風力渦輪測試系統的製作方法
2023-09-23 06:02:50
專利名稱：風力渦輪測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於對風力渦輪系統的至少一部分機舦部件進行測試的風 力渦輪測試系統。
背景技術：
與風力渦輪有關的一般挑戰是何時將風力渦,合到弱的市電網。到 弱電網的耦合在某些情況下可能導致市電網與耦合到電網的風力渦輪之間 的例如瞬態、噪音或電壓下降或尖峰的傳送。
因此，在將風力渦輪系統從工廠運輸一一常常是到世界上非常遙遠的 地方一一之前測試風力渦輪系統的個體部件是否具有遵守不同電網條件的 能力是必要的。
然而，不足以確保風力渦輪系統的電氣部件——例如發電機和電力頻 率轉換器一一在它們在作為獨立單元受到測試時能夠管理與風力渦輪運行
過禾呈中可預期的情況對應的仿真電網M。這是因為傳動列軸(drive train
交互對風力渦輪系統的性能有著重要影響。
本發明的幾個目標之一在於建立一種能夠物理地對風力渦輪系統和電 網或風力渦輪系統的部分與電網之間的耦合進行仿真的系統。
發明內容
本發明涉及一種風力渦輪測試系統，其用於對包含發電機系統在內的 風力渦輪的枳i搶部件中的至少一部分進行測試，所述機艙部件被安裝在所 述風力渦輪系統的機艙的負栽承載結構上，所述風力渦輪測試系統包含
測試臺，其^皮布置為夾持包含所迷機搶部件的所述風力渦輪機艙的所述負載承載結構，
電網仿真系統，其包含 電力轉換器系統，以及
仿真控制器，其被布置為電氣耦合到所述機搶部件中的至少一個並 適用於基於 電源，以及
由所述仿真控制器建立的至少一個控制信號來提供仿真市電網，以
及
風力仿真系統，其包含
風力渦輪軸旋轉裝置，其被布置為被耦合到位於所述測試臺上的風 力渦輪機艙或風力渦輪機艙的一部分的所述發電機系統或與發電機有 關的系統的旋轉部分。
本發明的一個有利的特徵在於，在風力結果的輸入和電網結果的輸入 可結合得到評估的意義上，風力渦輪系統或其至少一部分的特性可在寬廣 的物理仿真環境中得到測試，由此，提供了將到電網以及來自電網的反饋 併入理想情況或特定的希望測試情況的獨特機會。
才艮據本發明的規定的風力渦輪測試系統對於風力渦輪系統——例如機 艙、發電機、電力頻率轉換器、槳距控制等一一特別有利，因為這樣的系 統必須出於避免由於與來自風力渦輪系統或電網的理想輸出之間的偏差而 從電網解耦合的目的而被最優化，故這樣的解耦合必須在事實上得到避免， 或者至少通過平滑的解耦合來進行。
儘管風力渦輪系統可包含完整的風力渦輪機搶或僅其部分，發電機必 須被包含在被測試系統中，以便測試風力渦輪系統與仿真電網之間的交互。
在測試設置可以標準化並提供可再現結果的意義上，測試臺的使用是 有利的。
電網仿真系統的仿真控制器可以為 一個單元或構成分布式仿真控制器 網絡的一部分。在進一步的實施例中，風力渦輪測試系統的電力轉換器系 統可由被測試的風力渦輪的電力變換器構成。換句話說，電力變換器可構成外部測試設置的一部分，或者，可通過風力渦輪自身的電力變換器建立， 如果其存在的話。根據進一步的實施例，電網仿真系統的電力轉換器系統 可相當主要地藉助與受到仿真控制器控制的開通/關斷開關一 一例如手動 開關一一結合的簡單的電阻器來建立。
風力仿真系統的目的在於如同系統受到風力致動一樣地建立起風力渦 輪系統的移動部分的、結果產生的移動。風力仿真系統可涉及任何與風力 仿真有關的參數，例如風速、溫度、湍流、旋轉系統的結果得到的轉矩等 等。
這種風力仿真的複雜程度可以較大或較小，但結果得到的風力仿真至 少在某種程度上涉及真實情況，典型地來說，這一點很重要。
例如，風力仿真系統的軸旋轉裝置可以為適用於提供如同藉助旋轉系 統輸入到機艙那樣的典型風力結果條件的轉矩或速度。
軸旋轉裝置典型地可被機械耦合到發電機系統或與發電機有關的系統 的旋轉部分，例如轂或齒輪箱，以便使得與發電機有關的部分如同風力渦 輪系統受到某些風力條件致動那樣地旋轉。
對於實現不同仿真電網條件的實施方式的實例，本領域技術人員可參
考本發明的詳細介紹，特別是圖7-12的討論。電網和風力條件的仿真的其 他實例在M. Steurer等人的"Development of a unified design, test, and research platform for wind energy systems based on hardware-in-the-loop real time simulation" (Power Electronics Specialists Conference, 2004， PESC 04， 2004 IEEE 35th annual, Aachen, Germany)中公開。
在本發明一優選實施例中，所述測試臺#:布置為夾持所述風力渦輪系 統的完整機搶。
當用於在系統被寄送之前對其進行測試時，能夠對完整組裝的機艙進 行測試是有利的。因此，優選為，為測試和仿真變化的機械、風力和/或電
網情況等等而提供完全的(full-scale)機艙測試臺。在這種情況下，完整 機艙或安裝在負載承載結構上的其一個或一個以上的部分一一例如發電 機——可在機械上充分地被夾持或固定，以便允許機械能量能夠從風力仿在本發明的又一優選實施例中，所述軸旋轉裝置包含被機械連接到風 力渦輪系統的低速軸的裝置。
