CN201811843U - 风力发电机组的风况模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型的风力发电机组的风况模拟系统，包括用于对输电电网进行变压的主变压器、待检测的风力发电整机和用于模拟风信号的控制单元，其特征在于：还包括驱动系统，该驱动系统包括与主变压器的输出端电气连接的无级变速驱动器、驱动电机和与驱动电机的输出轴相连接的变速箱，所述变速箱的输出轴与风力发电整机的输入轴相连接；所述风力发电整机的电压输出端连接有风机变流器，该风机变流器的输出端与主变压器相连接。本实用新型实现了与外界风力相似的风速信号和风况模拟；无需装配叶片，也不用在风场吊装，在车间里就可获得接近真实风况效果的原动力输入，同时本实用新型的风况模拟系统不受工作环境限制，提高了工作效率，降低了试验成本。

Description

风力发电机组的风况模拟系统
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机组的风况模拟系统，更具体的说，尤其涉及一种设置有驱动系统和控制单元并可准确模拟外界风速风况的风力发电机组的风况模拟系统。
背景技术
风力发电机组是一个复杂的机电设备系统，机械电气系统交叉，自动化程度高，运行工况复杂，尽可能的在厂房里进行各系统的试验和初步调试。由于风力发电机一般安装在远离市区的郊外，且机组需要吊装在七八十米高的塔架顶端，因此，调试维护十分不便，维修费用十分高。所以就有必要出厂之前对风力发电机进行整机测试和系统联调。通过测试和联调，对发电机组的传动链、各系统配置参数和动作进行验证，一方面保证机组出厂的可靠性，避免由于机组质量问题造成返厂维修；另一方面可以完成系统的初步调试，验证机组的电气性能，减少现场调试的工作量，降低安装调试成本。
然而自然风是随机变化的，在车间里很难实现与外界自然风相同的模拟风况，目前国内外也没有很好的一致的试验方法，来检验风力发电机、变流器、电控系统、主传动链以及附属设备在不同风速条件下的运行性能及功率曲线。
发明内容
本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种设置有驱动系统和控制单元并可准确模拟外界风速风况的风力发电机组的风况模拟系统。
本实用新型的风力发电机组的风况模拟系统，包括用于对输电电网进行变压的主变压器、待检测的风力发电整机和用于模拟风信号的控制单元，其特别之处在于：还包括驱动系统，该驱动系统包括与主变压器的输出端电气连接的无级变速驱动器、驱动电机和与驱动电机的输出轴相连接的变速箱，所述变速箱的输出轴与风力发电整机的输入轴相连接；所述风力发电整机的电压输出端连接有风机变流器，该风机变流器的输出端与主变压器相连接；所述的控制单元包括用于存储和运行模拟程序的HMI监视器和与无级变速驱动器相连接的控制器。主变压器即可实现把输电电网的高电压转化为低电压，以便给驱动电机供电，也可把风力发电整机发出的电能输送到输电电网上；无级变速驱动器实现对驱动电机的直接控制，还可在变速箱的输出轴上设置扭矩传感器，用于检测变速箱输出轴上的力矩，经过无级变速驱动器和扭矩传感器的共同作用，达到控制驱动电机输出轴转速和扭矩的目的。由控制器和HMI监控器组成的控制单元来模拟不同的风况，控制器中存储的控制软件把风况转化驱动电机的转速和转矩，以其来模拟此时的风速，来拖动风力发电整机按照此时风速对应的转速来旋转。风机变流器用于对风机变流器产生的电能进行整流、滤波处理，使其达到输送到输电电网上的条件。
进一步地，本实用新型的风力发电机组的风况模拟系统，在输电电网与主变压器之间设置有高压开关柜；所述的变速箱的输出轴上设置有扭矩传感器。在电网和主变压器之间设置高压开关柜是为了方便本系统的电气连接和设备维修；通过控制器和电动机来模拟风况，来驱动整机转动，其作用效果和风场的自然风驱动整机转动是一样的。
本实用新型的风力发电机组的风况模拟系统，所述输电电网的电压为10KV，所述主变压器的输出端电压为690V、50Hz；所述风况模拟系统采用PLC控制系统来控制，该PLC控制系统采用Profibus现场总线标准。
本实用新型的有益效果是：本实用新型设置有与风力发电整机相连的驱动系统和用于控制驱动系统工作的控制单元，实现了与外界风力相似的风速信号和风况模拟；无需装配叶片，也不用在风场吊装，在车间里就可以获得接近真实风况效果的原动力输入，从而使风电机组的测试既简单，同时真实可靠。本实用新型的HMI监控器内可存储模拟软件，该模拟软件可发送实时的浆角值，该桨角值作为风况模拟系统的输入变量用于系统模拟，进行风况模拟，根据预先设定的各类风况条件，通过专门算法将设定风况转换为驱动电机对应的目标转速和目标转矩，实现风速信号及风况模拟测试。同时本实用新型的风况模拟系统在任何时间段内都能工作，提高了工作效率且降低了试验成本。
附图说明
图1为本实用新型的原理图；
图中：1输电电网，2高压开关柜，3主变压器，4无级变速驱动器，5驱动电机，6变速箱，7扭矩传感器，8风力发电整机，9风机变流器，10 HMI监控器，11控制器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，给出了本实用新型的风力发电机组的风况模拟系统的原理图，其包括输电电网1、高压开关柜2、主变压器3、无级变速驱动器4、驱动电机5、变速箱6、扭矩传感器7、风力发电整机8、风机变流器9、HMI监控器、11控制器。
