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風(fēng)力發(fā)電測試解決方案

   2011年09月23日 11:06  
  新能源又稱非常規(guī)能源,是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式,如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。目前我國新能源利用技術(shù)已經(jīng)取得了長足進展,并在各地形成了一定的規(guī)模,尤其在風(fēng)能領(lǐng)域發(fā)展非常迅速。近期國家出臺了新能源發(fā)展規(guī)劃,風(fēng)力發(fā)電作為重點扶持行業(yè),擁有了更廣闊的發(fā)展前景。
  
  風(fēng)能領(lǐng)域概述
  
  和其他類型的新能源相比,風(fēng)能的*優(yōu)勢使其在新能源開發(fā)利用中備受青睞。
  
  其一,儲量大、分布廣。我國探明風(fēng)能理論儲量為32.26×109kW,而可開發(fā)利用的為2.53×109kW,近??衫蔑L(fēng)能7.5×109kW。我國東南沿海和內(nèi)蒙、新疆、甘肅等東北、西北地區(qū)是zui大風(fēng)能資源區(qū)。
  
  其二,可利用性強,成本相對低。目前風(fēng)電場造價成本約為8500~9000元/千瓦·時,機組(設(shè)備)占70%左右,基礎(chǔ)設(shè)施占25%,其他占5%。風(fēng)電場運行維護成本費用很低(約占風(fēng)電機組成本的3%~5%),建設(shè)周期短(半年左右)。一旦建成,風(fēng)電場就是一*的出錢機器。
  
  風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)核心
  
  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域的核心環(huán)節(jié),技術(shù)進步也是日新月異。目前主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。
  
  恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機,通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值,從而保證發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值恒定,其運行范圍比較窄,只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能,發(fā)電效率較低。
  
  變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)電機,通過變槳距控制風(fēng)輪,使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照zui高的效率運行,這是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風(fēng)機來說,其調(diào)速范圍一般在同步速的50%~150%之間,如果采用普通鼠籠異步電機系統(tǒng)或者永磁同步電機系統(tǒng),變頻器的容量要求與所拖動的發(fā)電機容量相當(dāng),非常不經(jīng)濟。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接,轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接,通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率,這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的,該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),尤其是大中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
  
  采用繞線異步電機作為發(fā)電機并對其轉(zhuǎn)子電流進行控制,是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實現(xiàn)形式之一。主要的拓撲結(jié)構(gòu)包括交流勵磁控制、轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來的混合結(jié)構(gòu)。
  
  1、交流勵磁結(jié)構(gòu)
  
  交流勵磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進行勵磁,這種方式的變頻裝置通常使用交交變頻器,矩陣變換器或交直交變頻器。
  
  2、斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)
  
  這種結(jié)構(gòu)的基本思想是采用一個可控電力電子開關(guān),以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時間的長短,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值,控制滑差約在10%的范圍之內(nèi)。該結(jié)構(gòu)依靠外部控制器給出的電流基準(zhǔn)值和電流的測量值計算出轉(zhuǎn)子回路的電阻值,通過電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻值。這種電力電子裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單,但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低,且只能在發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速以上運行,是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。
  
  3、混合結(jié)構(gòu)
  
  為了降低變流器的成本并且能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速范圍運行,有人提出一種基于雙饋電機斬波調(diào)阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結(jié)構(gòu),將整流器、斬波器和逆變器結(jié)合在一起,該結(jié)構(gòu)的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開關(guān),但是由于引入了四個接觸器型的受控開關(guān),導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難實現(xiàn)同步速切換過程的過渡,而且在高于同步速運行情況下難以改善發(fā)電機的功率因數(shù)。
  
  綜上所述無論采用哪種結(jié)構(gòu),在研發(fā)過程,對變頻系統(tǒng)的效率和性能進行準(zhǔn)確的評價和測試都至關(guān)重要;同樣風(fēng)電場的整體監(jiān)控也需要的測試。
  
  風(fēng)力發(fā)電的測試要點
  
  工欲善其事,必先利其器。風(fēng)力發(fā)電從電機研發(fā)到風(fēng)電場監(jiān)控需要成套的高性能測試儀器來實現(xiàn)調(diào)制和嚴(yán)密監(jiān)控。
  
  1、利用功率計對變頻系統(tǒng)的性能作的評價
  
  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變頻系統(tǒng)的調(diào)制頻率帶寬高,調(diào)制方式復(fù)雜,調(diào)制的對象也非正弦波形,波形畸變嚴(yán)重,且包含大量的變頻成分,要求測量儀表具有寬頻帶功率測量和諧波分析功能。為此需要選用性能穩(wěn)定且精度高的功率計作好輔助工作。下文以橫河電機的WT3000功率計為例,簡要談?wù)勶L(fēng)電行業(yè)的測試。WT3000可以進行IEC61000-4-7版諧波分析、IEC61000-4-7版的諧波測量及電壓波動/閃變測量,帶寬0.1Hz~1MHz,采樣率200kSa/s,ADC為16位,功率精度為0.02%,配有4個輸入模塊,8.4英寸LCD顯示,以及USB和Ethernet接口。
  
