风力涡轮测试系统的制作方法

专利名称：风力涡轮测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对风力涡轮系统的至少一部分机舦部件进行测试的风 力涡轮测试系统。
背景技术：
与风力涡轮有关的一般挑战是何时将风力涡,合到弱的市电网。到 弱电网的耦合在某些情况下可能导致市电网与耦合到电网的风力涡轮之间 的例如瞬态、噪音或电压下降或尖峰的传送。
因此，在将风力涡轮系统从工厂运输一一常常是到世界上非常遥远的 地方一一之前测试风力涡轮系统的个体部件是否具有遵守不同电网条件的 能力是必要的。
然而，不足以确保风力涡轮系统的电气部件——例如发电机和电力频 率转换器一一在它们在作为独立单元受到测试时能够管理与风力涡轮运行
过禾呈中可预期的情况对应的仿真电网M。这是因为传动列轴(drive train
交互对风力涡轮系统的性能有着重要影响。
本发明的几个目标之一在于建立一种能够物理地对风力涡轮系统和电 网或风力涡轮系统的部分与电网之间的耦合进行仿真的系统。

发明内容
本发明涉及一种风力涡轮测试系统，其用于对包含发电机系统在内的 风力涡轮的枳i抢部件中的至少一部分进行测试，所述机艙部件被安装在所 述风力涡轮系统的机艙的负栽承载结构上，所述风力涡轮测试系统包含
测试台，其^皮布置为夹持包含所迷机抢部件的所述风力涡轮机艙的所述负载承载结构，
电网仿真系统，其包含 电力转换器系统，以及
仿真控制器，其被布置为电气耦合到所述机抢部件中的至少一个并 适用于基于 电源，以及
由所述仿真控制器建立的至少一个控制信号来提供仿真市电网，以
及
风力仿真系统，其包含
风力涡轮轴旋转装置，其被布置为被耦合到位于所述测试台上的风 力涡轮机舱或风力涡轮机舱的一部分的所述发电机系统或与发电机有 关的系统的旋转部分。
本发明的一个有利的特征在于，在风力结果的输入和电网结果的输入 可结合得到评估的意义上，风力涡轮系统或其至少一部分的特性可在宽广 的物理仿真环境中得到测试，由此，提供了将到电网以及来自电网的反馈 并入理想情况或特定的希望测试情况的独特机会。
才艮据本发明的规定的风力涡轮测试系统对于风力涡轮系统——例如机 舱、发电机、电力频率转换器、桨距控制等一一特别有利，因为这样的系 统必须出于避免由于与来自风力涡轮系统或电网的理想输出之间的偏差而 从电网解耦合的目的而被最优化，故这样的解耦合必须在事实上得到避免， 或者至少通过平滑的解耦合来进行。
尽管风力涡轮系统可包含完整的风力涡轮机抢或仅其部分，发电机必 须被包含在被测试系统中，以便测试风力涡轮系统与仿真电网之间的交互。
在测试设置可以标准化并提供可再现结果的意义上，测试台的使用是 有利的。
电网仿真系统的仿真控制器可以为 一个单元或构成分布式仿真控制器 网络的一部分。在进一步的实施例中，风力涡轮测试系统的电力转换器系 统可由被测试的风力涡轮的电力变换器构成。换句话说，电力变换器可构成外部测试设置的一部分，或者，可通过风力涡轮自身的电力变换器建立， 如果其存在的话。根据进一步的实施例，电网仿真系统的电力转换器系统 可相当主要地借助与受到仿真控制器控制的开通/关断开关一 一例如手动 开关一一结合的简单的电阻器来建立。
风力仿真系统的目的在于如同系统受到风力致动一样地建立起风力涡 轮系统的移动部分的、结果产生的移动。风力仿真系统可涉及任何与风力 仿真有关的参数，例如风速、温度、湍流、旋转系统的结果得到的转矩等 等。
这种风力仿真的复杂程度可以较大或较小，但结果得到的风力仿真至 少在某种程度上涉及真实情况，典型地来说，这一点很重要。
例如，风力仿真系统的轴旋转装置可以为适用于提供如同借助旋转系 统输入到机舱那样的典型风力结果条件的转矩或速度。
轴旋转装置典型地可被机械耦合到发电机系统或与发电机有关的系统 的旋转部分，例如毂或齿轮箱，以便使得与发电机有关的部分如同风力涡 轮系统受到某些风力条件致动那样地旋转。
对于实现不同仿真电网条件的实施方式的实例，本领域技术人员可参
考本发明的详细介绍，特别是图7-12的讨论。电网和风力条件的仿真的其 他实例在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)中公开。
在本发明一优选实施例中，所述测试台#:布置为夹持所述风力涡轮系 统的完整机抢。
当用于在系统被寄送之前对其进行测试时，能够对完整组装的机舱进 行测试是有利的。因此，优选为，为测试和仿真变化的机械、风力和/或电
网情况等等而提供完全的(full-scale)机艙测试台。在这种情况下，完整 机舱或安装在负载承载结构上的其一个或一个以上的部分一一例如发电 机——可在机械上充分地被夹持或固定，以便允许机械能量能够从风力仿在本发明的又一优选实施例中，所述轴旋转装置包含被机械连接到风 力涡轮系统的低速轴的装置。
在齿轮箱被包含在被测试部分中的情况下，为了能够对不同的风力条 件行进仿真，包含用于被连接到低速轴一一其被连接到齿轮箱的输入一一 的装置是有利的。
在本发明的另 一优选实施例中，所述轴旋转装置包含用于被机械连接 到风力涡轮系统的高速轴的装置。
为了能够在齿轮箱不被包含在被测试部分中的情况下对不同的风力条 件进行仿真，包含用于被连接到高速轴一 一其被直接连接到发电机的转 子一 一的装置是有利的。