在齒輪箱被包含在被測試部分中的情況下，為了能夠對不同的風力條 件行進仿真，包含用於被連接到低速軸一一其被連接到齒輪箱的輸入一一 的裝置是有利的。
在本發明的另 一優選實施例中，所述軸旋轉裝置包含用於被機械連接 到風力渦輪系統的高速軸的裝置。
為了能夠在齒輪箱不被包含在被測試部分中的情況下對不同的風力條 件進行仿真，包含用於被連接到高速軸一 一其被直接連接到發電機的轉 子一 一的裝置是有利的。
在本發明一實施例中，所述仿真市電網包含用於被電氣耦合到所述機 槍部件的發電機輸出變壓器的裝置。
在某些風力渦輪系統中，發電機與(被仿真的)市電網之間的電氣接 口包含代替電力頻率轉換器或與電力頻率轉換器結合的簡單的變壓器。提
供這樣的發電機輸出變壓器，以便將來自發電機的典型地為小於lkV—— 例如690V—一的輸出升壓到可與後面耦合的轉換器或電網兼容的較高的 電壓，例如3kV或30kV。因此，本發明的仿真市電網優選地包含用於接 口到這樣的發電機輸出變壓器的裝置。
在本發明的優選實施例中，所述仿真市電網包含用於電氣耦合到所述 機般部件的電力頻率轉換器的裝置。
某些發電機類型——例如雙饋感應發電機(DFIG)和同步多極發電 機一一需要在到市電網的電氣耦合中包含某種頻率轉換。典型地，這種頻 率轉換通過電力頻率轉換器來進行。因此，本發明的仿真市電網優選為包 含用於接口到這樣的電力頻率轉換器的裝置。應當強調，本發明也涉及例 如同步多M電機的發電機類型一一其中，所有電力在發電機與市電網之 間通過電力頻率轉換器被傳送——以及例如DFIG的發電機類型——其 中，某些電力通過電力頻率轉換器淨皮傳送，某些直接在發電機的定子與市電網之間被傳送。
在本發明一優選實施例中，所述電力轉換器系統^L布置為響應於來自 所述仿真控制器的控制信號來仿真不同的電網條件。
來自仿真控制器的控制信號可對付任何感興趣的和有關的電網條件，
例如頻率中的突變或緩變、極端(extremes)、故障、瞬態等等，由此使 得對現場風力渦輪系統性能進行最優化的有利方式和魯棒性測試成為可 能。這樣的測試也可產生在成本經濟性方面的顯著改進，因為風力渦輪系 統的不同部分可"在活體內"("in vivo")得到測試。
來自仿真控制器的控制信號可祐:設計為用於任何希望的仿真目的，且 該信號可涉及例如已知與系統的特定部件有關的特定電網情況，由此允許 專用部件的有關測試和最優化，或者，例如，控制器可出於發汪完整的風 力渦輪系統如期望地——例如根據特定電網導則(grid code)——那樣運 行的目的來建立電網仿真。
在本發明的進一步的優選實施例中，所述電網條件包含故障條件、弱 電網條件和/或不對稱電網條件。
例如，弱電網可以理解為電網的這樣的部分其在特定條件下可受到 4皮耦合系統——例如風力渦輪——的影響。
因此，可典型地關於必須將電壓等級和波動考慮在內的網絡使用術語 "弱電網，，，因為存在有值可能超過標準要求的某種風險。例如，弱電網 可涉及電網被設計為用於小負載的較為遙遠或邊緣的地方。與風力渦輪系 統聯繫，弱電網可典型地為這樣的系統其中，能被吸收的風能的量受到 電網容量限制，另外，不同M下的電網可從一個連接點到電網耦合的風 力渦輪系統傳送噪音或不希望的等級變化。
在本發明的另一優選實施例中，所述電網條件包含電壓變化，例如 電壓下降、電壓突降或電壓上升等；短路，例如地與相之間的短路或者兩 個或兩個以上的相之間的短路；cos(0)變化，例如到電網和/或來自電網 的無功功率的增大或減小等；相的頻率變化；電流變化，例如突降或上升 等；個別、某些或所有相的曲線形狀變化；以及其任意組合。優選為，電網仿真系統能夠仿真風力渦輪系統在運行中可能遇見的基 本上所有不同的電網條件，包括故障和極端在內，因此，風力渦輪系統在 這些條件下的性能能夠在風力渦輪系統被運輸到其運行現場之前得到全面 的測試。
在本發明的優選實施例中，所述電網條件涉及時變電網條件。 優選為，上面提到的電網條件的範圍也包括隨時間變化的電網條件。 時變條件或特定曲線形狀仿真可與任何上面提到的電網條件結合。 在本發明一實施例中，所述電源由市電網提供。
使用市電網是為風力渦輪測試系統或其一部分供給必需電力的一種方 法。顯然，可在本發明的範圍內應用任何合適的電源，只要結果得到的仿 真與預期的電網和風力仿真對應。
在本發明 一 實施例中，所述電力轉換器系統包含基於開關半導體的轉 換器。
實現電力轉換器的優選方式包含合適的數量的開關半導體。半導體可 根據傳統的轉換器技術受到控制或硬體配置。
在本發明 一 實施例中，所述基於半導體的轉換器為基於晶閘管的轉換器。
例如，半導體可包含電晶體或晶閘管，例如BPT (雙極型電晶體)、 IGBT (絕緣柵型雙極型電晶體)、MCT (金屬氧化物半導體受控晶閘管)、 IGCT (絕緣柵型受控晶閘管)或GTO晶閘管(門電路斷開 (Gate-Turn-Off))。當前優選的半導體為GTO晶閘管。
顯然，電網仿真系統可基於能夠建立所希望的電網條件的任何開關部件。
在本發明 一實施例中，所述電網仿真系統還包含耦合在所述電源與所 述電力轉換器系統之間的電網輸入變壓器。
有利的是，變壓器被^殳置為建立電源——其可以為例如30kV的市電 網——與在例如3kV下運行的電網仿真系統的電力轉換器之間的兼容性。
