CN103797246A - 风力机模拟***及其方法 - Google Patents

风力机模拟***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风力机模拟***及其方法。本发明的一实施例的风力机模拟***，用于模拟实际风力机的运行条件，包括：风力机模型部，包括风轮和传动***，该风轮包括在表面安装有多个应变传感器的模拟桨叶和用于配置上述模拟桨叶的轮毂，该传动***增减上述风轮的转速，并传递动力；驱动部，包括用于驱动上述风轮的驱动马达；发电部，包括发电机，该发电机将在上述风力机模型部产生的旋转力变换为电能；以及控制部，对上述风力机模型部、驱动部或发电部中的一个以上进行控制。

Description

风力机模拟***及其方法
技术领域
本发明涉及风力机模拟***及其方法，更具体而言，涉及通过监视风力机的状态来使风力机的运行优化并且预测构成部件的疲劳寿命来决定部件更换周期的风力机模拟***及其方法。
背景技术
风力发电***因作为能源的风速的可变性所导致的输出功率的不规则性，有可能降低周边***用户和负载的电压、频率等电力质量，因此需要开发出能够体现实际风力发电***的特定运行条件的风力发电模拟器甚至风力机模拟***。
作为与此相关的技术，以往的风力机模拟***仅执行评价风力机的齿轮箱或发电机的性能的功能。即，以往的风力机模拟***不对作用于风力机的风进行模拟，而直接在马达上连接齿轮箱或发电机来仅执行了性能评价，因此，存在不能模拟风力机的实际运行条件的制约性。
此外，在以往的风力机模拟***中，为了模拟桨叶的惯性而使用了飞轮（flywheel），但是，此时***变得复杂，还发生了费用增加的问题。
因此，需要开发与MW级风力机具有相似性从而能够体现实际风力机的运行环境的风力机模拟***是实际情况。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的实施例的目的在于提供一种被设计成与实际风力机具有相似性从而能够模拟实际风力机的运行条件的风力机模拟***及其方法。
用于解决问题的手段
本发明的一个方案提供一种风力机模拟***，用于模拟实际风力机的运行条件，包括：风力机模型部，包括风轮和传动***，该风轮包括在表面安装有多个应变传感器的模拟桨叶和用于配置上述模拟桨叶的轮毂，该传动***增减上述风轮的转速，并传递动力；驱动部，包括用于驱动上述风轮的驱动马达；发电部，包括发电机，该发电机将在上述风力机模型部产生的旋转力变换为电能；以及控制部，对上述风力机模型部、驱动部或发电部中的一个以上进行控制。
在上述风力机模型部的上述轮毂可形成有通风口。
此外，上述风力机模型部的上述传动***可包括增速机，该增速机使上述模拟桨叶的转速增加，以使其能够以适合于上述发电部的发电的转速旋转。
此外，上述发电部可进一步包括发电机转换器，该发电机转换器接收上述发电机的转速数据或转矩数据中的至少一个数据的输入，并在与上述控制部之间进行收发。
此外，可在上述传动***和上述发电部，安装有多个加速度传感器、温度传感器或转速传感器中的至少一个传感器。
此外，上述传动***可进一步包括配置在上述风轮和上述发电机之间的第一减速机，上述驱动部可进一步包括配置在上述驱动马达和上述风轮之间的第二减速机。
另一方面，上述控制部可包括：驱动控制部，对上述驱动部的驱动马达的转矩量或上述风力机模型部的上述模拟桨叶的桨距角进行控制；状态监视部，从上述风力机模型部和上述发电部接收转矩数据、转速数据、角速度数据、温度数据或应变数据来进行加工处理；以及发电机控制部，在与上述发电机转换器之间收发上述发电机的转速数据或转矩数据中的至少一个数据来控制上述发电机的生产电力。
此外，上述风力机模拟***相对于上述实际风力机，满足下面的公式1。
公式1：
Jaωa 2/Pa＝Jsωs 2/Ps
