CN110120663A - 一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，包括在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率；将待测试发电机的转速调节至与各测试点对应的原始转速，并将待测试发电机的有功功率调节至对应的原始有功功率；依据各原始有功功率分别将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为该发电机的目标无功功率，并记录各目标无功功率；根据各原始有功功率和各目标无功功率绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图。依据该曲线图调节发电机无功功率，提高了灵活性和利用率。另外，本发明还公开了一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置，效果如上。

Description

一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法及装置。
背景技术
发电机安全运行极限图，也称P-Q曲线，是指发电机在各种功率因数下允许的有功功率P与无功功率Q的关系曲线。电励磁同步发电机的P-Q曲线的测试绘制方法在相关标准中有规定，但双馈异步发电机的运行原理与电励磁同步发电机不同，而且应用于风力发电机组时工况复杂，转速变化及转速运行范围较大，在现有的国家标准以及行业标准中没有对双馈异步发电机的P-Q曲线测试绘制方法的相关规定。据统计，2016年全球新增风电装机容量超过54.6GW，全球累计装机容量达486.7GW，其中70％以上使用的是双馈异步发电机。目前应用双馈异步发电机的风力发电机组多采取零无功调节或者定功率因数调节的控制模式，但是升压站的SVG容量较大，依据零无功调节或者定功率因数调节不够灵活，并且无法发掘风力发电机组自身的无功调节潜力，设备的利用率低。
由此可见，如何克服传统的风力发电机组无功调节控制模式调节灵活性低和设备利用率低的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法及装置，利用该安全运行极限图可以解决现有技术中传统的风力发电机组无功调节控制模式调节灵活性低和设备利用率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，包括：
在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率；
将所述待测试发电机的转速调节至与各所述测试点对应的所述原始转速，并将所述待测试发电机的有功功率调节至对应的所述原始有功功率；
依据各所述原始有功功率分别将所述待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将所述最大无功功率作为所述待测试发电机的目标无功功率，并记录各所述目标无功功率；
根据各所述原始有功功率和各所述目标无功功率绘制所述原始有功功率和所述目标无功功率的曲线图。
优选地，所述在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率具体为：
预先在所述转速功率曲线中等间隔选取多个所述测试点对应的各原始转速和各原始有功功率。
优选地，所述测试点的个数为10至15个。
优选地，当所述待测试发电机的功率因数为1时，所述待测试发电机的定子电流值小于或等于第一电流值；
其中，所述第一电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为1时所述定子电流的电流值；
则对应的，所述待测试发电机的转子电流值小于或等于第二电流值；
其中，所述第二电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为1时所述转子电流的电流值。
优选地，当所述待测试发电机的功率因数不为1时，所述待测试发电机的定子电流值小于或等于第三电流值；
其中，所述第三电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为容性设计值时所述定子电流的最大电流值；
则对应的，所述待测试发电机的转子电流值小于或等于第四电流值；
其中，所述第四电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为容性设计值时所述转子电流的最大电流值。
优选地，所述待测试发电机的总视在功率小于或等于所述待测试发电机的额定视在功率。
优选地，所述待测试发电机的转子电压值小于或等于与风力发电机组相匹配的变流器的电压限值。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种与双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法对应的装置，包括：
拖动电机、与风力发电机组相匹配的变流器、功率分析仪和控制器；
所述控制器与待测试发电机连接以获取所述待测试发电机的转速功率曲线中的多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率，并获取所述功率分析仪发送的所述待测试发电机的所述原始有功功率和目标无功功率；
所述拖动电机与所述待测试发电机连接以将所述待测试发电机的转速调节至与各所述测试点对应的所述原始转速；
所述变流器与所述待测试发电机连接以将所述待测试发电机的有功功率调节至对应的所述原始有功功率，并依据各所述原始有功功率分别将所述待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将所述最大无功功率作为所述待测试发电机的目标无功功率；
所述功率分析仪与所述待测试发电机连接以采集各所述原始有功功率和各所述目标无功功率，并将各所述原始有功功率和各所述目标无功功率发送至所述控制器以便绘制所述原始有功功率和所述目标无功功率的曲线图。
优选地，所述功率分析仪包括电流采集模块和电压采集模块，所述电流采集模块具体为霍尔电流传感器。
