風力機模擬系統及其方法
【專利摘要】本發明公開了風力機模擬系統及其方法。本發明的一實施例的風力機模擬系統，用于模擬實際風力機的運行條件，包括：風力機模型部，包括風輪和傳動系統，該風輪包括在表面安裝有多個應變傳感器的模擬槳葉和用于配置上述模擬槳葉的輪轂，該傳動系統增減上述風輪的轉速，并傳遞動力；驅動部，包括用于驅動上述風輪的驅動馬達；發電部，包括發電機，該發電機將在上述風力機模型部產生的旋轉力變換為電能；以及控制部，對上述風力機模型部、驅動部或發電部中的一個以上進行控制。
【專利說明】風力機模擬系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力機模擬系統及其方法，更具體而言，涉及通過監視風力機的狀態來使風力機的運行優化并且預測構成部件的疲勞壽命來決定部件更換周期的風力機模擬系統及其方法。
【背景技術】
[0002]風力發電系統因作為能源的風速的可變性所導致的輸出功率的不規則性，有可能降低周邊系統用戶和負載的電壓、頻率等電力質量，因此需要開發出能夠體現實際風力發電系統的特定運行條件的風力發電模擬器甚至風力機模擬系統。
[0003]作為與此相關的技術，以往的風力機模擬系統僅執行評價風力機的齒輪箱或發電機的性能的功能。即，以往的風力機模擬系統不對作用于風力機的風進行模擬，而直接在馬達上連接齒輪箱或發電機來僅執行了性能評價，因此，存在不能模擬風力機的實際運行條件的制約性。
[0004]此外，在以往的風力機模擬系統中，為了模擬槳葉的慣性而使用了飛輪(f Iywheel )，但是，此時系統變得復雜，還發生了費用增加的問題。
[0005]因此，需要開發與 級風力機具有相似性從而能夠體現實際風力機的運行環境的風力機模擬系統是實際情況。
【發明內容】
[0006]發明所要解決的問題
[0007]本發明的實施例的目的在`于提供一種被設計成與實際風力機具有相似性從而能夠模擬實際風力機的運行條件的風力機模擬系統及其方法。
[0008]用于解決問題的手段
[0009]本發明的一個方案提供一種風力機模擬系統，用于模擬實際風力機的運行條件，包括:風力機模型部，包括風輪和傳動系統，該風輪包括在表面安裝有多個應變傳感器的模擬槳葉和用于配置上述模擬槳葉的輪轂，該傳動系統增減上述風輪的轉速，并傳遞動力；驅動部，包括用于驅動上述風輪的驅動馬達；發電部，包括發電機，該發電機將在上述風力機模型部產生的旋轉力變換為電能；以及控制部，對上述風力機模型部、驅動部或發電部中的一個以上進行控制。
[0010]在上述風力機模型部的上述輪轂可形成有通風口。
[0011]此外，上述風力機模型部的上述傳動系統可包括增速機，該增速機使上述模擬槳葉的轉速增加，以使其能夠以適合于上述發電部的發電的轉速旋轉。
[0012]此外，上述發電部可進一步包括發電機轉換器，該發電機轉換器接收上述發電機的轉速數據或轉矩數據中的至少一個數據的輸入，并在與上述控制部之間進行收發。
[0013]此外，可在上述傳動系統和上述發電部，安裝有多個加速度傳感器、溫度傳感器或轉速傳感器中的至少一個傳感器。[0014]此外，上述傳動系統可進一步包括配置在上述風輪和上述發電機之間的第一減速機，上述驅動部可進一步包括配置在上述驅動馬達和上述風輪之間的第二減速機。
[0015]另一方面，上述控制部可包括:驅動控制部，對上述驅動部的驅動馬達的轉矩量或上述風力機模型部的上述模擬槳葉的槳距角進行控制；狀態監視部，從上述風力機模型部和上述發電部接收轉矩數據、轉速數據、角速度數據、溫度數據或應變數據來進行加工處理；以及發電機控制部，在與上述發電機轉換器之間收發上述發電機的轉速數據或轉矩數據中的至少一個數據來控制上述發電機的生產電力。
[0016]此外，上述風力機模擬系統相對于上述實際風力機，滿足下面的公式I。
[0017]公式1:
[0018]Ja?a2/pa = JsQsVps
[0019]ω aRa/va = ω sRs/vs