ωaRa/va＝ωsRs/vs
ωa 3Ra 5＝sωs 3Rs 5
在此，J为惯性力矩，w为桨叶转速，P为额定输出，R为桨叶的半径，v为额定风速，下标a表示实际风力机，下标s表示风力机模拟***。
本发明的另一方案提供一种风力机模拟方法，用于驱动上述风力机模拟***，包括：第一步骤，接收模拟桨叶的桨距角及发电机转速，并将上述发电机转速与额定输出下的转速进行比较；第二步骤，当上述发电机转速小于上述额定输出下的转速时，生成模拟风，并以基于上述模拟风而计算出的马达转矩为基础，控制驱动马达；以及第三步骤，在上述发电机转速为上述额定输出下的转速以上时，生成模拟风，并根据上述模拟桨叶的桨距角数据和马达转矩，对上述模拟桨叶的桨距角和驱动马达进行控制，其中，上述模拟桨叶的桨距角数据是基于上述发电机转速的桨距角数据，上述马达转矩是基于上述模拟风计算出的马达转矩。
此外，所生成的上述模拟风是时域上作用于上述模拟桨叶的风。
另一方面，上述第二步骤可包括：计算出与上述模拟风相对应的气动力转矩的步骤；利用风轮惯性传递函数，计算出反映上述模拟桨叶的动态特性的马达转矩的步骤；以及根据上述马达转矩来控制驱动马达的步骤。
此外，上述第三步骤可包括：计算出基于上述发电机转速的上述模拟桨叶的桨距角数据的步骤；计算出与上述模拟风相对应的气动力转矩的步骤；利用风轮惯性传递函数，计算出反映上述模拟桨叶的动态特性的第一马达转矩的步骤；对上述第一马达转矩进行数据处理，计算出反映由上述模拟风引起的上述模拟桨叶的桨距角变化的第二马达转矩的步骤；以及根据上述模拟桨叶的桨距角数据来控制上述模拟桨叶的桨距角，并且根据上述第二马达转矩来控制驱动马达的步骤。
发明效果
本发明的实施例，将风力机模拟器***设计成与实际风力机具有相似性，从而能够模拟实际风力机的运行条件。
此外，利用风轮惯性传递函数来将桨叶的动态特性反映到控制部，从而计算出反映动态特性的马达转矩，由此能够构筑更加简单且成本低廉的风力机模拟器***。
附图说明
图1是本发明的一实施例的风力机模拟***的概略图。
图2是放大图1的A部分来示出的放大图。
图3是示出图1的风力机模拟***的变形例的概略图。
图4是示出图1的风力机模拟***的数据收发的图。
图5是示出在图1的风力机模拟***中的发电机的转矩曲线生成过程的图。
图6是本发明的一实施例的风力机模拟方法的控制算法。
图7是图6的模拟风生成算法。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的各实施例进行详细说明。
图1是本发明的一实施例的风力机模拟***100的概略图。
参照图1，风力机模拟***100包括：模拟实际风力机的运动的风力机模型部120，驱动风力机模型部120的驱动部140，将由风力机模型部120产生的旋转力变换为电能的发电部160，以及对风力机模型部120、驱动部140或发电部160中的一个以上进行控制的控制部180。下面，对各结构进行说明。
实施方式
风力机模拟***100可设在基架B上，但不限制基架B的形状、大小等。另一方面，基架B为了避免风力机模拟***100的桨叶旋转时的碰撞，可在局部设置有开口部(未标记)。
风力机模型部120模拟实际风力机的运动，可包括：风轮（rotor）R，包括模拟桨叶121和用于配置模拟桨叶121的轮毂（hub）123；以及传动***(Drive Train)125，增减风轮R的转速并传递动力。
在轮毂123上配置的模拟桨叶121的表面可安装几个应变传感器（strain sensor）121a。应变传感器121a对在模拟桨叶121旋转时施加到模拟桨叶122上的应变分布进行测定。不特别限定应变传感器121a的安装位置。例如，根据状况分析桨叶模型，基于上述分析结果，将应变传感器121a安装到桨叶表面中产生应变最多的位置。