在本发明一实施例中，所述仿真市电网包含用于被电气耦合到所述机 枪部件的发电机输出变压器的装置。
在某些风力涡轮系统中，发电机与(被仿真的)市电网之间的电气接 口包含代替电力频率转换器或与电力频率转换器结合的简单的变压器。提
供这样的发电机输出变压器，以便将来自发电机的典型地为小于lkV—— 例如690V—一的输出升压到可与后面耦合的转换器或电网兼容的较高的 电压，例如3kV或30kV。因此，本发明的仿真市电网优选地包含用于接 口到这样的发电机输出变压器的装置。
在本发明的优选实施例中，所述仿真市电网包含用于电气耦合到所述 机般部件的电力频率转换器的装置。
某些发电机类型——例如双馈感应发电机(DFIG)和同步多极发电 机一一需要在到市电网的电气耦合中包含某种频率转换。典型地，这种频 率转换通过电力频率转换器来进行。因此，本发明的仿真市电网优选为包 含用于接口到这样的电力频率转换器的装置。应当强调，本发明也涉及例 如同步多M电机的发电机类型一一其中，所有电力在发电机与市电网之 间通过电力频率转换器被传送——以及例如DFIG的发电机类型——其 中，某些电力通过电力频率转换器净皮传送，某些直接在发电机的定子与市电网之间被传送。
在本发明一优选实施例中，所述电力转换器系统^L布置为响应于来自 所述仿真控制器的控制信号来仿真不同的电网条件。
来自仿真控制器的控制信号可对付任何感兴趣的和有关的电网条件，
例如频率中的突变或緩变、极端(extremes)、故障、瞬态等等，由此使 得对现场风力涡轮系统性能进行最优化的有利方式和鲁棒性测试成为可 能。这样的测试也可产生在成本经济性方面的显著改进，因为风力涡轮系 统的不同部分可"在活体内"("in vivo")得到测试。
来自仿真控制器的控制信号可祐:设计为用于任何希望的仿真目的，且 该信号可涉及例如已知与系统的特定部件有关的特定电网情况，由此允许 专用部件的有关测试和最优化，或者，例如，控制器可出于發汪完整的风 力涡轮系统如期望地——例如根据特定电网导则(grid code)——那样运 行的目的来建立电网仿真。
在本发明的进一步的优选实施例中，所述电网条件包含故障条件、弱 电网条件和/或不对称电网条件。
例如，弱电网可以理解为电网的这样的部分其在特定条件下可受到 4皮耦合系统——例如风力涡轮——的影响。
因此，可典型地关于必须将电压等级和波动考虑在内的网络使用术语 "弱电网，，，因为存在有值可能超过标准要求的某种风险。例如，弱电网 可涉及电网被设计为用于小负载的较为遥远或边缘的地方。与风力涡轮系 统联系，弱电网可典型地为这样的系统其中，能被吸收的风能的量受到 电网容量限制，另外，不同M下的电网可从一个连接点到电网耦合的风 力涡轮系统传送噪音或不希望的等级变化。
在本发明的另一优选实施例中，所述电网条件包含电压变化，例如 电压下降、电压突降或电压上升等；短路，例如地与相之间的短路或者两 个或两个以上的相之间的短路；cos(0)变化，例如到电网和/或来自电网 的无功功率的增大或减小等；相的频率变化；电流变化，例如突降或上升 等；个别、某些或所有相的曲线形状变化；以及其任意组合。优选为，电网仿真系统能够仿真风力涡轮系统在运行中可能遇见的基 本上所有不同的电网条件，包括故障和极端在内，因此，风力涡轮系统在 这些条件下的性能能够在风力涡轮系统被运输到其运行现场之前得到全面 的测试。
在本发明的优选实施例中，所述电网条件涉及时变电网条件。 优选为，上面提到的电网条件的范围也包括随时间变化的电网条件。 时变条件或特定曲线形状仿真可与任何上面提到的电网条件结合。 在本发明一实施例中，所述电源由市电网提供。
使用市电网是为风力涡轮测试系统或其一部分供给必需电力的一种方 法。显然，可在本发明的范围内应用任何合适的电源，只要结果得到的仿 真与预期的电网和风力仿真对应。
在本发明 一 实施例中，所述电力转换器系统包含基于开关半导体的转 换器。
实现电力转换器的优选方式包含合适的数量的开关半导体。半导体可 根据传统的转换器技术受到控制或硬件配置。
在本发明 一 实施例中，所述基于半导体的转换器为基于晶闸管的转换器。
例如，半导体可包含晶体管或晶闸管，例如BPT (双极型晶体管)、 IGBT (绝缘栅型双极型晶体管)、MCT (金属氧化物半导体受控晶闸管)、 IGCT (绝缘栅型受控晶闸管)或GTO晶闸管(门电路断开 (Gate-Turn-Off))。当前优选的半导体为GTO晶闸管。
显然，电网仿真系统可基于能够建立所希望的电网条件的任何开关部件。
在本发明 一实施例中，所述电网仿真系统还包含耦合在所述电源与所 述电力转换器系统之间的电网输入变压器。
有利的是，变压器被^殳置为建立电源——其可以为例如30kV的市电 网——与在例如3kV下运行的电网仿真系统的电力转换器之间的兼容性。
在本发明一实施例中，所述电网仿真系统还包含耦合在所述电力转换器系统与所述仿真市电网之间的市电网输出变压器。
在电网仿真系统提供例如30kV的仿真市电网的实施例中，电力转换 器的输出必须从大约2或3kV的电力转换器的典型运行等级被升高。
在本发明一实施例中，所述风力涡轮测试系统还包含机抢应力仿真系 统、风力涡轮系统温度仿真系统和/或风力涡轮系统湿度仿真系统。