[0020]COa3Ra5 = SCOs3Rs5
[0021]在此，J為慣性力矩，w為槳葉轉速，P為額定輸出，R為槳葉的半徑，V為額定風速，下標a表示實際風力機，下標s表示風力機模擬系統。
[0022]本發明的另一方案提供一種風力機模擬方法，用于驅動上述風力機模擬系統，包括:第一步驟，接收模擬槳葉的槳距角 及發電機轉速，并將上述發電機轉速與額定輸出下的轉速進行比較；第二步驟，當上述發電機轉速小于上述額定輸出下的轉速時，生成模擬風，并以基于上述模擬風而計算出的馬達轉矩為基礎，控制驅動馬達；以及第三步驟，在上述發電機轉速為上述額定輸出下的轉速以上時，生成模擬風，并根據上述模擬槳葉的槳距角數據和馬達轉矩，對上述模擬槳葉的槳距角和驅動馬達進行控制，其中，上述模擬槳葉的槳距角數據是基于上述發電機轉速的槳距角數據，上述馬達轉矩是基于上述模擬風計算出的馬達轉矩。
[0023]此外，所生成的上述模擬風是時域上作用于上述模擬槳葉的風。
[0024]另一方面，上述第二步驟可包括:計算出與上述模擬風相對應的氣動力轉矩的步驟；利用風輪慣性傳遞函數，計算出反映上述模擬槳葉的動態特性的馬達轉矩的步驟；以及根據上述馬達轉矩來控制驅動馬達的步驟。
[0025]此外，上述第三步驟可包括:計算出基于上述發電機轉速的上述模擬槳葉的槳距角數據的步驟；計算出與上述模擬風相對應的氣動力轉矩的步驟；利用風輪慣性傳遞函數，計算出反映上述模擬槳葉的動態特性的第一馬達轉矩的步驟；對上述第一馬達轉矩進行數據處理，計算出反映由上述模擬風引起的上述模擬槳葉的槳距角變化的第二馬達轉矩的步驟；以及根據上述模擬槳葉的槳距角數據來控制上述模擬槳葉的槳距角，并且根據上述第二馬達轉矩來控制驅動馬達的步驟。
[0026]發明效果
[0027]本發明的實施例，將風力機模擬器系統設計成與實際風力機具有相似性，從而能夠模擬實際風力機的運行條件。
[0028]此外，利用風輪慣性傳遞函數來將槳葉的動態特性反映到控制部，從而計算出反映動態特性的馬達轉矩，由此能夠構筑更加簡單且成本低廉的風力機模擬器系統。
【專利附圖】
【附圖說明】[0029]圖1是本發明的一實施例的風力機模擬系統的概略圖。
[0030]圖2是放大圖1的A部分來示出的放大圖。
[0031]圖3是示出圖1的風力機模擬系統的變形例的概略圖。
[0032]圖4是示出圖1的風力機模擬系統的數據收發的圖。
[0033]圖5是示出在圖1的風力機模擬系統中的發電機的轉矩曲線生成過程的圖。
[0034]圖6是本發明的一實施例的風力機模擬方法的控制算法。
[0035]圖7是圖6的模擬風生成算法。
【具體實施方式】
[0036]下面，參照附圖，對本發明的各實施例進行詳細說明。
[0037]圖1是本發明的一實施例的風力機模擬系統100的概略圖。
[0038]參照圖1，風力機模擬系統100包括:模擬實際風力機的運動的風力機模型部120，驅動風力機模型部120的驅動部140，將由風力機模型部120產生的旋轉力變換為電能的發電部160，以及對風力機模型部120、驅動部140或發電部160中的一個以上進行控制的控制部180。下面，對各結構進行說明。
[0039]實施方式
[0040]風力機模擬系統100可設在基架B上，但不限制基架B的形狀、大小等。另一方面，基架B為了避免風力機模擬系統100的槳葉旋轉時的碰撞，可在局部設置有開口部(未標記)。
[0041]風力機模型部120模擬實際風力機的運動，可包括:風輪(rotor)R，包括模擬槳葉121和用于配置模擬槳葉121的輪轂(hub) 123 ;以及傳動系統(Drive Train) 125，增減風輪R的轉速并傳遞動力。
[0042]在輪轂123上配置的模擬槳葉121的表面可安裝幾個應變傳感器(strainsensor)121a0應變傳感器121a對在模擬槳葉121旋轉時施加到模擬槳葉122上的應變分布進行測定。不特別限定應變傳感器121a的安裝位置。例如，根據狀況分析槳葉模型，基于上述分析結果，將應變傳感器121a安裝到槳葉表面中產生應變最多的位置。
