额定值，保持该运行状态使发电系统长时运行至各项温度监测值达到稳定（小时温度变化2K以内），记录各项温度数据及电参数数据。

8. 极端工况下温升试验

启动拖动设备1，调节拖动转速为发电机2额定转速，调节调压调频设备7，模拟电网电压为最低边界值，频率为额定值，控制变流器并网将发电机2功率调至额定功率对发电系统进行温升试验。

9. 工作特性曲线试验：

参考风力发电机组整机设计功率曲线选取发电机2工作特性曲线对应试验点（转速—功率—功率因数值，至少包含额定工作点、发电机2同步转速工作点、并网转速点），启动拖动设备1并将转速调至转速点，启动变流器，通过调压调频设备7将频率及电压调至额定运行的电网条件，通过调节变流器，观察定子电参数监测设备8和转子电参数监测设备9，将发电机2实际输出电参数调至发电机2转速对应功率点，观察变流器出口电参数将功率因数调至试验点设定值，记录发电机2、变流器电参数，具体包括有功功率、无功功率、视在功率、电压和电流值。

本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置可以模拟实际运行状况对发电机2及变流器进行评估，以解决验证发电机2与变流器的匹配性的问题。

本发明可以减少首台样机装机投运前发电系统的调试周期，提高整机运行的可靠性。

本发明可以降低风场调试故障率，减少风场调试时间。

可以采用本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置对发电机2、变流器试验时运行状态实时监测，从而对发电系统的各项参数进行优化。

本发明的风力发电机组发电系统联调试验装置适用于对2MW、3MW和5MW的发电系统的联调试验验证。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤并不限制本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，包括：

发电机，内置定子接线箱和转子接线箱；

拖动设备，拖动所述发电机转动，模拟所述发电机在实际运行中的机械输入；

变流器，与所述发电机连接，用于控制所述发电机有功功率和无功功率的输出；

定子电参数监测设备，与所述定子接线箱连接，监测定子的电流、电压、功率和谐波；

转子电参数监测设备，与所述转子接线箱连接，监测转子的电流、电压、功率和谐波。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，还包括用于模拟电网状态的调压调频设备，其两端分别与所述变流器出口及电网连接。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，还包括用于监测所述变流器并网出口的电流、电压、功率、谐波和电能质量的变流器出口电参数监测设备，其与所述变流器出口连接。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，所述变流器包括机侧变流器和网侧变流器，所述转子接线箱内的铜排通过电缆与所述机侧变流器入口连接，所述定子接线箱内的铜排通过电缆与所述网侧变流器出口连接。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征于，还包括网侧变流器电参数监测设备，其与所述网侧变流器出口连接，用于监测所述网侧变流器出口的电流、电压、功率和谐波。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，还包括绝缘联轴器，其两端分别与所述拖动设备和所述发电机电连接。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，其特征在于，还包括设置在所述发电机的绕组、轴承、碳刷、定子接线箱冷却介质进口、定子接线箱冷却介质出口、转子接线箱冷却介质进口、转子接线箱冷却介质出口、变流器IGBT模块、直流母线、接线铜排各处埋置的温度监测装置。

8.一种风力发电机组发电系统全功率联调试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验装置，进行联调试验。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组发电系统全功率联调试验方法，其特征在于，所述联调试验包括电网适应性试验、故障复现试验、谐波测试、直流纹波试验、极端工况下温升试验、加载试验、机组功率因数测定试验、温升试验和工作特性曲线试验。