CN112727708A - 一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与方法，所述试验装置包括扭矩加载单元、扭矩测量装置、模拟用风力发电机组、推力加载单元、推力测量装置、结构响应测量装置、试验装置控制系统；扭矩加载单元通过扭矩测量装置与模拟用风力发电机组一端连接，推力加载单元通过推力测量装置与模拟用风力发电机组另一端连接，结构响应测量装置安装于模拟用风力发电机组上，试验装置控制系统同以上其他单元与装置进行电气与通讯连接。通过所述试验装置可同时实现对风电机组推力与扭矩快速加载与闭环控制，以及结构响应与机组发电输出特性实时测量，能够更加全面系统实现对风电机组运行机理与动态响应及性能的试验研究。

Description

一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与 方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与方法。

背景技术

风电机组在试验室的试验研究对于揭示风电机组的重要特性机理、检验机组重要设计方案与控制方法及算法的可行性与有效性、验证机组重要指标与动态性能同设计目标与要求的一致性等方面至关重要。

目前风电机组的试验室试验主要包括全尺度试验装置和模型缩比试验装置。在全尺度试验装置中，由于当前风电机组额定功率达兆瓦级，尺寸较大，因此不可能在试验室建立一套同风电机组完全等尺寸和规模的全尺度试验装置，因此风电机组设计与制造商大多仅建立可实现扭矩加载的对拖试验台，且不包含塔架，该类试验台无法实现推力的加载与包含塔架后的结构响应特性的试验测试。在模型缩比试验装置中，通常采用同全尺度试验装置类似的缩比试验装置或采用机组全结构缩比试验装置，但采用全结构缩比试验装置还需配备大型风洞，以获得推力载荷，需投入设施极其高昂，不利于全面推广，且该装置无法快速实现推力与扭矩的闭环控制。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与方法，可同时实现对风电机组缩比模型的推力与扭矩动态快速加载与闭环控制，以及结构响应与机组发电输出特性的实时测量。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，包括扭矩加载单元、扭矩测量装置、模拟用风力发电机组、推力加载单元、推力测量装置、结构响应测量装置和试验装置控制系统；

扭矩加载单元通过扭矩测量装置与模拟用风力发电机组的发电机一个轴端连接，为模拟用风力发电机组提供输入的动态扭矩；推力加载单元通过推力测量装置与模拟用风力发电机组的发电机另一个轴端连接，为模拟用风力发电机组提供输入的动态推力；结构响应测量装置安装于模拟用风力发电机组的支撑塔架上，用于对风力发电机组的塔架结构响应进行实时测量；扭矩测量装置用于对扭矩加载单元输入的动态扭矩进行实时测量；推力加载单元用于对推力加载单元输入的动态推力进行实时测量；试验装置控制系统与扭矩加载单元、扭矩测量装置、模拟用风力发电机组、推力加载单元、推力测量装置、结构响应测量装置进行电气与通讯连接，控制整个试验装置按照给定的控制方案与逻辑进行运行试验。

本发明进一步的改进在于，扭矩加载单元由拖动变流器和拖动电机组成，拖动变流器和拖动电机采用电气连接，拖动电机选择具备变频调速能力的变频调速电机。

本发明进一步的改进在于，扭矩测量装置为能够实现对转速和扭矩进行测量的动态扭矩传感器，其两端为伸出轴端结构，能够实现联轴器键连接。

本发明进一步的改进在于，模拟用风力发电机组由发电机、发电机上部支撑台架、机组下部塔架和机组变流器共4部分组成，其中发电机与发电机上部支撑台架采用螺栓连接，发电机上部支撑台架与机组下部塔架采用螺栓连接，机组变流器与发电机与采用电气连接。

本发明进一步的改进在于，该发电机轴设计为两端伸出结构，轴的一端能够实现与联轴器的键连接，轴的另一端能够实现与轴承的配合连接；该发电机为永磁同步发电机，或者为异步发电机。

本发明进一步的改进在于，扭矩加载单元中的拖动电机、扭矩测量装置均安装于该发电机支撑台架上；该支撑台架采用槽钢焊接结构。

本发明进一步的改进在于，推力加载单元由液压站、液压管路、液压缸、液压缸支撑架和推力传递装置共5部分组成；液压站与液压管路的一端连接，液压管路的另一端与液压缸连接，液压缸安装于液压缸支撑架上，推力传递装置的一端通过推力测量装置与液压缸连接，推力传递装置的另一端同模拟用风力发电机组的发电机轴端连接。