相比于现有技术，本发明所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，首先在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率；然后将待测试发电机的转速调节至与各测试点对应的原始转速，并将待测试发电机的有功功率调节至对应的原始有功功率；依据各原始有功功率分别将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为待测试发电机的目标无功功率，并记录各目标无功功率；最后根据各原始有功功率和各目标无功功率绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图。根据该方法可以绘制出待测试发电机的原始有功功率与目标无功功率的曲线图，在风力发电机组中需要对有关发电机的无功功率进行调节时，可以依据该方法绘制的原始有功功率和目标无功功率曲线图进行调节，也就是说可以根据发电机的有功功率和无功功率曲线图对发电机的无功功率进行调节，可以解决利用零无功调节或者定功率因数调节灵活性低的问题，进而可以提高调节灵活性和设备利用率。另外，本发明还提供了一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置，效果如上。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法流程图；
图2为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的转速功率曲线图；
图3为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图；
图4为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种双馈异步发电机的安全运行极限图的绘制方法及装置，可以解决现有技术中传统的风力发电机组无功调节控制模式调节灵活性低和设备利用率低的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法流程图，如图1所示，包括：
S101：在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率。
本发明中提到的发电机指的都是双馈异步发电机，后文简称发电机；双馈异步发电机的安全运行极限图，也称P-Q曲线，是指发电机在各种功率因数下允许的有功功率P与无功功率Q的关系曲线；图2为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的转速功率曲线图，每台风力发电机组设计完成后，都会对应有一个发电机转速功率曲线，如图2所示，为了绘制待测试发电机的有功功率与无功功率的曲线图，需要先在待测试发电机的转率功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率，待测试发电机的转率功率曲线是根据风力发电机组叶片的气动特性和功率传递特性得出的。
S102：将待测试发电机的转速调节至与各测试点对应的原始转速，并将待测试发电机的有功功率调节至对应的原始有功功率。
在选好测试点之后，需要根据测试点中的原始转速将待测试发电机的转速调节至该原始转速，然后在待测试发电机的转速处于该原始转速的前提下，将待测试发电机的有功功率调节至与该原始转速对应的原始有功功率。
S103：依据各原始有功功率分别将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为待测试发电机的目标无功功率，并记录各目标无功功率。
当待测试发电机的有功功率达到原始有功功率时，再调节待测试发电机的无功功率至上网侧总出口的最大无功功率，并将该最大无功功率作为该待测发电机的目标无功功率，同时记录各目标无功功率。
S104：根据各原始有功功率和各目标无功功率绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图。
在得到待测试发电机的多个目标无功功率之后，根据各原始有功功率和各目标无功功率就可以绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图，因为选取的测试点的个数为多个，所以对应的原始转速和原始有功功率均为多个，最后得到的该测试发电机的无功功率也是多个，并且原始有功功率和无功功率是对应的。作为优选地实施方式，测试点的个数为10至15个，测试点选取的过少，绘制出的待测试发电机的原始有功功率和目标无功功率的曲线图准确性低，测试点选取的太多，费时费力。
为了使本领域技术人员更好地理解本方案，假设在待测试发电机的转速功率曲线中选取了10个测试点对待测试发电机的无功功率进行调节，这10个测试点分别为：A1(n1，p1),A2(n2，p2),A3(n3，p3)...A10(n10，p10)，其中，n1,n2,n3...n10为原始转速，p1,p2,p3...p10为原始有功功率，首先根据测试点A1(n1，p1)中的n1将待测试发电机的转速调节至n1，再在待测试发电机的转速为n1时，将待测试发电机的有功功率调节至p1，然后再在待测试发电机的有功功率为p1时，将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率，同时将该最大无功功率作为待测试发电机的目标无功功率，并记录该目标无功功率Q1。然后再根据测试点A2(n2，p2)中的原始转速n2和原始有功功率p2调节待测试发电机的无功功率以达到目标无功功率Q2，依次类推，得到待测试发电机的其它目标无功功率Q3...Q10，最后根据p1,p2,p3...p10和Q1,Q2,Q3...Q10绘制出待测试发电机的原始有功功率P和目标无功功率Q的曲线图即可，在该实例中，是先根据测试点A1(n1，p1)中的原始转速n1和原始有功功率p1调节待测试发电机的无功功率的，而在实际应用中，也可以先根据测试点A2(n2，p2)中的原始转速n2和原始有功功率p2调节待测试发电机的无功功率的，也可以先根据其它测试点调节待测试发电机的无功功率的，也就是说，测试点的选取顺序并不会影响本申请实施例的实现。
图3为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图，如图3所示，安全运行极限图也称也称P-Q曲线，图3中P表示有功功率，Q表示无功功率，图3中左边部分表示额定工况下，上网侧总出口功率因数为感性设计值时发电机的无功功率Q与有功功率P的关系曲线，右边部分表示额定工况下，上网侧总出口功率因数为容性设计值时发电机的无功功率Q与有功功率P的关系曲线。该曲线图已经在2MW机组和3MW机组中应用，充分挖掘了风力发电机组自身的无功调节潜力，填补了目前国标或者行业标准没有关于双馈异步风力发电机P-Q曲线测试方法的空白。若应用于风场能量管理平台，可以有效减小风场升压站SVG容量或者省去SVG，降低风场建设成本。
