風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的完整測(cè)試解決方案

新能源又稱非常規(guī)能源，是指?jìng)鹘y(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(guó)新能源利用技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)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(guó)家出臺(tái)了新能源發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)力發(fā)電作為重點(diǎn)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)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在新能源開發(fā)利用中備受青睞。
其一，儲(chǔ)量大、分布廣。我國(guó)探明風(fēng)能理論儲(chǔ)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(guó)東南沿海和內(nèi)蒙、新疆、甘肅等東北、西北地區(qū)是最大風(fēng)能資源區(qū)。

其二，可利用性強(qiáng)，成本相對(duì)低。目前風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)成本約為8500～9000元/千瓦·時(shí)，機(jī)組（設(shè)備）占70%左右，基礎(chǔ)設(shè)施占25%，其他占5%。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本費(fèi)用很低（約占風(fēng)電機(jī)組成本的3%～5%），建設(shè)周期短（半年左右）。一旦建成，風(fēng)電場(chǎng)就是一源源不斷的出錢機(jī)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(jìn)步也是日新月異。目前主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)或者鼠籠式異步電機(jī)，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，從而保證發(fā)電機(jī)端輸出電壓的頻率和幅值恒定，其運(yùn)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(jī)或者雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過變槳距控制風(fēng)輪，使整個(gè)系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最高的效率運(yùn)行，這是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于風(fēng)機(jī)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(jī)系統(tǒng)或者永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，非常不經(jīng)濟(jì)。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(dòng)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(jī)作為發(fā)電機(jī)并對(duì)其轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一。主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流勵(lì)磁控制、轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來的混合結(jié)構(gòu)。

　
1 交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)
交流勵(lì)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(jìn)行勵(lì)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(gè)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(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時(shí)間的長(zhǎng)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(cè)量值計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單，但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)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(yùn)行，有人提出一種基于雙饋電機(jī)斬波調(diào)阻與交流勵(lì)磁控制策略多功能變流器拓?fù)浣Y(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(gè)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(shí)現(xiàn)同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運(yùn)行情況下難以改善發(fā)電機(jī)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(duì)變頻系統(tǒng)的效率和性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和測(cè)試都至關(guān)重要；同樣風(fēng)電場(chǎng)的整體監(jiān)控也需要精確的測(cè)試。

風(fēng)力發(fā)電的測(cè)試要點(diǎn)
工欲善其事，必先利其器。風(fēng)力發(fā)電從電機(jī)研發(fā)到風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控需要成套的高性能測(cè)試儀器來實(shí)現(xiàn)精確調(diào)制和嚴(yán)密監(jiān)控。

1 利用功率計(jì)對(duì)變頻系統(tǒng)的性能作精確的評(píng)價(jià)
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(duì)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(cè)量?jī)x表具有寬頻帶功率測(cè)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(jì)作好輔助工作。下文以橫河電機(jī)的WT3000功率計(jì)為例，簡(jiǎn)要談?wù)勶L(fēng)電行業(yè)的測(cè)試。WT3000可以進(jìn)行IEC61000－4－7最新版諧波分析、IEC61000-4-7最新版的諧波測(cè)量及電壓波動(dòng)/閃變測(cè)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(gè)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(cè)量需要足夠帶寬，失真波形包含高頻率成分，測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x器的帶寬

使用WT3000功率計(jì)可同時(shí)進(jìn)行變頻系統(tǒng)功率測(cè)量和諧波分析，方案如圖3所示。

圖3 基于WT3000功率計(jì)的測(cè)量方案

● 變頻系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法（如圖4所示）

圖4 變頻系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法

使用FFT運(yùn)算功能將波形由時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，測(cè)量各頻率成分提取疊加信號(hào)頻率的方法如下。

 
傅里葉級(jí)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(duì)波形的時(shí)間函數(shù)x(t)進(jìn)行傅里葉積分運(yùn)算后，即可得出頻率函數(shù)X(f)。

2 利用示波器對(duì)變頻電路里波形信號(hào)作詳細(xì)分析
PWM調(diào)制后，通過功率計(jì)可以獲得其電特性指標(biāo)，為研發(fā)和檢測(cè)部門提供準(zhǔn)確的參考。如果想要進(jìn)一步對(duì)調(diào)制后的波形信號(hào)作詳細(xì)的分析，則需要運(yùn)用具備Cycle Statistics功能的示波器（下文以橫河DLM2000系列示波器）來實(shí)現(xiàn)。DLM2000的Cycle Statistics功能，在頻率固定/Duty比變化時(shí)，或在Duty比固定/頻率變化時(shí)，均可有效地對(duì)周期性變化的參數(shù)進(jìn)行分析，方案如圖5所示。

圖5 利用DLM2000示波器對(duì)變頻電路里波形信號(hào)作詳細(xì)分析

3 風(fēng)電場(chǎng)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(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須分別對(duì)以下的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和記錄，這些數(shù)據(jù)最后統(tǒng)一進(jìn)入到監(jiān)控中心，長(zhǎng)期保存。

● 風(fēng)葉的形變。
● 發(fā)電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、震動(dòng)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(chǎng)監(jiān)控有幾個(gè)特點(diǎn)：①監(jiān)控的信號(hào)復(fù)雜多樣；②監(jiān)控環(huán)境惡劣：目前國(guó)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)，主要分布在東北、內(nèi)蒙古、新疆等地，冬季的氣溫很低，對(duì)測(cè)量?jī)x器提出了很高的要求；③每個(gè)風(fēng)場(chǎng)，都有大量的風(fēng)機(jī)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)總量很大，布線復(fù)雜。

因此，風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控需要多種測(cè)試設(shè)備配套工作，同時(shí)還要具備一定性能優(yōu)勢(shì)以適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)的特殊環(huán)境。下面以橫河電機(jī)公司的產(chǎn)品為例，解釋一下風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控的完整方案。如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控的完整方案

首先，可通過滑動(dòng)環(huán)（集電環(huán)）實(shí)現(xiàn)風(fēng)葉監(jiān)測(cè)信號(hào)的直接采集，風(fēng)葉不停轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)測(cè)量?jī)x器的安裝和信號(hào)采集會(huì)造成很大影響，通過集電環(huán)，可保證風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)線能夠保持不動(dòng)。

然后，利用數(shù)據(jù)采集器（MW100）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、記錄和傳輸。MW100的使用環(huán)境溫度為-40℃～70℃，具有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力。它可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CF卡中，即時(shí)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(shí)現(xiàn)相對(duì)廉價(jià)的高精度功率參數(shù)測(cè)量和傳輸。通過功率計(jì)WT3000精確測(cè)量發(fā)電機(jī)的浪涌電流。最后可以利用DAQWORX專業(yè)采集軟件對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)合顯示和記錄。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域面臨著空前的發(fā)展機(jī)遇，其設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)、性能評(píng)估以及電場(chǎng)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(jī)遇和挑戰(zhàn)，風(fēng)電行業(yè)對(duì)工具層面的測(cè)試儀器也提出了更高的要求。以橫河電機(jī)為代表的全球測(cè)試方案供應(yīng)商，也在積極應(yīng)對(duì)。相信高效便捷的測(cè)試產(chǎn)品和解決方案會(huì)給整個(gè)風(fēng)電行業(yè)提供強(qiáng)勁助力。