在本發明一實施例中，所述電網仿真系統還包含耦合在所述電力轉換器系統與所述仿真市電網之間的市電網輸出變壓器。
在電網仿真系統提供例如30kV的仿真市電網的實施例中，電力轉換 器的輸出必須從大約2或3kV的電力轉換器的典型運行等級被升高。
在本發明一實施例中，所述風力渦輪測試系統還包含機搶應力仿真系 統、風力渦輪系統溫度仿真系統和/或風力渦輪系統溼度仿真系統。
有利的是，可建立不同的其他物理條件，以^更提供甚至更寬和更理想 的物理仿真。
在本發明另 一實施形態中，其涉及使用上述風力渦輪測試系統來建立 和評估在物理仿真風力條件下從風力渦輪系統的至少一部分到電網的反饋。
建立和評估來自風力渦輪系統的反饋使得本領域技術人員能夠進行測 試以推定在不同的風力條件下風力渦輪系統是否滿足給定的一組特定要 求。
在本發明一優選實施例中，上面所介紹的風力渦輪測試系統用於在從 工廠運輸所述風力渦輪系統之前建立和評估在物理仿真的風力條件下從給 定的風力渦輪系統的至少一部分到電網的反饋，其中，所述仿真風力M
為了改進仿真，由風力仿真系統仿真的風力條件可與已知在特定場所 存在的關於以下的條件相關聯例如風速的突變、陣風、變動的風向、湍 流、伴流影響等。特別地，仿真風力條件可與被測試的特定風力渦輪系統 的運行場所相關聯，如果該場所在測試時已知的話。
在本發明又一優選實施例中，上面介紹的風力渦輪測試系統用於在從 工廠運輸所述風力渦輪系統之前建立和評估在物理仿真的氣候條件下從給 定風力渦輪系統的至少一部分到電網的反饋，其中，所述仿真的氣候M 包括與已知在所述給定風力渦輪系統的特定運行場所中存在的氣候條件對 應的風力條件、溫度條件和/或溼度條件。
仿真可甚至更進一步地改進，如果不僅仿真的風力條件而且其他仿真 的氣候條件與關於例如溫度和溼度等等的已知在特定場所存在的條件相關聯的話。特別地，仿真的氣候條件可與被測試的特定風力渦輪系統的運行 場所相關聯，如果這樣的場所在測試時已知的話。
在本發明的有利的實施例中，上面所介紹的風力渦輪測試系統用於建 立和評估在不同的電網條件下來自給定的風力渦輪系統的至少一部分的反饋。
建立和評估來自風力渦輪系統的反饋使得本領域技術人員能夠進行測 試以推定在不同的電網條件下風力渦輪系統是否滿足給定的一組特定要 求。
在本發明的進一步的有利的實施例中，上面介紹的風力渦輪測試系統 用於在從工廠運送所述風力渦輪系統之前建立和評估給定的風力渦輪系統
的至少一部分對一組電網導則的適應性(compliance)，其中，所述一組
則
依賴於給定的風力渦輪系統的運行場所，通常需要遵從一組電網導則，
條件的響應和反應的多個要求。
風力渦輪系統可根據不同的電網導則在仿真的"在活體內的，，情況 下一一優選為關於風力和電網條件二者一一得到分析、測試或驗證。仿真 控制器可在與特定分析有關的環境中對任何有關電網導則進行仿真。通過 這種方式，風力渦輪系統或風力渦輪系統的一部分可得到測試，以便4Hi 風力渦輪遵照特定的電網導則反應。特別地，風力渦輪系統對在特定風力 渦輪系統的運行場所應用的 一組電網導則的遵從性能夠得到測試，如果這 樣的場所在測試時已知的話。
在本發明的又一有利實施例中，如上所述的風力渦輪測試系統用於建 立和評估給定風力渦輪系統的至少 一部分對一組電網導則的遵從性，該組 電網導則包括風力渦輪系統對不同電網條件或其組合的響應的要求，不同 的電網條件包括電壓變化，例如電壓下降、電壓突降或電壓上升；短路， 例如地與相之間的短路或者兩個或兩個以上的相之間的短路；cos (0)變化，例如到電網和/或來自電網的無功功率的增大或減小；相的頻率變化； 電流變化，例如突降或上升；個別、某些或全部相的曲線形狀變化。
優選為，關於其進行風力渦輪系統遵從性測試的該組電網導則應當包 括風力渦輪系統在運行中可能遇上的基本上所有不同的電網導則，這些電 網導則覆蓋了包括故障和極端在內的電網^ff ，故風力渦輪系統對所有有 關電網導則的遵從性能夠在風力渦輪系統被運送到其運行場所之前得到全 面的測試。
在本發明又一實施形態中，其涉及藉助風力渦輪測試系統對風力渦輪 系統的機艙部件的至少一部分在被安裝到所述風力渦輪系統的機艙的負載 承載結構時進行測試的方法，該方法包含以下步驟
將所述才幾搶部件安裝到風力渦輪機艙的負栽承載結構上， 將所述負載承載結構放在所述風力渦輪測試系統的測試臺上， 將所述風力渦輪測試系統的風力仿真系統的軸旋轉裝置耦合到所述風 力渦輪機艙的發電機系統或與發電機有關的系統的旋轉部分，
氣機艙部件，
藉助仿真不同的風力條件的所述風力仿真系統，旋轉發電機系統的所 述i走轉部分，
藉助所述電網仿真系統，使所述機艙部件暴露於不同的仿真電網條件，
以及
在不同的同時仿真得到的風力和電網條件下，建立和評估來自所述機 搶部件的反饋。
執行上述方法的步驟使得本領域技術人員能夠進行測試，以便以可靠 和可再現的方式推定在不同的風力和電網條件下風力渦輪系統是否滿足給 定的一組特定要求。
在本發明的優選實施例中，其涉及藉助風力渦輪測試系統對風力渦輪 系統的機艙部件的至少一部分在其被安裝在所述風力渦輪系統的機艙的負 載承載結構上時進行測試的方法，該方法包含以下步驟將所述機槍部件安裝在風力渦輪機艙中，
將所述風力渦輪機艙放在所述風力渦輪測試系統的測試臺上， 將所述風力渦輪測試系統的風力仿真系統的軸旋轉裝置耦合到所述風 力渦輪機艙的發電機系統或發電才4關的系統的旋轉部分，