本发明进一步的改进在于，推力传递装置由轴承端盖、轴承端盖连接螺栓、轴承、轴承外圈法兰、轴承内圈锁紧螺母、约束旋转杆共6部分组成；轴承内圈安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端上，轴承外圈安装于轴承外圈法兰中，轴承内圈锁紧螺母安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端上并对轴承内圈起到限位与锁紧作用，轴承端盖采用轴承端盖连接螺栓安装于轴承外圈法兰上，约束旋转杆安装于轴承端盖上。

本发明进一步的改进在于，轴承选用能够承载轴向推力并具备调心能力的轴承。

一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验方法，该试验方法基于所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，包括以下步骤：

步骤SS1：计算获得给定风况下的风电机组推力和扭矩动态载荷

给定动态时序风况，通过建模计算得到风电机组的推力和扭矩动态载荷，将推力和扭矩动态载荷时序数据传输至试验装置控制系统；

步骤SS2：推力与扭矩载荷加载控制

1)试验装置控制系统将推力载荷信号传递至推力加载单元，通过推力加载单元实现推力输出，推力测量装置将测量的实际推力数据传送回试验装置控制系统，实现推力加载的闭环控制；

2)试验装置控制系统将扭矩载荷信号传递至扭矩加载单元，通过扭矩加载单元实现扭力的加载，扭矩测量装置将测量的实际扭矩数据传送回试验装置控制系统，实现扭矩加载的闭环控制；

步骤SS3：模拟用风力发电机组的发电特性输出与结构响应测量

试验装置控制系统对模拟用风力发电机组进行控制，实现对模拟用风力发电机组的发电特性输出，并对输出特性进行测量，同时结构响应测量装置对模拟用风力发电机组在推力与扭矩同时加载工况下的结构响应进行测量，并将测量结果传送至试验装置控制系统。

与现有技术相比，本发明提供的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置与方法，采用扭矩加载单元和推力加载单元能够实现对试验用缩比风电机组模型的推力和扭矩载荷的同时加载；采用扭矩测量装置、结构响应测量装置、推力测量装置实现对推力和扭矩载荷、机组结构响应的实时准确测量；能够快速实现推力与扭矩加载的闭环控制；采用的推力传递装置能够实现推力加载过程中的动静分离。本发明的试验装置与方法能够实现对风电机组推力、扭矩、结构与发电等动态特性与响应的试验室研究。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置总体示意框图。

图2为根据本发明的实施例的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置详细示意框图。

图3为根据本发明的实施例的推力传递装置结构图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述根据本发明的实施例的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置。

如图1和图2所示，根据本发明的实施例的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置中，包括拖动电机101、联轴器102、扭矩测量仪103、联轴器104、发电机105、推力传递装置106、推力测量仪107、液压缸108、液压管路109、液压站110、电气与信号连接线路111、液压缸支撑架112、机组变流器113、机组结构响应测量仪114、试验装置控制系统115、机组下部塔架116、发电机上部支撑台架117、拖动变流器118。

拖动电机101与扭矩测量仪103通过联轴器102连接，扭矩测量仪103与发电机105通过联轴器104连接；拖动电机101、扭矩测量仪103、发电机105均安装在发电机上部支撑台架117上，并通过底座螺栓连接；发电机上部支撑台架117通过螺栓连接安装于机组下部塔架116之上，机组下部塔架116的上部侧壁安装机组结构响应测量仪114；推力传递装置106安装在发电机105的轴端上，推力传递装置106与液压缸108之间设置推力测量仪107，液压缸108通过螺栓连接在液压缸支撑架112上；液压管路109的一端与液压缸连接，另一端与液压站110连接；发电机105的定子或定转子引出线与机组变流器113通过电气与信号连接线路111连接；拖动电机101的定子引出线与拖动变流器118通过电气与信号连接线路111连接；试验装置控制系统115通过电气与信号连接线路111同扭矩测量仪103、推力测量仪107、液压站110、机组变流器113、机组结构响应测量仪114、拖动变流器118连接。

本实施例中，拖动电机101与拖动变流器118组成对应图1所示的扭力加载单元，为模拟用风力发电机组提供输入的动态扭矩；发电机105、机组下部塔架116、发电机上部支撑台架117、机组变流器113组成对应图1所示的模拟用风力发电机组；推力传递装置106、液压缸108、液压管路109、液压站110、液压缸支撑架112组成对应图1所示的推力加载单元，为模拟用风力发电机组提供输入的动态推力。