有利的是，可建立不同的其他物理条件，以^更提供甚至更宽和更理想 的物理仿真。
在本发明另 一实施形态中，其涉及使用上述风力涡轮测试系统来建立 和评估在物理仿真风力条件下从风力涡轮系统的至少一部分到电网的反馈。
建立和评估来自风力涡轮系统的反馈使得本领域技术人员能够进行测 试以推定在不同的风力条件下风力涡轮系统是否满足给定的一组特定要 求。
在本发明一优选实施例中，上面所介绍的风力涡轮测试系统用于在从 工厂运输所述风力涡轮系统之前建立和评估在物理仿真的风力条件下从给 定的风力涡轮系统的至少一部分到电网的反馈，其中，所述仿真风力M
为了改进仿真，由风力仿真系统仿真的风力条件可与已知在特定场所 存在的关于以下的条件相关联例如风速的突变、阵风、变动的风向、湍 流、伴流影响等。特别地，仿真风力条件可与被测试的特定风力涡轮系统 的运行场所相关联，如果该场所在测试时已知的话。
在本发明又一优选实施例中，上面介绍的风力涡轮测试系统用于在从 工厂运输所述风力涡轮系统之前建立和评估在物理仿真的气候条件下从给 定风力涡轮系统的至少一部分到电网的反馈，其中，所述仿真的气候M 包括与已知在所述给定风力涡轮系统的特定运行场所中存在的气候条件对 应的风力条件、温度条件和/或湿度条件。
仿真可甚至更进一步地改进，如果不仅仿真的风力条件而且其他仿真 的气候条件与关于例如温度和湿度等等的已知在特定场所存在的条件相关联的话。特别地，仿真的气候条件可与被测试的特定风力涡轮系统的运行 场所相关联，如果这样的场所在测试时已知的话。
在本发明的有利的实施例中，上面所介绍的风力涡轮测试系统用于建 立和评估在不同的电网条件下来自给定的风力涡轮系统的至少一部分的反馈。
建立和评估来自风力涡轮系统的反馈使得本领域技术人员能够进行测 试以推定在不同的电网条件下风力涡轮系统是否满足给定的一组特定要 求。
在本发明的进一步的有利的实施例中，上面介绍的风力涡轮测试系统 用于在从工厂运送所述风力涡轮系统之前建立和评估给定的风力涡轮系统
的至少一部分对一组电网导则的适应性(compliance)，其中，所述一组
则
依赖于给定的风力涡轮系统的运行场所，通常需要遵从一组电网导则，
条件的响应和反应的多个要求。
风力涡轮系统可根据不同的电网导则在仿真的"在活体内的，，情况 下一一优选为关于风力和电网条件二者一一得到分析、测试或验证。仿真 控制器可在与特定分析有关的环境中对任何有关电网导则进行仿真。通过 这种方式，风力涡轮系统或风力涡轮系统的一部分可得到测试，以便4Hi 风力涡轮遵照特定的电网导则反应。特别地，风力涡轮系统对在特定风力 涡轮系统的运行场所应用的 一组电网导则的遵从性能够得到测试，如果这 样的场所在测试时已知的话。
在本发明的又一有利实施例中，如上所述的风力涡轮测试系统用于建 立和评估给定风力涡轮系统的至少 一部分对一組电网导则的遵从性，该组 电网导则包括风力涡轮系统对不同电网条件或其组合的响应的要求，不同 的电网条件包括电压变化，例如电压下降、电压突降或电压上升；短路， 例如地与相之间的短路或者两个或两个以上的相之间的短路；cos (0)变化，例如到电网和/或来自电网的无功功率的增大或减小；相的频率变化； 电流变化，例如突降或上升；个别、某些或全部相的曲线形状变化。
优选为，关于其进行风力涡轮系统遵从性测试的该组电网导则应当包 括风力涡轮系统在运行中可能遇上的基本上所有不同的电网导则，这些电 网导则覆盖了包括故障和极端在内的电网^ff ，故风力涡轮系统对所有有 关电网导则的遵从性能够在风力涡轮系统被运送到其运行场所之前得到全 面的测试。
在本发明又一实施形态中，其涉及借助风力涡轮测试系统对风力涡轮 系统的机艙部件的至少一部分在被安装到所述风力涡轮系统的机舱的负载 承载结构时进行测试的方法，该方法包含以下步骤
将所述才几抢部件安装到风力涡轮机艙的负栽承载结构上， 将所述负载承载结构放在所述风力涡轮测试系统的测试台上， 将所述风力涡轮测试系统的风力仿真系统的轴旋转装置耦合到所述风 力涡轮机舱的发电机系统或与发电机有关的系统的旋转部分，
气机艙部件，
借助仿真不同的风力条件的所述风力仿真系统，旋转发电机系统的所 述i走转部分，
借助所述电网仿真系统，使所述机舱部件暴露于不同的仿真电网条件，
以及
在不同的同时仿真得到的风力和电网条件下，建立和评估来自所述机 抢部件的反馈。
执行上述方法的步骤使得本领域技术人员能够进行测试，以便以可靠 和可再现的方式推定在不同的风力和电网条件下风力涡轮系统是否满足给 定的一組特定要求。
在本发明的优选实施例中，其涉及借助风力涡轮测试系统对风力涡轮 系统的机舱部件的至少一部分在其被安装在所述风力涡轮系统的机舱的负 载承载结构上时进行测试的方法，该方法包含以下步骤将所述机枪部件安装在风力涡轮机舱中，
将所述风力涡轮机舱放在所述风力涡轮测试系统的测试台上， 将所述风力涡轮测试系统的风力仿真系统的轴旋转装置耦合到所述风 力涡轮机舱的发电机系统或发电才4关的系统的旋转部分，
气才几舱部件，
借助对不同风力条件进行仿真的所述风力仿真系统，旋转发电机系统 的所述旋转部分，
借助所述电网仿真系统，使所述机舱部件暴露于不同的仿真电网条件，
以及
在不同的同时仿真得到的风力与电网条件下，建立和评估来自所迷机 枪部件的反馈。
有利的是，完整组装的机舱可械J改在测试台上，且机舱的所有部件可 通过遵循上述方法的步骤同时得到测试。
