风力发电行业的完整测试解决方案

新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。目前我国新能源利用技术已经取得了长足进展，并在各地形成了一定的规模，尤其在风能领域发展非常迅速。近期国家出台了新能源发展规划，风力发电作为重点扶持行业，拥有了更广阔的发展前景。
　　风能领域概述
　　和其他类型的新能源相比，风能的独特优势使其在新能源开发利用中备受青睐。
　　其一，储量大、分布广。我国探明风能理论储量为32.26×109kW，而可开发利用的为2.53×109kW，近海可利用风能7.5×109kW。我国东南沿海和内蒙、新疆、甘肃等东北、西北地区是最大风能资源区。
　　其二，可利用性强，成本相对低。目前风电场造价成本约为8500～9000元/千瓦·时，机组（设备）占70%左右，基础设施占25%，其他占5%。风电场运行维护成本费用很低（约占风电机组成本的3%～5%），建设周期短（半年左右）。一旦建成，风电场就是一源源不断的出钱机器。
　　风力发电的技术核心
　　风力发电系统作为风能发电领域的核心环节，技术进步也是日新月异。目前主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。
　　恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，从而保证发电机端输出电压的频率和幅值恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。
　　变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮，使整个系统在很大的速度范围内按照最高的效率运行，这是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%～150%之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，非常不经济。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大中容量的风力发电系统。
　　采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑结构包括交流励磁控制、转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。
　　1 交流励磁结构
　　交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。
　　2 斩波调阻结构
　　这种结构的基本思想是采用一个可控电力电子开关，以固定载波频率的PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间的长短，从而调节转子电流的幅值，控制滑差约在10%的范围之内。该结构依靠外部控制器给出的电流基准值和电流的测量值计算出转子回路的电阻值，通过电力电子器件的导通和关断来调整转子回路的电阻值。这种电力电子装置的结构相对简单，但是其定子侧功率因数比较低，且只能在发电机的同步转速以上运行，是一种受限制的变速恒频系统。
　　3 混合结构
　　为了降低变流器的成本并且能够实现风力发电系统的宽转速范围运行，有人提出一种基于双馈电机斩波调阻与交流励磁控制策略多功能变流器拓扑结构，将整流器、斩波器和逆变器结合在一起，该结构的巧妙之处在于斩波器和逆变器共用了一组可控的电力电子开关，但是由于引入了四个接触器型的受控开关，导致该结构的主回路结构复杂，很难实现同步速切换过程的过渡，而且在高于同步速运行情况下难以改善发电机的功率因数。
　　综上所述无论采用哪种结构，在研发过程，对变频系统的效率和性能进行准确的评价和测试都至关重要；同样风电场的整体监控也需要精确的测试。
　　风力发电的测试要点
　　工欲善其事，必先利其器。风力发电从电机研发到风电场监控需要成套的高性能测试仪器来实现精确调制和严密监控。
　　1 利用功率计对变频系统的性能作精确的评价
　　风力发电系统变频系统的调制频率带宽高，调制方式复杂，调制的对象也非正弦波形，波形畸变严重，且包含大量的变频成分，要求测量仪表具有宽频带功率测量和谐波分析功能。为此需要选用性能稳定且精度高的功率计作好辅助工作。下文以横河电机的WT3000功率计为例，简要谈谈风电行业的测试。WT3000可以进行IEC61000－4－7最新版谐波分析、IEC61000-4-7最新版的谐波测量及电压波动/闪变测量，带宽0.1Hz～1MHz，采样率 200kSa/s，ADC为16位，功率精度为0.02%，配有4个输入模块，8.4英寸LCD显示，以及USB和Ethernet接口。
　　● 变频后波形的失真
　　波形失真与谐波的关系，如图1所示。

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失真波形的测量需要足够带宽，失真波形包含高频率成分，测量仪器的带宽如果没有延伸到高频段就容易产生误差。如图2所示。

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图2 不同波形需要测量仪器的带宽
　　使用WT3000功率计可同时进行变频系统功率测量和谐波分析，方案如图3所示。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 基于WT3000功率计的测量方案
　　● 变频系统的谐波测量方法（如图4所示）

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　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 变频系统的谐波测量方法
　　使用FFT运算功能将波形由时域转换成频域，测量各频率成分提取叠加信号频率的方法如下。
　　傅里叶级数：所有周期函数均可用三角函数的和来表述。
　　傅里叶积分：将周期设为无穷大，使其能适用于所有函数。
　　傅里叶变换：对波形的时间函数x(t)进行傅里叶积分运算后，即可得出频率函数X(f)。
　　2 利用示波器对变频电路里波形信号作详细分析
　　PWM 调制后，通过功率计可以获得其电特性指标，为研发和检测部门提供准确的参考。如果想要进一步对调制后的波形信号作详细的分析，则需要运用具备Cycle Statistics功能的示波器（下文以横河DLM2000系列示波器）来实现。DLM2000的Cycle Statistics功能，在频率固定/Duty比变化时，或在Duty比固定/频率变化时，均可有效地对周期性变化的参数进行分析，方案如图5所示。

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　　　　　　　　　　　图5 利用DLM2000示波器对变频电路里波形信号作详细分析
　　3 风电场整体监控
　　风力发电系统在安装后，为保证风力发电机的稳定运行，必须分别对以下的信号进行长期的监测和记录，这些数据最后统一进入到监控中心，长期保存。
　　● 风叶的形变。
　　● 发电机的扭矩、转速、震动和浪涌电流。
　　● 大气环境，如：温度、湿度、风力、风速、大气压等参数。
　　● 电功率参数，如：电压、电流、功率、功率参数、频率等。
　　风电场监控有几个特点：①监控的信号复杂多样；②监控环境恶劣：目前国内的风电场，主要分布在东北、内蒙古、新疆等地，冬季的气温很低，对测量仪器提出了很高的要求；③每个风场，都有大量的风机，监控数据总量很大，布线复杂。
　　因此，风电场的监控需要多种测试设备配套工作，同时还要具备一定性能优势以适应风电场的特殊环境。下面以横河电机公司的产品为例，解释一下风电场监控的完整方案。如图6所示。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 风电场监控的完整方案
　　首先，可通过滑动环（集电环）实现风叶监测信号的直接采集，风叶不停转动，对测量仪器的安装和信号采集会造成很大影响，通过集电环，可保证风叶转动时，信号线能够保持不动。
　　然后，利用数据采集器（MW100）进行现场数据采集、监测、记录和传输。MW100的使用环境温度为-40℃～70℃，具有很强的现场适应能力。它可将数据存储在CF卡中，即时网络中断，采集数据也可以得到很好的保存。也可以通过PR300实现相对廉价的高精度功率参数测量和传输。通过功率计WT3000 精确测量发电机的浪涌电流。最后可以利用DAQWORX专业采集软件对全部数据进行统合显示和记录。
　　综上所述，风力发电领域面临着空前的发展机遇，其设备系统研发、性能评估以及电场监控都在朝着越来越精密、越来越复杂的方向发展。为适应这样的机遇和挑战，风电行业对工具层面的测试仪器也提出了更高的要求。以横河电机为代表的全球测试方案供应商，也在积极应对。相信高效便捷的测试产品和解决方案会给整个风电行业提供强劲助力。