氣才幾艙部件，
藉助對不同風力條件進行仿真的所述風力仿真系統，旋轉發電機系統 的所述旋轉部分，
藉助所述電網仿真系統，使所述機艙部件暴露於不同的仿真電網條件，
以及
在不同的同時仿真得到的風力與電網條件下，建立和評估來自所迷機 槍部件的反饋。
有利的是，完整組裝的機艙可械J改在測試臺上，且機艙的所有部件可 通過遵循上述方法的步驟同時得到測試。
在本發明的又一優選實施例中，其涉及一種如上所述的進行測試的方 法，其中，所述風力渦輪測試系統包含根據本發明的風力渦輪測試系統。
將如上所述的風力渦輪測試系統用於如上所述方法中介紹的測試是有 利的，因為風力渦輪測試系統正是為這種目的設計的。
在本發明的進一步的優選實施例中，其涉及如上所述的測試方法，其 中，所述仿真電網條件包括市電網的故障條件。
為了使得測試根據上面介紹的方法儘可能完整地進行，應當包括風力
渦輪系統在運行過程中預期遇到的基本上所有的電網
現在將參照附圖介紹本發明的某些實施例，其中
圖l示出了從前面看的、現有技術中已知的大型現代風力渦輪；
圖2示出了從側面看的、現有技術中已知的簡化機槍的實施例的截面圖3示出了根據本發明一實施例的用於機艙的測試臺；
圖4示出了根據本發明一實施例的用於發電機的測試臺；
圖5示出了原理性地示出的電網仿真系統測試設置；
圖6示出了根據本發明一實施例應用的電力轉換器的主要輸出；
圖7示出了在所有相上直到標稱電壓的60%的電壓下降的電網仿真；
圖8示出了三相短路和到標稱電壓的大約35%的電壓下降的電網仿
真；
圖9示出了電壓等級100%、 0。/50%、 180750%、 180。的兩相故障的 電網仿真；以及
圖10示出了直到標稱電壓的大約20%的電壓下降的電網仿真。
具體實施例方式
圖1示出了現代風力渦輪1，其包含^^文在基座上的塔架2以及被定 位在塔架2的頂部的風力渦輪機艙3。包含三個風力渦輪葉片5的風力渦 輪轉子4通過伸出機艙3的前側的低速軸被連接到機搶3。
圖2示出了從側面看的機搶3的簡化的截面圖。機搶3存在大量變化 和構造，但在大多數情況下，機艙3中的傳動列14包含下列部件中的一個 或一個以上齒輪6、耦合(未示出)、某些類型的制動系統7、發電機8。 現代風力渦輪l的機艙3還可包含電力頻率轉換器9(也稱為變換器)和 其他的外圍設備，例如進一步的電力處理設備、控制櫃、液壓系統、冷卻 系統等等。
包含機艙部件6、 7、 8、 9的整個機艙3的重量由負載承載結構10承 載。部件6、 7、 8、 9通常被放在此共用的負載承載結構10上和/或連接到 此共用的負載承載結構10。在此簡化實施例中，負載承載結構10僅僅沿 著機艙3的底部延伸，例如採用部件6、 7、 8、 9中的一些或全部被連接到 的基架的形式。在另一實施例中，負載承載結構10可包含齒輪鍾狀物(gear bell) 11，其將轉子4的負載傳送到塔架2，或者，負載承載結構10可包 含例如格子(latticework)等幾個互聯的部分。在本發明此實施例中，傳動系14以關於與通過塔架2的中心軸垂直的 平面8。的通常運行角度NA建立。
圖3示出了從側面看的構成對風力渦輪機槍3進行測試的風力渦輪測 試系統的一部分的測試臺12的部分截面圖。顯然，所示出的測試臺12僅 僅構成在本發明的範圍內這種測試設置的幾種不同的可能構造中的 一種。
在本發明此實施例中，測試臺12包含驅動裝置13，其採用電動機15 和齒輪16——制動系統17和活動耦合18位於其之間——的形式。
測試臺齒輪16的輸出軸被連接到測試臺12的活動耦合18，其被連接 到將在下面根據對圖4的介紹更為全面地介紹的採用徑向負載裝置20的形 式的、測試臺12的負載施加裝置。
包含軸適配器24的徑向負載裝置20被連接到機艙3的輸入軸21，其 在這種情況下為經由制動系統7和耦合(未示出)被連接到機搶3內的發 電機8的風力渦輪齒輪6的輸入軸21。在此實施例中，機搶3還包含電力 頻率轉換器9。電力頻率轉換器包含到電網仿真系統92的電氣接口 91。基 本上，風力渦輪機艙3可通過任何合適的電力傳送系統一一其包含用於特 定應用的相關部件——被接口到電網。例如，這樣的部件可包含一個或一 個以上的變壓器、頻率轉換器、整流器、電力緩沖器、電力電纜等的組合。
在此實施例中，風力渦輪設備——其採用通過機搶3內的齒輪箱6的 高速輸出軸27彼此連接的傳動系部件6、 7、 8的形式一一被定位為關於水 平平面為6。的角度A，其中，機艙3的塔架連接法蘭23被剛性連接到測試 臺12的基本上為水平的連接法蘭。由於機艙3在現實中可在風力渦輪塔架 2的頂部被連接到基本水平的連接法蘭，此角度A對應於當定位在一般的 運行風力塔架l中時這些特定傳動系部件的角度NA。
在本發明另一實施例中，測試臺12的連接法蘭可關於水平平面成角 度，或者，整個測試臺12可成角度，或者包含用於控制測試臺12和/或被 測試設備22的角度的裝置。
在本發明另一實施例中，測試臺12的連接法蘭也可包含用於向設備提 供負載的裝置19，以^f更增大測試的效率和/或真實性。例如，這樣的負載施加裝置19可以向風力渦輪1的偏航機構(yaw mechanism )(未示出)、 輸入軸21或機艙3的負載承載結構10施加負載，或者，其可以以任何其 他的方式向被測試的設備22施加負載。