在本发明的又一优选实施例中，其涉及一种如上所述的进行测试的方 法，其中，所述风力涡轮测试系统包含根据本发明的风力涡轮测试系统。
将如上所述的风力涡轮测试系统用于如上所述方法中介绍的测试是有 利的，因为风力涡轮测试系统正是为这种目的设计的。
在本发明的进一步的优选实施例中，其涉及如上所述的测试方法，其 中，所述仿真电网条件包括市电网的故障条件。
为了使得测试根据上面介绍的方法尽可能完整地进行，应当包括风力
涡轮系统在运行过程中预期遇到的基本上所有的电网


现在将参照附图介绍本发明的某些实施例，其中
图l示出了从前面看的、现有技术中已知的大型现代风力涡轮；
图2示出了从侧面看的、现有技术中已知的简化机枪的实施例的截面图3示出了根据本发明一实施例的用于机艙的测试台；
图4示出了根据本发明一实施例的用于发电机的测试台；
图5示出了原理性地示出的电网仿真系统测试设置；
图6示出了根据本发明一实施例应用的电力转换器的主要输出；
图7示出了在所有相上直到标称电压的60%的电压下降的电网仿真；
图8示出了三相短路和到标称电压的大约35%的电压下降的电网仿
真；
图9示出了电压等级100%、 0。/50%、 180750%、 180。的两相故障的 电网仿真；以及
图10示出了直到标称电压的大约20%的电压下降的电网仿真。
具体实施例方式
图1示出了现代风力涡轮1，其包含^^文在基座上的塔架2以及被定 位在塔架2的顶部的风力涡轮机舱3。包含三个风力涡轮叶片5的风力涡 轮转子4通过伸出机艙3的前侧的低速轴被连接到机抢3。
图2示出了从侧面看的机抢3的简化的截面图。机抢3存在大量变化 和构造，但在大多数情况下，机艙3中的传动列14包含下列部件中的一个 或一个以上齿轮6、耦合(未示出)、某些类型的制动系统7、发电机8。 现代风力涡轮l的机艙3还可包含电力频率转换器9(也称为变换器)和 其他的外围设备，例如进一步的电力处理设备、控制柜、液压系统、冷却 系统等等。
包含机艙部件6、 7、 8、 9的整个机艙3的重量由负载承载结构10承 载。部件6、 7、 8、 9通常被放在此共用的负载承载结构10上和/或连接到 此共用的负载承载结构10。在此简化实施例中，负载承载结构10仅仅沿 着机艙3的底部延伸，例如采用部件6、 7、 8、 9中的一些或全部被连接到 的基架的形式。在另一实施例中，负载承载结构10可包含齿轮钟状物(gear bell) 11，其将转子4的负载传送到塔架2，或者，负载承载结构10可包 含例如格子(latticework)等几个互联的部分。在本发明此实施例中，传动系14以关于与通过塔架2的中心轴垂直的 平面8。的通常运行角度NA建立。
图3示出了从侧面看的构成对风力涡轮机枪3进行测试的风力涡轮测 试系统的一部分的测试台12的部分截面图。显然，所示出的测试台12仅 仅构成在本发明的范围内这种测试设置的几种不同的可能构造中的 一种。
在本发明此实施例中，测试台12包含驱动装置13，其采用电动机15 和齿轮16——制动系统17和活动耦合18位于其之间——的形式。
测试台齿轮16的输出轴被连接到测试台12的活动耦合18，其被连接 到将在下面根据对图4的介绍更为全面地介绍的采用径向负载装置20的形 式的、测试台12的负载施加装置。
包含轴适配器24的径向负载装置20被连接到机舱3的输入轴21，其 在这种情况下为经由制动系统7和耦合(未示出)被连接到机抢3内的发 电机8的风力涡轮齿轮6的输入轴21。在此实施例中，机抢3还包含电力 频率转换器9。电力频率转换器包含到电网仿真系统92的电气接口 91。基 本上，风力涡轮机艙3可通过任何合适的电力传送系统一一其包含用于特 定应用的相关部件——被接口到电网。例如，这样的部件可包含一个或一 个以上的变压器、频率转换器、整流器、电力緩沖器、电力电缆等的组合。
在此实施例中，风力涡轮设备——其采用通过机抢3内的齿轮箱6的 高速输出轴27彼此连接的传动系部件6、 7、 8的形式一一被定位为关于水 平平面为6。的角度A，其中，机艙3的塔架连接法兰23被刚性连接到测试 台12的基本上为水平的连接法兰。由于机艙3在现实中可在风力涡轮塔架 2的顶部被连接到基本水平的连接法兰，此角度A对应于当定位在一般的 运行风力塔架l中时这些特定传动系部件的角度NA。
在本发明另一实施例中，测试台12的连接法兰可关于水平平面成角 度，或者，整个测试台12可成角度，或者包含用于控制测试台12和/或被 测试设备22的角度的装置。
在本发明另一实施例中，测试台12的连接法兰也可包含用于向设备提 供负载的装置19，以^f更增大测试的效率和/或真实性。例如，这样的负载施加装置19可以向风力涡轮1的偏航机构(yaw mechanism )(未示出)、 输入轴21或机艙3的负载承载结构10施加负载，或者，其可以以任何其 他的方式向被测试的设备22施加负载。
在本发明此实施例中，径向负载装置20至少主要为向被测试设备22 的输入轴21施加直接负栽的测试台12的唯一的负载施加装置19。然而， 在另一实施例中，测试台12可还包含负载施加装置19，以便以任何灵活 的方向——例如轴向地、对角地或从变化的方向——向设备22的输入轴 21或设备22的4壬何其他部分施加负载。