在轮毂123内部，还可以设置用于采集由安装在模拟桨叶121的表面的应变传感器122a测定的应变数据的DAQ(Data acquisition：数据采集器，未图示)。
与此关联地，图2是放大图1的A部分来示出的放大图。参照图2，在轮毂123可形成通风口（vent）123a。在轮毂123内部设置了如上所述的DAQ等装备的情况下，通风口123a用于防止上述装备过热。
再次参照图1，传动***125起到增减风轮R的转速的作用，可包括：增速机125a、轴承箱（bearing housing）125c以及转矩测量器125d。例如，如图1所示，传动***125在风轮R的后级沿着旋转轴依次连接有轴承箱125c、第一转矩测量器125d、增速机125a以及第二转矩测量器125d。
增速机125a起到将模拟桨叶122的转速加速到适合发电部160发电的转速的作用。增速机125a可利用在一般的风力机中所使用的增速机。另一方面，增速机125a由对齿轮执行热处理来不发生振动的增速机和不执行热处理而发生振动的增速机构成，从而在风力机发生异常时，能够测定数据。
转矩测量器125d连接在增速机125a的前端及后端而执行转矩计测。
驱动部140包括用于驱动风轮R的驱动马达141。驱动马达141可连接配置在轮毂123的前端。
发电部160包括将在风力机模型部120产生的旋转力变换为电能的发电机161。发电机161可连接配置在齿轮箱125的后端。
此外，发电部160还可以包括与发电机161连接的发电机转换器162。发电机转换器162接收发电机161的转速数据或转矩数据中的至少一个来改变电压和频率，并在与控制部180之间进行收发。
另一方面，在传动***125和发电部160可安装多个传感器S。上述传感器S可以是如加速计(accelerometer)那样的加速度传感器S1、温度传感器S2或转速传感器S3（tacho sensor)。
例如，如图1所示，可在轴承箱125c、增速机125a的齿轮位置部位、发电机161的轴承位置部位配置加速度传感器S1，在增速机125a的高速齿轮轴承位置、发电机161的轴承位置配置温度传感器S2，在发电机161的前端配置转速传感器S3。上述传感器S可测定有关各部件的转矩、加速度、应变、温度或角速度等的数据来传送到控制部180。
控制部180控制风力机模型部120、驱动部140或发电部160中的一个以上，关于控制部180，则参照其他附图来进行说明。
图3是示出图1的风力机模拟***100的变形例的示意图。下面，以与上述的实施例的区别点为中心进行说明。此外，对与上述的实施例相同或类似的结构，使用了相同的附图标记。
参照图3，风力机模拟***100可包括：风力机模型部120、驱动部140、发电部160以及控制部180。风力机模型部120可包括：具有模拟桨叶121、轮毂123以及轴承(未标记)的风轮R和传动***125。
尤其，本变形例与上述的实施例的区别点在于，与基架B的上部分离地设置了风轮R，使风轮R具有一定的高度。因此，不需要为了避免模拟桨叶121旋转时的碰撞而在基架B的局部另外设置开口部。另一方面，上述分离高度只要是模拟桨叶122的端部不接触基架B的程度就可以，不限定为特定的高度。风轮R被1个以上的塔(未标记)所支撑而具有上述分离高度，此时，为了使风轮R旋转，可设置用于将旋转轴的旋转力传递到上述轴承的传送带或链条（chain）(未标记)。
在本变形例的风力机模拟***100中，风力机模型部120的传动***125可进一步包括第一减速机125b，驱动部140还可包括第二减速机142。如图3所示，第一减速机125b可配置在传动***125的增速机125a和发电机161之间，第二减速机142可配置在驱动马达141和风轮R之间。第一减速机125b和第二减速机142分别在驱动马达141不能产生模拟桨叶121的运行所需的转矩的情况下和发电机161不能产生所需的转矩的情况下，分别降低驱动马达141和发电机161的转速来提高转矩。