在实际应用时，对待测试发电机的无功功率进行调节时，确定待测试发电机的最大无功功率的条件具体为：第一，待测试发电机的定子、转子电流不超过设计限值；第二，待测试发电机的总视在功率不超过待测试发电机的最大设计视在功率(额定视在功率)；第三，待测试发电机定子、转子电流不超过与风力发电机组相匹配的变流器允许限值；第四，待测试发电机转子电压值不超过与风力发电机组相匹配的变流器电压限值；变流器的机侧、网侧功率因数也有相应的门限值，为了和实际产品相对应，变流器尽量采用风力发电机组实际使用的变流器，而且在不影响变流器正常工作的情况下需尽量放开功率因数的门限值。也就是说，需要在同时满足上述条件的前提下，才可以得出待测试发电机的最大无功功率。
具体地，作为优选地实施方式，当待测试发电机的功率因数为1时，待测试发电机的定子电流值小于或等于第一电流值；其中，第一电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为1时定子电流的电流值；
则对应的，待测试发电机的转子电流值小于或等于第二电流值；其中，第二电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为1时转子电流的电流值。
当待测试发电机的功率因数不为1时，待测试发电机的定子电流值小于或等于第三电流值；其中，第三电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为容性设计值时定子电流的最大电流值；
则对应的，待测试发电机的转子电流值小于或等于第四电流值；其中，第四电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为容性设计值时转子电流的最大电流值。
当待测试发电机的功率因数不为1时，待测试发电机的定子电流值也可以小于或等于第五电流值；该第五电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为感性设计值时定子电流的最大电流值；则对应的，待测试发电机的转子电流值小于或等于第六电流值；该第六电流值为在额定工况下，上网侧总出口的功率因数为感性设计值时转子电流的最大电流值。当待测试发电机的功率因数不为1时，待测试发电机的定子电流值和转子电流值具体以哪种设计值为依据，可根据实际情况而定，本发明并不做限定。
可以理解的是，第一电流值、第二电流值、第三电流值、第四电流值、第五电流值和第六电流值只是为了区别不同的电流值人为设定的，并没有其它特殊意义，可根据喜好和习惯命名，当然，第一电流值、第二电流值、第三电流值、第四电流值、第五电流值和第六电流值的命名方式并不会影响本申请实施例的实现。
本发明所提供的一种发电机的功率曲线绘制方法，首先在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率；然后将待测试发电机的转速调节至与各测试点对应的原始转速，并将待测试发电机的有功功率调节至对应的原始有功功率；依据各原始有功功率分别将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为待测试发电机的目标无功功率，并记录各目标无功功率；最后根据各原始有功功率和各目标无功功率绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图。根据该方法可以绘制出待测试发电机的原始有功功率与目标无功功率的曲线图，在风力发电机组中需要对有关发电机的无功功率进行调节时，可以依据该方法绘制的原始有功功率和目标无功功率曲线图进行调节，也就是说可以根据发电机的有功功率和无功功率曲线图对发电机的无功功率进行调节，可以解决利用零无功调节或者定功率因数调节灵活性低的问题，进而可以提高调节灵活性和设备利用率。
在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率具体为：
预先在转速功率曲线中等间隔选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率。
为了使选取的测试点更具代表性，作为优选地实施方式，需要等间隔地在待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率。
上文中对于一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法的实施例进行了详细描述，基于上述实施例描述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，本发明实施例还提供了一种与该方法对应的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置。由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参照方法部分的实施例描述，这里不再赘述。
图4为本发明实施例所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置组成示意图，如图4所示，该装置包括拖动电机401、与风力发电机组相匹配的变流器402、功率分析仪403和控制器404；
控制器404分别与待测试发电机40和功率分析仪连接以获取待测试发电机40的转速功率曲线中的多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率，并获取功率分析仪403发送的待测试发电机40的原始有功功率和目标无功功率；
拖动电机401与待测试发电机40连接以将待测试发电机40的转速调节至与各测试点对应的原始转速；
变流器402与待测试发电机40连接以将待测试发电机40的有功功率调节至对应的原始有功功率，并依据各原始有功功率分别将待测试发电机40的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为待测试发电机40的目标无功功率；
功率分析仪403与待测试发电机40连接以采集各原始有功功率和各目标无功功率，并将各原始有功功率和各目标无功功率发送至控制器以便绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图。