在本发明的优选实施例中，机抢3中的发电机8被连接到电网仿真系 统92，使得发电机8在测试过程中间接作为测试台12的负载施加装置19 运行，其中，可以对不同的电网情况进行仿真，例如极端过负载情况、故 障情况、短路、不对称相幅值和角或其他的独立或协同电网情况。由此， 电网的不同情况将通过发电机8间接在被测试的设备22上施加不同的负载 情况。
在另 一实施例中，发电机8可以以与在运行的风力涡轮中相同的方式 简单地连接到市电网。
在本发明此实施例中，测试台12包含噪音减小装置28，其采用这样 的声音吸收盒28的形式其基本上封闭测试台12的驱动装置13，由此， 使得特别是驱动装置13所产生的噪音被盒28吸收，由此减小来自测试台 12的噪音排访文。
在另一实施例中，整个测试台12可由声音吸收盒28封闭，或者，测 试台12的产生噪音的个体部分可单独配备有噪音减小装置28。在此实施 例中，噪音减小装置28是净皮动性的，然而，在其他实施例中，装置28可 以是主动性的，例如通过提供反相的噪音或以其他的方式。
在本发明此实施例中，测试台12还包含气候控制装置29,其采用气 候盒29的形式，基本上封闭风力涡轮设备22或在测试台12上被测试的设 备22的至少一部分。
在此实施例中，气候盒29使得盒29内的温度能在测试设备22非活动且不运行时自由地在-45。C与55。C之间得到调节和控制，以及在被测试设备 22运行过程中自由地在-40"C与90。C之间得到调节和控制。这些温度范围 在本发明的当前实施例中足够提供对于被测试设备22的高效和/或真实环 境，但是在另一实施例中，测试台12可包含用于将设备22的周围温度控 制在不同范围内的装置，气候控制装置29还可包含用于控制湿度和/或气 压等其他气候参数的装置。
图4示出了根据本发明另一实施例的风力涡轮测试系统的变型。在此 实施例中，风力涡轮测试系统被耦合到风力涡轮系统的仅仅一部分，即透 视图中可以看到的风力涡轮发电机48。
在此实施例中，当风力涡轮发电机48被提升到台42上并被刚性连接 到台42时，测试台42处于基本上水平的位置。
包含电动机的风力仿真系统45受到驱动，以便建立希望的物理条件。 风力仿真系统45借助机械耦合49将旋转传送到发电机48，完整的测试台 42可被倾斜，以便物理地对其他希望的条件进行仿真。
风力涡轮测试系统还包含到电网仿真系统(未示出)的电气接口 191， 使得发电机到仿真电网的耦合成为可能。
图5示出了才艮据本发明范围内的几个实施例之一的风力涡轮测试系统 的原理示出的电气图。
所示出的实施例包含经由风力涡轮系统74互相耦合的电网仿真系统 59和风力仿真系统69。在本实施例中，风力涡轮系统包含机舱72或机舱 部分。
电网仿真系统59和风力仿真系统69均,皮耦合到电源，例如市电网 500。显然，仿真系统可由两个不同的电源供电。
电网仿真系统59包含受到仿真控制器51控制的电力转换器50。仿真 控制器51对电力转换器50进行控制，以便在电网仿真系统59的输出上建 立预期的电网仿真。电力转换器50经由变压器54和开关56被耦合到市电 网500,且其进一步经由变压器55、开关57、电气接口 58净皮耦合到风力 涡轮系统74。例如，所示出的电力转换器50可包含ALSPA VDM 7000中压变换器， 所示出的开关56、 57可包含例如30kV/50Hz开关，变压器54可包含例如 三相13MVA 30kV/3.1kV变压器，变压器55可包含例如三相13MVA 3.1kV/30kV变压器。
所示出的风力涡轮系统74包含机抢72，机舱72包含连接到机抢72 的发电机78的机械传动装置62，例如齿轮箱。例如，依赖于被测试的风 力涡轮系统74的类型，经由例如电力频率转换器或简单的变压器等发电机 输出变压器75，发电机可被电气耦合到电气接口 58。耦合必须与风力仿真 系统59的有效输出一一这里为变压器55的输出一一匹配。在图5的实施 例中，发电机输出变压器75被示为简单的变压器，而在图2与3的实施例 中被示为电力频率转换器9。
因此，电网仿真系统59可被建立为提供电网仿真输出，其可直接被馈 送到包含电力转换器9的风力涡轮系统74，或仅包含发电机输出变压器75 的风力涡轮系统74，如当前实施例中所示。所示出的发电机输出变压器75 将例如大约6卯V的机艙72的发电机78的输出变换为30kV。
风力仿真系统69基本上被建立为用于在机舱72的机械输入上提供对 应于特定风力条件的情况。风力仿真系统69包含连接到电动机61并由此 对之进行控制的频率转换器60。经由提供慢的高转矩旋转的齿轮63,电动 机61被机械且可旋转地耦合到机:枪72。
频率转换器60在这里经由变压器64和开关66被耦合到市电网500。 变压器64可包含例如13MVA 30kV/3.1kV变压器。
所示出的频率转换器60可包含例如ALSPA VDM 7000中压变换器。
参照图3和4，风力涡轮测试系统的电网仿真系统59和风力仿真系统 69可优选为作为图3和4所示测试台12、 42的一部分，其中，主要部分 包含电动机61，其可对应于图3的电动机15或图4的电动机45;齿轮 63，其可对应于图3的齿轮16。在图3的小M^莫测试台——其中，例如发 电机8受到与机艙部件的其余部分分开的测试一一中，不需要齿轮6，电 动机和齿轮是兼容的。另外，在一实施例中，电网仿真系统59和电气接口58可对应于图3的电网仿真系统92和电气接口 91。