除了上述点之外，本变形例的风力机模拟***100的结构与前面所述的实施例相同，因此省略对其他结构的说明。
图4是示出图1的风力机模拟***100的数据收发的图。
参照图4，风力机模拟***100可包括：风力机模型部120、驱动部140、发电部160以及控制部180。发电部160可包括发电机161和发电机转换器162。此外，控制部180可包括：驱动控制部181、状态监视部183以及发电机控制部185。下面，对各结构的数据收发进行说明。
驱动控制部181对配置在驱动部140的驱动马达141的转矩量或风力机模型部120的模拟桨叶121的桨距角进行控制。为此，驱动控制部181可在与驱动部140之间收发马达转矩数据和马达控制信号TM，可从风力机模型部120接收桨叶桨距数据θP，且发送桨叶桨距控制信号θD。
状态监视部183从风力机模型部120及发电部160接收转矩数据、转速数据、角速度数据、温度数据或应变数据等来进行加工处理。为此，状态监视部183可从安装在风力机模型部120及发电部160的加速度传感器、温度传感器、转速传感器等接收传感器数据DS。
发电机控制部185控制发电机161的生产电力。为此，发电机控制部185可从发电机转换器162收发发电机161的转速数据ΩG或发电机转矩数据TG。另一方面，驱动控制部181、状态监视部183和发电机控制部185可一体化地设计成相互收发上述数据。
本发明的一实施例的风力机模拟***100设计成与实际风力机相似，能够模拟实际风力机的运行条件。为此，风力机模拟***100设计成相对于实际风力机满足下面所示的公式1。
[公式1]
Jaωa 2/Pa＝Jsωs 2/Ps
ωaRa/va＝ωsRs/vs
ωa 3Ra 5＝sωs 3Rs 5
在上述公式1中，J为惯性力矩，w为桨叶转速，P为额定输出，R为桨叶的半径，v为额定风速。另一方面，下标a表示实际风力机，下标s表示风力机模拟***。
与此相关地，图5是示出在图1的风力机模拟***100中的发电机161的转矩曲线生成过程的图。参照图5，风力机模拟***100为了与实际风力机具有相似性，针对实际风力机转矩曲线，可利用下面的公式2生成风轮部的转矩曲线之后，利用上述公式1，生成风力机模拟***100的风轮部的转矩曲线。之后，可利用下面的公式2，将上述风轮部的转矩曲线换算为风力机模拟***100的发电机转矩曲线。
[公式2]
ωR=ωG/Gearbox ratio
TR=TG*Gearbox ratio
在上述公式2，w表示转速，T表示转矩，下标R表示风轮，下标G表示发电机，Gearbox ratio为传动比。
如上所述，本发明的一实施例的风力机模拟***100与实际风力机具有相似性，能够体现实际风力机的运行环境。
下面，对本发明的一实施例的风力机模拟方法进行说明。
图6是本发明的一实施例的风力机模拟方法的控制算法S100。上述控制算法相当于驱动上述的风力机模拟***的算法。
参照图6，首先，接受模拟桨叶的桨距角θpitch以及发电机转速ΩG的输入(S111)。之后，将发电机转速ΩG与额定输出下的转速ΩRated进行比较(S112)。
当发电机转速ΩG小于额定输出下的转速ΩRated时，以平均风速为基准，在风生成器(Wind Generator)中生成模拟风，以根据上述模拟风计算的马达转矩TMotor为基础，控制驱动马达。另一方面，关于上述模拟风，参照其他图来进行说明。
更具体而言，制作所生成的模拟风的风速及风力转矩的查找表来计算气动力转矩(wind speed-Torque查找表)，为了反映由桨叶惯性力矩产生的动态特性，利用风轮惯性传递函数(roter inertia transfer function)来计算反映上述模拟桨叶的动态特性的马达转矩。本发明的一实施例的风力机模拟方法S100，不使用现有技术中的飞轮，而是利用上述风轮惯性传递函数来体现桨叶惯性，从而能够构筑更加简单且低成本的风力机模拟***。