在本發明此實施例中，徑向負載裝置20至少主要為向被測試設備22 的輸入軸21施加直接負栽的測試臺12的唯一的負載施加裝置19。然而， 在另一實施例中，測試臺12可還包含負載施加裝置19，以便以任何靈活 的方向——例如軸向地、對角地或從變化的方向——向設備22的輸入軸 21或設備22的4壬何其他部分施加負載。
在本發明的優選實施例中，機搶3中的發電機8被連接到電網仿真系 統92，使得發電機8在測試過程中間接作為測試臺12的負載施加裝置19 運行，其中，可以對不同的電網情況進行仿真，例如極端過負載情況、故 障情況、短路、不對稱相幅值和角或其他的獨立或協同電網情況。由此， 電網的不同情況將通過發電機8間接在被測試的設備22上施加不同的負載 情況。
在另 一實施例中，發電機8可以以與在運行的風力渦輪中相同的方式 簡單地連接到市電網。
在本發明此實施例中，測試臺12包含噪音減小裝置28，其採用這樣 的聲音吸收盒28的形式其基本上封閉測試臺12的驅動裝置13，由此， 使得特別是驅動裝置13所產生的噪音被盒28吸收，由此減小來自測試臺 12的噪音排訪文。
在另一實施例中，整個測試臺12可由聲音吸收盒28封閉，或者，測 試臺12的產生噪音的個體部分可單獨配備有噪音減小裝置28。在此實施 例中，噪音減小裝置28是淨皮動性的，然而，在其他實施例中，裝置28可 以是主動性的，例如通過提供反相的噪音或以其他的方式。
在本發明此實施例中，測試臺12還包含氣候控制裝置29,其採用氣 候盒29的形式，基本上封閉風力渦輪設備22或在測試臺12上被測試的設 備22的至少一部分。
在此實施例中，氣候盒29使得盒29內的溫度能在測試設備22非活動且不運行時自由地在-45。C與55。C之間得到調節和控制，以及在被測試設備 22運行過程中自由地在-40"C與90。C之間得到調節和控制。這些溫度範圍 在本發明的當前實施例中足夠提供對於被測試設備22的高效和/或真實環 境，但是在另一實施例中，測試臺12可包含用於將設備22的周圍溫度控 制在不同範圍內的裝置，氣候控制裝置29還可包含用於控制溼度和/或氣 壓等其他氣候參數的裝置。
圖4示出了根據本發明另一實施例的風力渦輪測試系統的變型。在此 實施例中，風力渦輪測試系統被耦合到風力渦輪系統的僅僅一部分，即透 視圖中可以看到的風力渦輪發電機48。
在此實施例中，當風力渦輪發電機48被提升到臺42上並被剛性連接 到臺42時，測試臺42處於基本上水平的位置。
包含電動機的風力仿真系統45受到驅動，以便建立希望的物理條件。 風力仿真系統45藉助機械耦合49將旋轉傳送到發電機48，完整的測試臺 42可被傾斜，以便物理地對其他希望的條件進行仿真。
風力渦輪測試系統還包含到電網仿真系統(未示出)的電氣接口 191， 使得發電機到仿真電網的耦合成為可能。
圖5示出了才艮據本發明範圍內的幾個實施例之一的風力渦輪測試系統 的原理示出的電氣圖。
所示出的實施例包含經由風力渦輪系統74互相耦合的電網仿真系統 59和風力仿真系統69。在本實施例中，風力渦輪系統包含機艙72或機艙 部分。
電網仿真系統59和風力仿真系統69均,皮耦合到電源，例如市電網 500。顯然，仿真系統可由兩個不同的電源供電。
電網仿真系統59包含受到仿真控制器51控制的電力轉換器50。仿真 控制器51對電力轉換器50進行控制，以便在電網仿真系統59的輸出上建 立預期的電網仿真。電力轉換器50經由變壓器54和開關56被耦合到市電 網500,且其進一步經由變壓器55、開關57、電氣接口 58淨皮耦合到風力 渦輪系統74。例如，所示出的電力轉換器50可包含ALSPA VDM 7000中壓變換器， 所示出的開關56、 57可包含例如30kV/50Hz開關，變壓器54可包含例如 三相13MVA 30kV/3.1kV變壓器，變壓器55可包含例如三相13MVA 3.1kV/30kV變壓器。
所示出的風力渦輪系統74包含機搶72，機艙72包含連接到機搶72 的發電機78的機械傳動裝置62，例如齒輪箱。例如，依賴於被測試的風 力渦輪系統74的類型，經由例如電力頻率轉換器或簡單的變壓器等發電機 輸出變壓器75，發電機可被電氣耦合到電氣接口 58。耦合必須與風力仿真 系統59的有效輸出一一這裡為變壓器55的輸出一一匹配。在圖5的實施 例中，發電機輸出變壓器75被示為簡單的變壓器，而在圖2與3的實施例 中被示為電力頻率轉換器9。
因此，電網仿真系統59可被建立為提供電網仿真輸出，其可直接被饋 送到包含電力轉換器9的風力渦輪系統74，或僅包含發電機輸出變壓器75 的風力渦輪系統74，如當前實施例中所示。所示出的發電機輸出變壓器75 將例如大約6卯V的機艙72的發電機78的輸出變換為30kV。
風力仿真系統69基本上被建立為用於在機艙72的機械輸入上提供對 應於特定風力條件的情況。風力仿真系統69包含連接到電動機61並由此 對之進行控制的頻率轉換器60。經由提供慢的高轉矩旋轉的齒輪63,電動 機61被機械且可旋轉地耦合到機:槍72。
頻率轉換器60在這裡經由變壓器64和開關66被耦合到市電網500。 變壓器64可包含例如13MVA 30kV/3.1kV變壓器。
所示出的頻率轉換器60可包含例如ALSPA VDM 7000中壓變換器。