所示出的实施例促进了机艙72在覆盖电网和风力测试的、宽广的同时 物理仿真中的测试。显然，进一步的参数可包含在测试设置中，例如风力 涡轮系统的个体部件的温度、湿度、机械应力、倾斜等或其全部或大部分 的组合。
取决于仿真的目的，所示出的测试"^殳置的控制可用几种不同的方式建 立，且测试结果可用不同的测试方法在风力涡轮测试系统的不同测量点上 进4亍测量。
应当注意，在具有或不具有相关联的变换电路一一例如用于建立对电 压下降进行仿真的分压电路的开关和/或电阻器或其他负载的布置等 等一一的情况下，所示出的风力仿真系统也可包含更为简单或原始的接触 系统。这样的仿真系统可典型地适用于测试非常特别、典型地仅仅为几种 的电网条件。
电力转换器可为自动换向转换器以及外部控制转换器。在本发明的优 选实施例中，转换器电路为晶闸管转换器电路，其将电力从AC转换为DC 并再次转换为AC，给出对多个参数进行控制的有利可能。在本发明另一 实施例中，转换器系统也可以为直接AC转换器或具有本领域技术人员已 知的转换器功能的其他类型的转换器或单元。转换器可进一步为手动提供 时钟的、自时钟的、电网提供时钟的、负载提供时钟的、机器提供时钟的 等等。通过对转换器电路进行控制，可以控制多个参数，给出对多个不同 方案进行仿真的可能性，例如电网故障、电网变化、不同的电网导则、风 力涡轮机的变化等等。
关于电网导则、电网稳定性等的仿真是用于对风力涡轮参数进行最优 化的强大工具。可以使用电力转换器来仿真电网上不同类型的电压下降或 上升、地与相之间的短路、两相之间的短路、三相之间的短路、无功补偿、 频率变化、不同的相角、不同的幅值曲线形状以及其他不同的相关仿真。 另外，可以仿真和识别关于不同方案的不同时间周期。
通过放置不同的传感器，例如加速度计、热传感器、声传感器、热摄影机、电压与电流传感器以及本领域技术人员已知的多种不同的其他相关 传感器，可以监一见上述仿真在风力涡轮上的影响。
图6示出了例如电力转换器50的电力转换器的示例性输出。所示出的 转换器一一ALSPAVDM 7000中压变换器一一为多级转换器，例如三级中 性点钳位转换器，由此，当耦合到电动机或变压器时，传送具有相对较低 的谐波失真的输出。所示出的输出示出了作为时间的函数的相到相的电压。
图7示出了在18MVA/18MVA安装变换器电力的配置的情况下在所有 相上到标称电压的60%的电压下降的电网仿真。两个状态的电力值分别指 的是电力频率转换器的两侧。
Vu[kV表示以kV为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电压。
iu[A表示以安培为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电流。
Vabs[pU]和iabs[pU]分别表示每单位的合成绝对电压和合成绝对电流，即
值l表示电网仿真系统的相的100%的标称电压或电流。
在这种仿真中，测试周期在大约0.06秒时开始，可以看到，系统的电
压等级在大约2.3秒后稳定。
图8示出了在18MVA/27MVA安装变换器电力的配置的情况下三相短
路以及到标称电压的大约35%的电压下降的电网仿真。
Vu[kV表示以kV为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电压。 L[A表示以安培为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电流。
V由[PU和iabjpul分别表示每单位的合成绝对电压和合成绝对电流，即
值l表示电网仿真系统的相的100%的标称电压或电流。
在这种仿真中，测试周期在大约0.06秒时开始，可以看到，系统的电
压等级在大约2.6秒后稳定。
图9示出了在18MVA/27MVA安装变换器电力的配置的情况下具有电
压等级100%、 0。 /50%、 180。 /50%、 180°的两相短路故障的电网仿真。
两个故障相作为工作相的电流的返回路径。
Vu[kV表示以kV为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电压。 i。[A]表示以安培为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电流。V由[PU1和iabs[pU]分别表示每单位的合成绝对电压和合成绝对电流，即 值l表示电网仿真系统的相的100%的标称电压或电流。
在这种仿真中，测试周期在大约0.06秒时开始，可以看到，系统的电
压等级在大约2.8秒后稳定。
图10示出了在18MVA/36MVA安装变换器电力的配置的情况下直到
标称电压的20%的电压下降的电网仿真。
vu[kV表示以kV为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电压。 iu[A表示以安培为单位测量的电网仿真系统的输出的不同相的电流。 Vabs[pu和i由[pu分别表示每单位的合成绝对电压和合成绝对电流，即
值l表示电网仿真系统的相的100。/。的标称电压或电流。