本发明所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置，首先拖动电机依据待测试发电机的转速功率曲线中的多个测试点对应的各原始转速调节至测试发电机的转速至与各测试点对应的原始转速，然后变流器依据测试点中与该原始转速对应的原始有功功率调节待测试发电机的有功功率至该原始有功功率，并依据该原始有功功率将待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将最大无功功率作为待测试发电机的目标无功功率；控制器可以获取功率分析仪发送的待测试发电机的原始有功功率和目标无功功率；最后通过与待测试发电机连接的功率分析仪采集各原始有功功率和各目标无功功率，并将各原始有功功率和各目标无功功率发送至控制器以便绘制原始有功功率和目标无功功率的曲线图，根据该装置可以绘制出待测试发电机的原始有功功率与目标无功功率的曲线图，在风力发电机组中需要对有关发电机的无功功率进行调节时，可以依据该装置绘制的原始有功功率和目标无功功率曲线图进行调节，也就是说可以根据发电机的有功功率和无功功率曲线图对发电机的无功功率进行调节，可以解决利用零无功调节或者定功率因数调节灵活性低的问题，进而可以提高调节灵活性和设备利用率。
在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，功率分析仪403包括电流采集模块和电压采集模块，电流采集模块具体为霍尔电流传感器。
因为发电机转子侧电流频率较低而且变化较快，为了提高转子侧电能测量的精度，作为优选地实施方式，功率分析仪403中的电流采集模块具体选用霍尔电流传感器。
以上对本发明所提供的一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法及装置进行了详细介绍。本文中运用几个实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员，在没有创造性劳动的前提下，对本发明所做出的修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请中。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个操作与另一个操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”等类似词，使得包括一系列要素的单元、设备或系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种单元、设备或系统所固有的要素。

Claims (9)

1.一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，包括：
在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率；
将所述待测试发电机的转速调节至与各所述测试点对应的所述原始转速，并将所述待测试发电机的有功功率调节至对应的所述原始有功功率；
依据各所述原始有功功率分别将所述待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将所述最大无功功率作为所述待测试发电机的目标无功功率，并记录各所述目标无功功率；
根据各所述原始有功功率和各所述目标无功功率绘制所述原始有功功率和所述目标无功功率的曲线图。
2.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，所述在预先生成的待测试发电机的转速功率曲线中选取多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率具体为：
预先在所述转速功率曲线中等间隔选取多个所述测试点对应的各原始转速和各原始有功功率。
3.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，所述测试点的个数为10至15个。
4.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，当所述待测试发电机的功率因数为1时，所述待测试发电机的定子电流值小于或等于第一电流值；
其中，所述第一电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为1时所述定子电流的电流值；
则对应的，所述待测试发电机的转子电流值小于或等于第二电流值；
其中，所述第二电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为1时所述转子电流的电流值。
5.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，当所述待测试发电机的功率因数不为1时，所述待测试发电机的定子电流值小于或等于第三电流值；
其中，所述第三电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为容性设计值时所述定子电流的最大电流值；
则对应的，所述待测试发电机的转子电流值小于或等于第四电流值；
其中，所述第四电流值为在额定工况下，所述上网侧总出口的功率因数为容性设计值时所述转子电流的最大电流值。
6.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，所述待测试发电机的总视在功率小于或等于所述待测试发电机的额定视在功率。
7.根据权利要求1所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制方法，其特征在于，所述待测试发电机的转子电压值小于或等于与风力发电机组相匹配的变流器的电压限值。
8.一种双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置，其特征在于，包括：
拖动电机、与风力发电机组相匹配的变流器、功率分析仪和控制器；
所述控制器与待测试发电机连接以获取所述待测试发电机的转速功率曲线中的多个测试点对应的各原始转速和各原始有功功率，并获取所述功率分析仪发送的所述待测试发电机的所述原始有功功率和目标无功功率；
所述拖动电机与所述待测试发电机连接以将所述待测试发电机的转速调节至与各所述测试点对应的所述原始转速；
所述变流器与所述待测试发电机连接以将所述待测试发电机的有功功率调节至对应的所述原始有功功率，并依据各所述原始有功功率分别将所述待测试发电机的无功功率调节至上网侧总出口的最大无功功率以将所述最大无功功率作为所述待测试发电机的目标无功功率；
所述功率分析仪与所述待测试发电机连接以采集各所述原始有功功率和各所述目标无功功率，并将各所述原始有功功率和各所述目标无功功率发送至所述控制器以便绘制所述原始有功功率和所述目标无功功率的曲线图。
9.根据权利要求8所述的双馈异步发电机的安全运行极限图绘制装置，其特征在于，所述功率分析仪包括电流采集模块和电压采集模块，所述电流采集模块具体为霍尔电流传感器。
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