另一方面，由于发电机转速ΩG达不到额定输出转速ΩRated，因此将桨叶的桨距角设定为0(θDemand=0)，以使其受到最大的风。如上所述地设定的桨叶桨距角(θDemand=0)和马达转矩(TMotor)被传送到控制部，从而能够控制驱动马达(S113)。
在发电机转速ΩG为额定输出转速ΩRated以上时，首先，基于发电机转速ΩG计算模拟桨叶的桨距角数据θDemand。这是为了在为额定风速以上时，执行浆距控制来使模拟桨叶较少地受到气动力。计算模拟桨叶的桨距角数据θDemand的方法，可使用发电机转速ΩG及模拟桨叶的桨距角数据θDemand的查找表(ΩG-θDemand查找表)。
接着，以平均风速为基准由风生成器(wind generator)生成模拟风，根据上述模拟风计算气动力转矩(Wind speed-Torque查找表)，并利用风轮惯性传递函数(roter inertia transfer function)反映上述模拟桨叶的动态特性，从而计算基于上述模拟桨叶的惯性力矩的第一马达转矩。
接着，由于上述第一马达转矩是模拟桨叶角度为0°时产生的风轮转矩，因此，对上述第一马达转矩进行数据处理来计算出反映上述模拟风引起的模拟桨叶的桨距角变化的第二马达转矩。计算方法如下：求出第一马达转矩和额定转矩TRated之差△T，根据模拟桨叶角度来模拟气动力转矩的减小，并利用延时，利用当前桨叶桨距角θPitch(t)和前一桨叶桨距角θPitch(t-1)之差△θPitch，来计算出比例因子(scale factor(k))，然后，将上述比例因子值与上述第一马达转矩和额定转矩TRated之差△T相乘之后，与上述额定转矩TRated相加，从而计算出第二马达转矩。另一方面，上述比例因子值是为了反映桨叶转矩相对于桨叶角度变化而非线性地减小而不是线性地减小，能够利用桨叶桨距角之差以及比例因子的查找表来计算出(△θPitch-比例因子查找表)。
能够基于如上所述设定的模拟桨叶的桨距角数据(θDemand)来控制模拟桨叶的桨距角，且能够基于上述第二马达转矩来控制驱动马达(S114)。
图7是图6中的模拟风生成算法。所生成的上述模拟风是时域上作用于模拟桨叶的风，基于图7中图示的算法来生成。在本发明的一实施例的风力机模拟方法中，风生成器(Wind Generator)能够生成三种风。第一种是没有湍流（turbulence）的恒定速度的风，第二种是在IEC61400风力标准中规定的湍流“Kaimal spectrum”以及“Von Karmal spectrum”。第三种是由丹麦可再生研究所(Riso)提出的“Riso Smooth Terrain spectrum”。
为了生成适合上述模型的频谱，可利用以各模型的相位和大小的乘积表现的下述的公式3来生成最终的时域上的风。因此，若设定使用者所希望的风的种类及所需的变量，则能够生成所需的风。
[公式3]
Fori＝1:N
Wind(i)＝(S(i)·df 0.5 ·sin(2π·f(ii)·t+random·2π)
V(t)=Σ(Wind(i))
以上，对本发明的实施例进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不脱离权利要求范围中记载的本发明的思想的范围内，可通过对构成要求进行增加、变更、删除或追加来对本发明进行各种修改和变更，可认为这也包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (12)

1.一种风力机模拟***，用于模拟实际风力机的运行条件，其特征在于，
包括：
风力机模型部，包括风轮和传动***，该风轮包括在表面安装有多个应变传感器的模拟桨叶和用于配置上述模拟桨叶的轮毂，该传动***用于增减上述风轮的转速，并传递动力；