在这种仿真中，测试周期在大约0.06秒时开始，可以看到，系统的电
压等级在大约2.8秒后稳定。
权利要求
1. 一种风力涡轮测试系统，其用于对包含发电机系统(8，48，78)的风力涡轮系统(74)的机舱部件(6，7，8，9，22)的至少一部分进行测试，所述机舱部件(6，7，8，9，22)被安装在所述风力涡轮系统(74)的机舱(3，72)的负载承载结构(10)上，所述风力涡轮测试系统包含测试台(12，42)，其被布置为夹持包含所述机舱部件(6，7，8，9，22)的所述风力涡轮机舱(3，72)的所述负载承载结构(10)，电网仿真系统(59，92)，其包含电力转换器系统(50)，以及仿真控制器(51)，其被布置为电气耦合到所述机舱部件(6，7，8，9，22)的至少一个并适用于基于电源(500)，以及由所述仿真控制器(51)建立的至少一个控制信号，提供仿真市电网(58)，以及风力仿真系统(45，69)，其包含风力涡轮轴旋转装置(61)，其被布置为被耦合到位于所述测试台(12，42)上的风力涡轮机舱(3，72)或风力涡轮机舱(3，72)的一部分的所述发电机系统(8，48，78)或与发电机有关的系统的旋转部分。
2. 根据权利要求l的风力涡轮测试系统，其中，所述测试台(12， 42) 被布置为夹持所述风力涡轮系统(74)的完整机抢(3， 72)。
3. 根据权利要求1或2的风力涡轮测试系统，其中，所述轴旋转装置 (61)包含用于被才/U械连接到风力涡轮系统(74)的低速轴的装置。
4. 根据权利要求l-3中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述轴 旋转装置(61)包含用于被机械连接到风力涡轮系统(74)的高速轴的装 置。
5. 根据权利要求1-4中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述仿真市电网(58)包含用于被电气耦合到所述机艙部件(6， 7， 8， 9， 22) 的发电机输出变压器(75)的装置。
6. 根据权利要求l-5中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述仿 真市电网(58)包含用于被电气耦合到所述机抢部件(6， 7， 8， 9， 22) 的电力频率转换器(9)的装置。
7. 根据权利要求l-6中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述电 力转换器系统(50)被布置为响应于来自所述仿真控制器(51)的控制信 号对不同的电网IH^进行仿真。
8. 根据权利要求7的风力涡轮测试系统，其中，所述电网条件包含故 障条件、弱电网条件和/或不对称电网条件。
9. 根据权利要求7或8的风力涡轮测试系统，其中，所述电网^包 括电压变化，例如电压下降、电压突降或电压上升等；短路，例如地与 相之间的短路或者两个或两个以上的相之间的短路等；cos(cj))变化，例如 到电网和/或来自电网的无功功率的增大或减小等；相的频率变化；电流变 化，例如突降或上升等；个别、某些或全部相的曲线形状变化；以及其任 意组合。
10. 根据权利要求7-9中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述电 网条件包含时变电网条件。
11. 根据权利要求1-10中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述 电源(500)由市电网提供。
12. 根据权利要求l-ll中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述 电力转换器系统(50)包含基于开关半导体的转换器。
13. 根据权利要求13的风力涡轮测试系统，其中，所述基于半导体的 转换器为基于晶闸管的转换器。
14. 根据权利要求1-13中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述 电网仿真系统(59, 92)还包含电网输入变压器(54)，其被耦合在所述 电源(500)和所迷电力转换器系统(50)之间。
15. 根据权利要求1-14中任意一项的风力涡轮测试系统，其中，所述电网仿真系统(59, 92)还包含电网输出变压器(55)，其被耦合在所述 电力转换器系统(50)与所述仿真市电网(58)之间。
16. 根据权利要求1-15中任意一项的风力涡轮测试系统，其还包含机 艙应力仿真系统、风力涡轮系统温度仿真系统和/或风力涡轮系统湿度仿真 系统。
17. 根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮测试系统在建立和评估 在物理仿真的风力条件下从风力涡轮系统(74)的至少一部分到电网的反 馈中的应用。
18. 根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮测试系统在从工厂运输 所述风力涡轮系统(74)之前建立和评估在物理仿真的风力条件下从给定 风力涡轮系统(74)的至少一部分到电网的反馈中的应用，其中，所述仿 真风力条件对应于已知在所述给定风力涡轮系统(74)的特定运行场所中 存在的风力条件。