參照圖3和4，風力渦輪測試系統的電網仿真系統59和風力仿真系統 69可優選為作為圖3和4所示測試臺12、 42的一部分，其中，主要部分 包含電動機61，其可對應於圖3的電動機15或圖4的電動機45;齒輪 63，其可對應於圖3的齒輪16。在圖3的小M^莫測試臺——其中，例如發 電機8受到與機艙部件的其餘部分分開的測試一一中，不需要齒輪6，電 動機和齒輪是兼容的。另外，在一實施例中，電網仿真系統59和電氣接口58可對應於圖3的電網仿真系統92和電氣接口 91。
所示出的實施例促進了機艙72在覆蓋電網和風力測試的、寬廣的同時 物理仿真中的測試。顯然，進一步的參數可包含在測試設置中，例如風力 渦輪系統的個體部件的溫度、溼度、機械應力、傾斜等或其全部或大部分 的組合。
取決於仿真的目的，所示出的測試"^殳置的控制可用幾種不同的方式建 立，且測試結果可用不同的測試方法在風力渦輪測試系統的不同測量點上 進4亍測量。
應當注意，在具有或不具有相關聯的變換電路一一例如用於建立對電 壓下降進行仿真的分壓電路的開關和/或電阻器或其他負載的布置等 等一一的情況下，所示出的風力仿真系統也可包含更為簡單或原始的接觸 系統。這樣的仿真系統可典型地適用於測試非常特別、典型地僅僅為幾種 的電網條件。
電力轉換器可為自動換向轉換器以及外部控制轉換器。在本發明的優 選實施例中，轉換器電路為晶閘管轉換器電路，其將電力從AC轉換為DC 並再次轉換為AC，給出對多個參數進行控制的有利可能。在本發明另一 實施例中，轉換器系統也可以為直接AC轉換器或具有本領域技術人員已 知的轉換器功能的其他類型的轉換器或單元。轉換器可進一步為手動提供 時鐘的、自時鐘的、電網提供時鐘的、負載提供時鐘的、機器提供時鐘的 等等。通過對轉換器電路進行控制，可以控制多個參數，給出對多個不同 方案進行仿真的可能性，例如電網故障、電網變化、不同的電網導則、風 力渦輪機的變化等等。
關於電網導則、電網穩定性等的仿真是用於對風力渦輪參數進行最優 化的強大工具。可以使用電力轉換器來仿真電網上不同類型的電壓下降或 上升、地與相之間的短路、兩相之間的短路、三相之間的短路、無功補償、 頻率變化、不同的相角、不同的幅值曲線形狀以及其他不同的相關仿真。 另外，可以仿真和識別關於不同方案的不同時間周期。
通過放置不同的傳感器，例如加速度計、熱傳感器、聲傳感器、熱攝影機、電壓與電流傳感器以及本領域技術人員已知的多種不同的其他相關 傳感器，可以監一見上述仿真在風力渦輪上的影響。
圖6示出了例如電力轉換器50的電力轉換器的示例性輸出。所示出的 轉換器一一ALSPAVDM 7000中壓變換器一一為多級轉換器，例如三級中 性點鉗位轉換器，由此，當耦合到電動機或變壓器時，傳送具有相對較低 的諧波失真的輸出。所示出的輸出示出了作為時間的函數的相到相的電壓。
圖7示出了在18MVA/18MVA安裝變換器電力的配置的情況下在所有 相上到標稱電壓的60%的電壓下降的電網仿真。兩個狀態的電力值分別指 的是電力頻率轉換器的兩側。
Vu[kV表示以kV為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電壓。
iu[A表示以安培為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電流。
Vabs[pU]和iabs[pU]分別表示每單位的合成絕對電壓和合成絕對電流，即
值l表示電網仿真系統的相的100%的標稱電壓或電流。
在這種仿真中，測試周期在大約0.06秒時開始，可以看到，系統的電
壓等級在大約2.3秒後穩定。
圖8示出了在18MVA/27MVA安裝變換器電力的配置的情況下三相短
路以及到標稱電壓的大約35%的電壓下降的電網仿真。
Vu[kV表示以kV為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電壓。 L[A表示以安培為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電流。
V由[PU和iabjpul分別表示每單位的合成絕對電壓和合成絕對電流，即
值l表示電網仿真系統的相的100%的標稱電壓或電流。
在這種仿真中，測試周期在大約0.06秒時開始，可以看到，系統的電
壓等級在大約2.6秒後穩定。
圖9示出了在18MVA/27MVA安裝變換器電力的配置的情況下具有電
壓等級100%、 0。 /50%、 180。 /50%、 180°的兩相短路故障的電網仿真。
兩個故障相作為工作相的電流的返迴路徑。
Vu[kV表示以kV為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電壓。 i。[A]表示以安培為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電流。V由[PU1和iabs[pU]分別表示每單位的合成絕對電壓和合成絕對電流，即 值l表示電網仿真系統的相的100%的標稱電壓或電流。
在這種仿真中，測試周期在大約0.06秒時開始，可以看到，系統的電
壓等級在大約2.8秒後穩定。
圖10示出了在18MVA/36MVA安裝變換器電力的配置的情況下直到
標稱電壓的20%的電壓下降的電網仿真。