所示的输电电网电压是10KV，频率是50Hz，输电电网1经高压开关柜2后连接到主变压器3的输入端，主变压器3的输出端均为690伏、50Hz的交流电压，通过高压开关柜2的合闸和分闸可分别实现整个模拟系统的供电和断电。主变压器3的输出端与无级变速驱动器4的输入端电气连接，驱动器4的输出端接到驱动电机5的电压输入端，所示的HMI监控器10和控制器11组成了控制单元，HMI监控器10用于存储模拟程序且与控制器11连接，控制器11与无级变速驱动器4电气连接，驱动电机5经变速箱6减速与风力发电整机8输入端相连接，在变速箱6与风力发电整机8之间的连接轴上设置有扭矩传感器7，通过扭矩传感器7可以测出驱动电机5传递给风力发电整机8扭矩的大小，并协同驱动器4来实现风力发电整机在不同风速下的模拟发电。风力发电整机8的电能输出端与风机变流器9的输入端相连接，风机变流器9的作用是对风机发电整机8发出来的电压进行整流、滤波等处理，使其变为690伏、50Hz的交流电，并通过主变压器3把电能反馈给输电电网1。在使用的过程中，HMI监控器10通过运行模拟程序并通过控制器11可实现对无级变速驱动器4的控制，无级变速驱动器4再通过改变驱动电机5的转速和扭矩来实现不同风速和风况的模拟。
主变压器3可以接受风力发电整机8发出的电能，可以循环使用，电网1补充系统的损耗即可；所述的变速箱6的输出轴上设置有扭矩传感器7，经过变频器4和扭矩传感器7的检测及计算，达到控制驱动电机输出轴转矩的目的，共同建立高性能的传动系统；控制器10通过软件发送的实时桨角值，该桨角值作为风况模拟系统的输入变量进行风况模拟，需要预先定义一组不同类型的风载荷循环，这些风载荷循环接近反映出现场环境的实际风况特征,来进行风况的模拟。系统用PLC控制器来控制，PLC系统完成对驱动设备装置和现场设备的逻辑控制及信号采集工作，协调整个系统的逻辑控制。系统通讯采用目前工业系统使用最广泛的Profibus，以减少开发工程量和现场信号线的数量，节省投资，方便维修。
在图1中所示的本发明的电路原理示意图中，所示的主变压器3与驱动电机5之间的电路连接以及风力发电机整机8与的输出端与主变压器3之间的电路连接，给出的均是三相中的一相电压的变换和连接的示意图。
通过本发明的风况模拟系统实验步骤如下：
存储在HMI监控器中的模拟软件向控制器11发送实时的模拟风速的桨角值，该桨角值作为风况模拟系统的输入变量用于系统模拟。进行风况模拟时，需要预先定义一组不同类型的风载荷循环，这些风载荷循环应该接近反映出现场环境的实际风况特征，风况模拟的执行，要靠软件的精准仿真，以便将设定风况转换为驱动电机5对应的目标转速和目标转矩。通过驱动器4对驱动电机5输出转速和输出转矩进行解耦控制，使风机主轴上得到的实际转速和扭矩值与计算的目标值一致。通过模拟的风速信号，根据风机叶片的长度以及风机叶片与风速关系曲线，折算为中心轴的输入转速信号，实现风速信号及风况模拟测试。采用这种方式，风电机组无需装配叶片，也不用在风场吊装，在车间里就可以获得接近真实风况效果的原动力输入，从而使风电机组的测试既简单，同时真实可靠。通过实验和检测，得到如表1所示的整机运行参数的数据。
表1 整机运行参数对应表
风速 风轮转速 发电机转速 发电机扭矩 风能利用系数 效率 输出功率
[m/s] [rpm] [rpm] [Nm] - (%) [kW]
3 11.6951 1097 109.84 0.248728 25.12% 3.170183
4 11.6951 1097 605.259 0.426909 59.55% 41.40751
5 11.6951 1097 1373.84 0.474324 81.76% 129.04009
6 13.1521 1233.67 2154.17 0.47816 87.97% 244.82248
7 15.3808 1442.72 2946.1 0.478109 91.64% 407.87488
8 17.602 1651.06 3858.42 0.478108 94.07% 627.52393
9 18.5 1735.3 5216.56 0.47548 94.92% 899.83242
10 18.5 1735.3 6967.87 0.461855 95.38% 1207.6709
11 18.5 1735.3 8824.95 0.4388 95.50% 1531.5343
12 18.5 1735.3 8930 0.342055 95.50% 1549.7656
13 18.5 1735.3 8930 0.269059 95.50% 1549.7656

Claims (3)

1.一种风力发电机组的风况模拟系统，包括用于对输电电网（1）进行变压的主变压器（3）、待检测的风力发电整机（8）和用于模拟风信号的控制单元，其特征在于：还包括驱动系统，该驱动系统包括与主变压器（3）的输出端电气连接的无级变速驱动器（4）、驱动电机（5）和与驱动电机（5）的输出轴相连接的变速箱（6），所述变速箱（6）的输出轴与风力发电整机（8）的输入轴相连接；所述风力发电整机的电压输出端连接有风机变流器（9），该风机变流器（9）的输出端与主变压器（3）相连接；所述的控制单元包括用于存储和运行模拟程序的HMI监视器(10)H和与无级变速驱动器（4）相连接的控制器（11）。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的风况模拟系统，其特征在于：在输电电网（1）与主变压器（3）之间设置有高压开关柜（2）；所述的变速箱（6）的输出轴上设置有扭矩传感器（7）。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机组的风况模拟系统，其特征在于：所述输电电网（1）的电压为10KV，所述主变压器（3）的输出端电压为690V、50Hz；所述风况模拟系统采用PLC控制系统来控制，该PLC控制系统采用Profibus现场总线标准。
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