19. 根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮测试系统在从工厂运输 所述风力涡轮系统(74)之前建立和评估在物理仿真的气候条件下从给定 风力涡轮系统(74)的至少一部分到电网的反馈中的应用，其中，所述仿 真气候条件包含与已知在所述给定风力涡轮系统(74)的特定运行场所中 存在的气候条件对应的风力条件、温度条件和/或湿度条件。
20，根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮测试系统在建立和评估 在不同的电网条件下来自给定风力涡轮系统(74)的至少一部分的反馈中 的应用。
21. 根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮测试系统在从工厂运送 所述风力涡轮系统(74)之前建立和评估给定风力涡轮系统(74)的至少 一部分对一組电网导则的适应性的应用，其中，所述一组电网导则对应于 在所述给定风力涡轮系统(74)的特定运行场所应用的电网导则。
22. 根据权利要求21的应用，其中，所述一组电网导则包含风力涡轮 系统(74)对不同的电网条件的响应的要求，电网条件包括电压变化， 例如电压下降、电压突降或电压上升等；短路，例如地与相之间的短路或者两个或两个以上的相之间的短路等；cos(cl))变化，例如到电网和/或来自 电网的无功功率的增大或减小等；相的频率变化；电流变化，例如突降或 上升等；个别、某些或全部相的曲线形状变化；或者其组合。
23. —种借助风力涡轮测试系统对风力涡轮系统(74)的机抢部件(6， 7, 8, 9， 22)的至少一部分在被安装到所述风力涡轮系统(74)的机舱(3， 72)的负载承载结构(10)时进行测试的方法，该方法包含以下步骤将所述才几抢部件(6， 7, 8， 9， 22)安装到风力涡轮"机抢(3， 72 )的 负载承栽结构(10)上，将所述负载承载结构(10 )放在所述风力涡轮测试系统的测试台(12, 42)上，将所述风力涡轮测试系统的风力仿真系统(45 ， 69)的轴旋转装置(61) 耦合到所述风力涡轮机抢(3， 72)的发电机系统(8， 78)或与发电枳省 关的系统的旋转部分，将所述风力涡轮测试系统的电网仿真系统(59， 92 )的仿真市电网(58 ) 电气耦合到电气机抢部件(8， 9， 22)，借助仿真不同的风力条件的所述风力仿真系统(45， 69)，旋转发电 机系统(8， 78)的所述旋转部分，借助所述电网仿真系统(59, 92),使所述才几舱部件(6， 7， 8, 9， 22)暴露于不同的仿真电网条件，以及在不同的同时仿真得到的风力和电网条件下，建立和评估来自所述机 枪部件(6， 7， 8， 9， 22)的反馈。
24. —种借助风力涡轮测试系统对风力涡轮系统(74 )的机抢部件(6， 7， 8, 9， 22)的至少一部分在被安装到所述风力涡轮系统(74)的机舱(3， 72)的负栽承载结构(10)时进行测试的方法，该方法包含以下步骤将所述机抢部件(6， 7， 8， 9, 22)安装在风力涡轮机艙(3， 72)中， 将所述风力涡轮机嫩3， 72 )放在所述风力涡轮测试系统的测试台(12， 42)上，将所述风力涡轮测试系统的风力仿真系统(45， 69 )的轴旋转装置(61)耦合到所述风力涡轮机抢(3， 72)的发电机系统(8， 78)或与发电M关的系统的旋转部分，将所述风力涡轮测试系统的电网仿真系统(59 ， 92 )的仿真市电网(58 )电气耦合到电气机枪部件(8， 9， 22)，借助对不同风力条件进行仿真的所述风力仿真系统(45， 69)，旋转发电机系统(8， 78)的所述旋转部分，借助所述电网仿真系统(59， 92)，使所述机抢部件(6, 7， 8， 9，22)暴露于不同的仿真电网条件，以及在不同的同时仿真得到的风力与电网条件下，建立和评估来自所述机抢部件(6， 7， 8， 9， 22)的反馈。
25. 根 据权利要求23或24的方法，其中，所述风力涡轮测试系统包含才艮据权利要求1-17中任意一项的风力涡轮测试系统。
26. 根据权利要求23-25中任意一项的方法，其中，所述仿真电网^Ht包括市电网的故障条件。
全文摘要
公开了一种风力涡轮测试系统，其用于对风力涡轮的机舱部件的至少一部分在被安装在机舱的负载承载结构上时进行测试，风力涡轮测试系统包含测试台，其被布置为夹持包含所述机舱部件的所述负载承载结构；电网仿真系统，其包含电力转换器系统以及仿真控制器，仿真控制器被布置为电气耦合到所述机舱部件的至少一个并适用于基于电源以及由所述仿真控制器建立的至少一个控制信号来提供仿真市电网；风力仿真系统，其包含风力涡轮轴旋转装置，风力涡轮轴旋转装置被布置为被耦合到位于所述测试台上的机舱或机舱的一部分的所述发电机系统或与发电机有关的系统的旋转部分。
文档编号F03D11/00GK101484696SQ200780025071
公开日2009年7月15日 申请日期2007年7月3日 优先权日2006年7月3日
发明者J·B·詹森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司