驱动部，包括用于驱动上述风轮的驱动马达；
发电部，包括发电机，该发电机将在上述风力机模型部产生的旋转力变换为电能；以及
控制部，对上述风力机模型部、驱动部或发电部中的一个以上进行控制。
2.根据权利要求1所述的风力机模拟***，其特征在于，
在上述风力机模型部的上述轮毂形成有通风口。
3.根据权利要求1所述的风力机模拟***，其特征在于，
上述风力机模型部的上述传动***包括增速机，该增速机使上述模拟桨叶的转速增加，以使其能够以适合于上述发电部的发电的转速旋转。
4.根据权利要求1所述的风力机模拟***，其特征在于，
上述发电部还包括发电机转换器，该发电机转换器接收上述发电机的转速数据或转矩数据中的至少一个数据的输入，并在与上述控制部之间进行收发。
5.根据权利要求3所述的风力机模拟***，其特征在于，
在上述传动***和上述发电部，安装有多个加速度传感器、温度传感器或转速传感器中的至少一个传感器。
6.根据权利要求3所述的风力机模拟***，其特征在于，
上述传动***还包括配置在上述风轮和上述发电机之间的第一减速机，上述驱动部还包括配置在上述驱动马达和上述风轮之间的第二减速机。
7.根据权利要求5所述的风力机模拟***，其特征在于，
上述控制部包括：
驱动控制部，对上述驱动部的驱动马达的转矩量或上述风力机模型部的上述模拟桨叶的桨距角进行控制；
状态监视部，从上述风力机模型部和上述发电部接收转矩数据、转速数据、角速度数据、温度数据或应变数据来进行加工处理；以及
发电机控制部，在与上述发电机转换器之间收发上述发电机的转速数据或转矩数据中的至少一个数据来控制上述发电机的生产电力。
8.根据权利要求1所述的风力机模拟***，其特征在于，
上述风力机模拟***相对于上述实际风力机，满足下面的公式1，
公式1：
Jaωa 2/Pa＝Jsωs 2/Ps
ωaRa/va＝ωsRs/vs
ωa 3Ra 5＝sωs 3Rs 5
在此，J为惯性力矩，w为桨叶转速，P为额定输出，R为桨叶的半径，v为额定风速，下标a表示实际风力机，下标s表示风力机模拟***。
9.一种风力机模拟方法，用于驱动根据权利要求1～8中任一项所述的风力机模拟***，其特征在于，
包括：
第一步骤，接收模拟桨叶的桨距角及发电机转速，并将上述发电机转速与额定输出下的转速进行比较；
第二步骤，当上述发电机转速小于上述额定输出下的转速时，生成模拟风，并以基于上述模拟风而计算出的马达转矩为基础，控制驱动马达；以及
第三步骤，在上述发电机转速为上述额定输出下的转速以上时，生成模拟风，并根据上述模拟桨叶的桨距角数据和马达转矩，对上述模拟桨叶的桨距角和驱动马达进行控制，其中，上述模拟桨叶的桨距角数据是基于上述发电机转速的桨距角数据，上述马达转矩是基于上述模拟风计算出的马达转矩。
10.根据权利要求9所述的风力机模拟方法，其特征在于，
所生成的上述模拟风是时域上作用于上述模拟桨叶的风。
11.根据权利要求9所述的风力机模拟方法，其特征在于，
上述第二步骤包括：
计算出与上述模拟风相对应的气动力转矩的步骤；
利用风轮惯性传递函数，计算出反映上述模拟桨叶的动态特性的马达转矩的步骤；以及
根据上述马达转矩来控制驱动马达的步骤。
12.根据权利要求9所述的风力机模拟方法，其特征在于，
上述第三步骤包括：
计算出基于上述发电机转速的上述模拟桨叶的桨距角数据的步骤；
计算出与上述模拟风相对应的气动力转矩的步骤；
利用风轮惯性传递函数，计算出反映上述模拟桨叶的动态特性的第一马达转矩的步骤；
对上述第一马达转矩进行数据处理，计算出反映由上述模拟风引起的上述模拟桨叶的桨距角变化的第二马达转矩的步骤；以及
根据上述模拟桨叶的桨距角数据来控制上述模拟桨叶的桨距角，并且根据上述第二马达转矩来控制驱动马达的步骤。
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