vu[kV表示以kV為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電壓。 iu[A表示以安培為單位測量的電網仿真系統的輸出的不同相的電流。 Vabs[pu和i由[pu分別表示每單位的合成絕對電壓和合成絕對電流，即
值l表示電網仿真系統的相的100。/。的標稱電壓或電流。
在這種仿真中，測試周期在大約0.06秒時開始，可以看到，系統的電
壓等級在大約2.8秒後穩定。
權利要求
1. 一種風力渦輪測試系統，其用於對包含發電機系統(8，48，78)的風力渦輪系統(74)的機艙部件(6，7，8，9，22)的至少一部分進行測試，所述機艙部件(6，7，8，9，22)被安裝在所述風力渦輪系統(74)的機艙(3，72)的負載承載結構(10)上，所述風力渦輪測試系統包含測試臺(12，42)，其被布置為夾持包含所述機艙部件(6，7，8，9，22)的所述風力渦輪機艙(3，72)的所述負載承載結構(10)，電網仿真系統(59，92)，其包含電力轉換器系統(50)，以及仿真控制器(51)，其被布置為電氣耦合到所述機艙部件(6，7，8，9，22)的至少一個並適用於基於電源(500)，以及由所述仿真控制器(51)建立的至少一個控制信號，提供仿真市電網(58)，以及風力仿真系統(45，69)，其包含風力渦輪軸旋轉裝置(61)，其被布置為被耦合到位於所述測試臺(12，42)上的風力渦輪機艙(3，72)或風力渦輪機艙(3，72)的一部分的所述發電機系統(8，48，78)或與發電機有關的系統的旋轉部分。
2. 根據權利要求l的風力渦輪測試系統，其中，所述測試臺(12， 42) 被布置為夾持所述風力渦輪系統(74)的完整機搶(3， 72)。
3. 根據權利要求1或2的風力渦輪測試系統，其中，所述軸旋轉裝置 (61)包含用於被才/U械連接到風力渦輪系統(74)的低速軸的裝置。
4. 根據權利要求l-3中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述軸 旋轉裝置(61)包含用於被機械連接到風力渦輪系統(74)的高速軸的裝 置。
5. 根據權利要求1-4中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述仿真市電網(58)包含用於被電氣耦合到所述機艙部件(6， 7， 8， 9， 22) 的發電機輸出變壓器(75)的裝置。
6. 根據權利要求l-5中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述仿 真市電網(58)包含用於被電氣耦合到所述機搶部件(6， 7， 8， 9， 22) 的電力頻率轉換器(9)的裝置。
7. 根據權利要求l-6中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述電 力轉換器系統(50)被布置為響應於來自所述仿真控制器(51)的控制信 號對不同的電網IH^進行仿真。
8. 根據權利要求7的風力渦輪測試系統，其中，所述電網條件包含故 障條件、弱電網條件和/或不對稱電網條件。
9. 根據權利要求7或8的風力渦輪測試系統，其中，所述電網^包 括電壓變化，例如電壓下降、電壓突降或電壓上升等；短路，例如地與 相之間的短路或者兩個或兩個以上的相之間的短路等；cos(cj))變化，例如 到電網和/或來自電網的無功功率的增大或減小等；相的頻率變化；電流變 化，例如突降或上升等；個別、某些或全部相的曲線形狀變化；以及其任 意組合。
10. 根據權利要求7-9中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述電 網條件包含時變電網條件。
11. 根據權利要求1-10中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述 電源(500)由市電網提供。
12. 根據權利要求l-ll中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述 電力轉換器系統(50)包含基於開關半導體的轉換器。
13. 根據權利要求13的風力渦輪測試系統，其中，所述基於半導體的 轉換器為基於晶閘管的轉換器。
14. 根據權利要求1-13中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述 電網仿真系統(59, 92)還包含電網輸入變壓器(54)，其被耦合在所述 電源(500)和所迷電力轉換器系統(50)之間。
15. 根據權利要求1-14中任意一項的風力渦輪測試系統，其中，所述電網仿真系統(59, 92)還包含電網輸出變壓器(55)，其被耦合在所述 電力轉換器系統(50)與所述仿真市電網(58)之間。
16. 根據權利要求1-15中任意一項的風力渦輪測試系統，其還包含機 艙應力仿真系統、風力渦輪系統溫度仿真系統和/或風力渦輪系統溼度仿真 系統。
17. 根據權利要求1-16中任意一項的風力渦輪測試系統在建立和評估 在物理仿真的風力條件下從風力渦輪系統(74)的至少一部分到電網的反 饋中的應用。