拖动电机101选择为具备变频调速能力的变频调速电机，主要技术参数可选为额定功率11kW，额定电压380V，额定转速970rpm，级数6级，调速范围3-100Hz。

联轴器102和联轴器104优选弹性联轴器，能够降低对安装误差的要求，同时可以减小该发明试验装置在试验运行中拖动电机101与发电机104因轴端安装误差导致的不平衡载荷；但也可以使用刚性联轴器。

扭矩测量仪103选择为具备对转速和扭矩进行测量的动态扭矩传感器，其两端为伸出轴端结构，轴伸端加工有键槽，两边能够实现同联轴器102和联轴器104键连接；主要技术参数可选为工作电源为24V，精度等级0.25％F.S，可测量转速范围为0-1000rpm，可测量转矩范围为0～±500N.m，输出信号为转速和扭矩，应具备150％过载能力。

发电机105的轴设计为两端伸出结构，轴的后端加工有键槽，可实现与联轴器104的键连接，轴的前端加工有用于安装轴承的台阶以及用于固定轴承内圈的锁紧螺纹；该发电机可为永磁同步发电机，也可为异步发电机。主要技术参数可选为额定功率10kW，额定电压380V，级数6级。

发电机上部支撑台架117设计为槽钢焊接结构，该结构不仅能满足强度要求，又可节省材料，降低整体重量；发电机上部支撑台架117也可采用满足强度要求的其他结构。

图3显示了推力传递装置106的具体实现结构图，由轴承端盖203、轴承端盖连接螺栓204、轴承206、轴承外圈法兰207、轴承内圈锁紧螺母208、约束旋转杆209共6部分组成；轴承206的内圈安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端205上，轴承206的外圈安装于轴承外圈法兰207中，轴承内圈锁紧螺母208安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端205上并对轴承内圈起到限位与锁紧作用，轴承端盖203安装于轴承外圈法兰207上并采用轴承端盖连接螺栓204连接，约束旋转杆209安装于轴承端盖203上。约束旋转杆209通过与液压缸支撑架112的结构伸出部分210配合，实现防止轴承端盖203的旋转。该结构能够有效将动态推力传递给发电机的轴端，并实现了推力传递过程中的动静分离，轴承选用能够承载轴向推力并具备调心能力的轴承。

图3还显示本发明中液压缸108、推力传递装置106与推力测量仪107之间连接与安装的具体实现方式，其中201为液压缸108的推杆部分，202为推力测量装置107的测量传感器部分，液压缸的推杆201、轴承端盖203与推力测量装置107的测量传感器202均采用螺纹连接。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述试验装置进行研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验方法，包括以下步骤：

步骤SS1：计算获得给定风况下的风电机组推力和扭矩动态载荷

给定动态时序风况，通过建模计算出风电机组的推力和扭矩动态载荷，将推力和扭矩动态载荷时序数据传输至试验装置控制系统中。风电机组推力和扭矩动态载荷的建模计算可通过GL GH Bladed软件或其他载荷计算软件与程序进行。

步骤SS2：推力与扭矩载荷加载控制

1)试验装置控制系统将推力载荷转化为驱动推力加载单元中液压站的压力信号以及控制液压站电磁阀的开闭信号，通过液压缸实现推力输出，推力测量仪将测量的实际推力数据传送回试验装置控制系统，实现推力加载的闭环控制。

2)同时，试验装置控制系统将扭矩载荷转化为驱动扭力加载单元中拖动变流器和拖动电机的转速和功率调节信号，通过拖动电机实现扭力的加载，扭矩测量仪将测量的实际转速和扭矩数据传送回试验装置控制系统，实现扭矩加载的闭环控制。

步骤SS3：模拟用风力发电机组的发电特性输出与结构响应测量

试验装置控制系统对机组变流器进行控制，实现对发电机的发电特性输出，并对发电机输出特性进行测量，同时机组结构响应测量仪对机组在推力与扭矩同时加载工况下的机组结构响应进行测量，并将测量结果传送至试验装置控制系统。

Claims (10)

1.一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，包括扭矩加载单元、扭矩测量装置、模拟用风力发电机组、推力加载单元、推力测量装置、结构响应测量装置和试验装置控制系统；