  ●變頻后波形的失真
  
  波形失真與諧波的關(guān)系,如圖1所示。
  
  圖1波形失真與諧波的關(guān)系
  
  失真波形的測量需要足夠帶寬,失真波形包含高頻率成分,測量儀器的帶寬如果沒有延伸到高頻段就容易產(chǎn)生誤差。如圖2所示。
  
  圖2不同波形需要測量儀器的帶寬
  
  使用WT3000功率計可同時進行變頻系統(tǒng)功率測量和諧波分析,方案如圖3所示。
  
  圖3基于WT3000功率計的測量方案
  
  ●變頻系統(tǒng)的諧波測量方法(如圖4所示)
  
  圖4變頻系統(tǒng)的諧波測量方法
  
  使用FFT運算功能將波形由時域轉(zhuǎn)換成頻域,測量各頻率成分提取疊加信號頻率的方法如下。
  
  傅里葉級數(shù):所有周期函數(shù)均可用三角函數(shù)的和來表述。
  
  傅里葉積分:將周期設(shè)為無窮大,使其能適用于所有函數(shù)。
  
  傅里葉變換:對波形的時間函數(shù)x(t)進行傅里葉積分運算后,即可得出頻率函數(shù)X(f)。
  
  2、利用示波器對變頻電路里波形信號作詳細分析
  
  PWM調(diào)制后,通過功率計可以獲得其電特性指標(biāo),為研發(fā)和檢測部門提供準(zhǔn)確的參考。如果想要進一步對調(diào)制后的波形信號作詳細的分析,則需要運用具備CycleStatistics功能的示波器(下文以橫河DLM2000系列示波器)來實現(xiàn)。DLM2000的CycleStatistics功能,在頻率固定/Duty比變化時,或在Duty比固定/頻率變化時,均可有效地對周期性變化的參數(shù)進行分析,方案如圖5所示。
  
  圖5利用DLM2000示波器對變頻電路里波形信號作詳細分析
  
  3、風(fēng)電場整體監(jiān)控
  
  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在安裝后,為保證風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)定運行,必須分別對以下的信號進行長期的監(jiān)測和記錄,這些數(shù)據(jù)zui后統(tǒng)一進入到監(jiān)控中心,長期保存。
  
  ●風(fēng)葉的形變。
  
  ●發(fā)電機的扭矩、轉(zhuǎn)速、震動和浪涌電流。
  
  ●大氣環(huán)境,如:溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)速、大氣壓等參數(shù)。
  
  ●電功率參數(shù),如:電壓、電流、功率、功率參數(shù)、頻率等。
  
  風(fēng)電場監(jiān)控有幾個特點:①監(jiān)控的信號復(fù)雜多樣;②監(jiān)控環(huán)境惡劣:目前國內(nèi)的風(fēng)電場,主要分布在東北、內(nèi)蒙古、新疆等地,冬季的氣溫很低,對測量儀器提出了很高的要求;③每個風(fēng)場,都有大量的風(fēng)機,監(jiān)控數(shù)據(jù)總量很大,布線復(fù)雜。
  
  因此,風(fēng)電場的監(jiān)控需要多種測試設(shè)備配套工作,同時還要具備一定性能優(yōu)勢以適應(yīng)風(fēng)電場的特殊環(huán)境。下面以橫河電機公司的產(chǎn)品為例,解釋一下風(fēng)電場監(jiān)控的完整方案。如圖6所示。
  
  圖6風(fēng)電場監(jiān)控的完整方案
  
  首先,可通過滑動環(huán)(集電環(huán))實現(xiàn)風(fēng)葉監(jiān)測信號的直接采集,風(fēng)葉不停轉(zhuǎn)動,對測量儀器的安裝和信號采集會造成很大影響,通過集電環(huán),可保證風(fēng)葉轉(zhuǎn)動時,信號線能夠保持不動。
  
  然后,利用數(shù)據(jù)采集器(MW100)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、記錄和傳輸。MW100的使用環(huán)境溫度為-40℃~70℃,具有很強的現(xiàn)場適應(yīng)能力。它可將數(shù)據(jù)存儲在CF卡中,即時網(wǎng)絡(luò)中斷,采集數(shù)據(jù)也可以得到很好的保存。也可以通過PR300實現(xiàn)相對廉價的高精度功率參數(shù)測量和傳輸。通過功率計WT3000測量發(fā)電機的浪涌電流。zui后可以利用DAQWORX專業(yè)采集軟件對全部數(shù)據(jù)進行統(tǒng)合顯示和記錄。
  
  綜上所述,風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域面臨著的發(fā)展機遇,其設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)、性能評估以及電場監(jiān)控都在朝著越來越精密、越來越復(fù)雜的方向發(fā)展。為適應(yīng)這樣的機遇和挑戰(zhàn),風(fēng)電行業(yè)對工具層面的測試儀器也提出了更高的要求。以橫河電機為代表的測試方案供應(yīng)商,也在積極應(yīng)對。相信便捷的測試產(chǎn)品和解決方案會給整個風(fēng)電行業(yè)提供強勁助力。

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