18. 根據權利要求1-16中任意一項的風力渦輪測試系統在從工廠運輸 所述風力渦輪系統(74)之前建立和評估在物理仿真的風力條件下從給定 風力渦輪系統(74)的至少一部分到電網的反饋中的應用，其中，所述仿 真風力條件對應於已知在所述給定風力渦輪系統(74)的特定運行場所中 存在的風力條件。
19. 根據權利要求1-16中任意一項的風力渦輪測試系統在從工廠運輸 所述風力渦輪系統(74)之前建立和評估在物理仿真的氣候條件下從給定 風力渦輪系統(74)的至少一部分到電網的反饋中的應用，其中，所述仿 真氣候條件包含與已知在所述給定風力渦輪系統(74)的特定運行場所中 存在的氣候條件對應的風力條件、溫度條件和/或溼度條件。
20，根據權利要求1-16中任意一項的風力渦輪測試系統在建立和評估 在不同的電網條件下來自給定風力渦輪系統(74)的至少一部分的反饋中 的應用。
21. 根據權利要求1-16中任意一項的風力渦輪測試系統在從工廠運送 所述風力渦輪系統(74)之前建立和評估給定風力渦輪系統(74)的至少 一部分對一組電網導則的適應性的應用，其中，所述一組電網導則對應於 在所述給定風力渦輪系統(74)的特定運行場所應用的電網導則。
22. 根據權利要求21的應用，其中，所述一組電網導則包含風力渦輪 系統(74)對不同的電網條件的響應的要求，電網條件包括電壓變化， 例如電壓下降、電壓突降或電壓上升等；短路，例如地與相之間的短路或者兩個或兩個以上的相之間的短路等；cos(cl))變化，例如到電網和/或來自 電網的無功功率的增大或減小等；相的頻率變化；電流變化，例如突降或 上升等；個別、某些或全部相的曲線形狀變化；或者其組合。
23. —種藉助風力渦輪測試系統對風力渦輪系統(74)的機搶部件(6， 7, 8, 9， 22)的至少一部分在被安裝到所述風力渦輪系統(74)的機艙(3， 72)的負載承載結構(10)時進行測試的方法，該方法包含以下步驟將所述才幾搶部件(6， 7, 8， 9， 22)安裝到風力渦輪"機搶(3， 72 )的 負載承栽結構(10)上，將所述負載承載結構(10 )放在所述風力渦輪測試系統的測試臺(12, 42)上，將所述風力渦輪測試系統的風力仿真系統(45 ， 69)的軸旋轉裝置(61) 耦合到所述風力渦輪機搶(3， 72)的發電機系統(8， 78)或與發電枳省 關的系統的旋轉部分，將所述風力渦輪測試系統的電網仿真系統(59， 92 )的仿真市電網(58 ) 電氣耦合到電氣機搶部件(8， 9， 22)，藉助仿真不同的風力條件的所述風力仿真系統(45， 69)，旋轉發電 機系統(8， 78)的所述旋轉部分，藉助所述電網仿真系統(59, 92),使所述才幾艙部件(6， 7， 8, 9， 22)暴露於不同的仿真電網條件，以及在不同的同時仿真得到的風力和電網條件下，建立和評估來自所述機 槍部件(6， 7， 8， 9， 22)的反饋。
24. —種藉助風力渦輪測試系統對風力渦輪系統(74 )的機搶部件(6， 7， 8, 9， 22)的至少一部分在被安裝到所述風力渦輪系統(74)的機艙(3， 72)的負栽承載結構(10)時進行測試的方法，該方法包含以下步驟將所述機搶部件(6， 7， 8， 9, 22)安裝在風力渦輪機艙(3， 72)中， 將所述風力渦輪機嫩3， 72 )放在所述風力渦輪測試系統的測試臺(12， 42)上，將所述風力渦輪測試系統的風力仿真系統(45， 69 )的軸旋轉裝置(61)耦合到所述風力渦輪機搶(3， 72)的發電機系統(8， 78)或與發電M關的系統的旋轉部分，將所述風力渦輪測試系統的電網仿真系統(59 ， 92 )的仿真市電網(58 )電氣耦合到電氣機槍部件(8， 9， 22)，藉助對不同風力條件進行仿真的所述風力仿真系統(45， 69)，旋轉發電機系統(8， 78)的所述旋轉部分，藉助所述電網仿真系統(59， 92)，使所述機搶部件(6, 7， 8， 9，22)暴露於不同的仿真電網條件，以及在不同的同時仿真得到的風力與電網條件下，建立和評估來自所述機搶部件(6， 7， 8， 9， 22)的反饋。
25. 根 據權利要求23或24的方法，其中，所述風力渦輪測試系統包含才艮據權利要求1-17中任意一項的風力渦輪測試系統。
26. 根據權利要求23-25中任意一項的方法，其中，所述仿真電網^Ht包括市電網的故障條件。
全文摘要
公開了一種風力渦輪測試系統，其用於對風力渦輪的機艙部件的至少一部分在被安裝在機艙的負載承載結構上時進行測試，風力渦輪測試系統包含測試臺，其被布置為夾持包含所述機艙部件的所述負載承載結構；電網仿真系統，其包含電力轉換器系統以及仿真控制器，仿真控制器被布置為電氣耦合到所述機艙部件的至少一個並適用於基於電源以及由所述仿真控制器建立的至少一個控制信號來提供仿真市電網；風力仿真系統，其包含風力渦輪軸旋轉裝置，風力渦輪軸旋轉裝置被布置為被耦合到位於所述測試臺上的機艙或機艙的一部分的所述發電機系統或與發電機有關的系統的旋轉部分。
文檔編號F03D11/00GK101484696SQ200780025071
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月3日 優先權日2006年7月3日
發明者J·B·詹森 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司