扭矩加载单元通过扭矩测量装置与模拟用风力发电机组的发电机一个轴端连接，为模拟用风力发电机组提供输入的动态扭矩；推力加载单元通过推力测量装置与模拟用风力发电机组的发电机另一个轴端连接，为模拟用风力发电机组提供输入的动态推力；结构响应测量装置安装于模拟用风力发电机组的支撑塔架上，用于对风力发电机组的塔架结构响应进行实时测量；扭矩测量装置用于对扭矩加载单元输入的动态扭矩进行实时测量；推力加载单元用于对推力加载单元输入的动态推力进行实时测量；试验装置控制系统与扭矩加载单元、扭矩测量装置、模拟用风力发电机组、推力加载单元、推力测量装置、结构响应测量装置进行电气与通讯连接，控制整个试验装置按照给定的控制方案与逻辑进行运行试验。

2.根据权利要求1所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，扭矩加载单元由拖动变流器和拖动电机组成，拖动变流器和拖动电机采用电气连接，拖动电机选择具备变频调速能力的变频调速电机。

3.根据权利要求1所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，扭矩测量装置为能够实现对转速和扭矩进行测量的动态扭矩传感器，其两端为伸出轴端结构，能够实现联轴器键连接。

4.根据权利要求1所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，模拟用风力发电机组由发电机、发电机上部支撑台架、机组下部塔架和机组变流器共4部分组成，其中发电机与发电机上部支撑台架采用螺栓连接，发电机上部支撑台架与机组下部塔架采用螺栓连接，机组变流器与发电机与采用电气连接。

5.根据权利要求4所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，该发电机轴设计为两端伸出结构，轴的一端能够实现与联轴器的键连接，轴的另一端能够实现与轴承的配合连接；该发电机为永磁同步发电机，或者为异步发电机。

6.根据权利要求4所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，扭矩加载单元中的拖动电机、扭矩测量装置均安装于该发电机支撑台架上；该支撑台架采用槽钢焊接结构。

7.根据权利要求1所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，推力加载单元由液压站、液压管路、液压缸、液压缸支撑架和推力传递装置共5部分组成；液压站与液压管路的一端连接，液压管路的另一端与液压缸连接，液压缸安装于液压缸支撑架上，推力传递装置的一端通过推力测量装置与液压缸连接，推力传递装置的另一端同模拟用风力发电机组的发电机轴端连接。

8.根据权利要求7所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，推力传递装置由轴承端盖、轴承端盖连接螺栓、轴承、轴承外圈法兰、轴承内圈锁紧螺母、约束旋转杆共6部分组成；轴承内圈安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端上，轴承外圈安装于轴承外圈法兰中，轴承内圈锁紧螺母安装于模拟用风力发电机组的发电机的轴端上并对轴承内圈起到限位与锁紧作用，轴承端盖采用轴承端盖连接螺栓安装于轴承外圈法兰上，约束旋转杆安装于轴承端盖上。

9.根据权利要求8所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，其特征在于，轴承选用能够承载轴向推力并具备调心能力的轴承。

10.一种用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验方法，其特征在于，该试验方法基于权利要求1至9中任一项所述的用于研究风电机组推力与扭矩动态特性的试验装置，包括以下步骤：

步骤SS1：计算获得给定风况下的风电机组推力和扭矩动态载荷

给定动态时序风况，通过建模计算得到风电机组的推力和扭矩动态载荷，将推力和扭矩动态载荷时序数据传输至试验装置控制系统；

步骤SS2：推力与扭矩载荷加载控制

1)试验装置控制系统将推力载荷信号传递至推力加载单元，通过推力加载单元实现推力输出，推力测量装置将测量的实际推力数据传送回试验装置控制系统，实现推力加载的闭环控制；

2)试验装置控制系统将扭矩载荷信号传递至扭矩加载单元，通过扭矩加载单元实现扭力的加载，扭矩测量装置将测量的实际扭矩数据传送回试验装置控制系统，实现扭矩加载的闭环控制；

步骤SS3：模拟用风力发电机组的发电特性输出与结构响应测量

试验装置控制系统对模拟用风力发电机组进行控制，实现对模拟用风力发电机组的发电特性输出，并对输出特性进行测量，同时结构响应测量装置对模拟用风力发电机组在推力与扭矩同时加载工况下的结构响应进行测量，并将测量结果传送至试验装置控制系统。

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