[0043]在輪轂123內部，還可以設置用于采集由安裝在模擬槳葉121的表面的應變傳感器122a測定的應變數據的DAQ (Data acquisition:數據采集器,未圖示)。
[0044]與此關聯地，圖2是放大圖1的A部分來示出的放大圖。參照圖2，在輪轂123可形成通風口(vent) 123a。在輪轂123內部設置了如上所述的DAQ等裝備的情況下，通風口123a用于防止上述裝備過熱。
[0045]再次參照圖1，傳動系統125起到增減風輪R的轉速的作用，可包括:增速機125a、軸承箱(bearing housing)125c以及轉矩測量器125d。例如，如圖1所示，傳動系統125在風輪R的后級沿著旋轉軸依次連接有軸承箱125c、第一轉矩測量器125d、增速機125a以及第二轉矩測量器125d。
[0046]增速機125a起到將模擬槳葉122的轉速加速到適合發電部160發電的轉速的作用。增速機125a可利用在一般的風力機中所使用的增速機。另一方面,增速機125a由對齒輪執行熱處理來不發生振動的增速機和不執行熱處理而發生振動的增速機構成，從而在風力機發生異常時，能夠測定數據。[0047]轉矩測量器125d連接在增速機125a的前端及后端而執行轉矩計測。
[0048]驅動部140包括用于驅動風輪R的驅動馬達141。驅動馬達141可連接配置在輪轂123的前端。
[0049]發電部160包括將在風力機模型部120產生的旋轉力變換為電能的發電機161。發電機161可連接配置在齒輪箱125的后端。
[0050]此外，發電部160還可以包括與發電機161連接的發電機轉換器162。發電機轉換器162接收發電機161的轉速數據或轉矩數據中的至少一個來改變電壓和頻率，并在與控制部180之間進行收發。
[0051]另一方面，在傳動系統125和發電部160可安裝多個傳感器S。上述傳感器S可以是如加速計(accelerometer)那樣的加速度傳感器S1、溫度傳感器S2或轉速傳感器S3(tacho sensor)ο
[0052]例如，如圖1所示，可在軸承箱125c、增速機125a的齒輪位置部位、發電機161的軸承位置部位配置加速度傳感器SI，在增速機125a的高速齒輪軸承位置、發電機161的軸承位置配置溫度傳感器S2，在發電機161的前端配置轉速傳感器S3。上述傳感器S可測定有關各部件的轉矩、加速度、應變、溫度或角速度等的數據來傳送到控制部180。
[0053]控制部180控制風力機模型部120、驅動部140或發電部160中的一個以上，關于控制部180，則參照其他附圖來進行說明。
[0054]圖3是示出圖1的風力機模擬系統100的變形例的示意圖。下面，以與上述的實施例的區別點為中心進行說明。此外，對與上述的實施例相同或類似的結構，使用了相同的附圖標記。
[0055]參照圖3，風力機模擬系統100可包括:風力機模型部120、驅動部140、發電部160以及控制部180。風力機模型部120可包括:具有模擬槳葉121、輪轂123以及軸承(未標記)的風輪R和傳動系統125。
[0056]尤其，本變形例與上述的實施例的區別點在于，與基架B的上部分離地設置了風輪R，使風輪R具有一定的高度。因此，不需要為了避免模擬槳葉121旋轉時的碰撞而在基架B的局部另外設置開口部。另一方面，上述分離高度只要是模擬槳葉122的端部不接觸基架B的程度就可以，不限定為特定的高度。風輪R被I個以上的塔(未標記)所支撐而具有上述分離高度，此時，為了使風輪R旋轉，可設置用于將旋轉軸的旋轉力傳遞到上述軸承的傳送帶或鏈條(chain)(未標記)。
[0057]在本變形例的風力機模擬系統100中，風力機模型部120的傳動系統125可進一步包括第一減速機125b，驅動部140還可包括第二減速機142。如圖3所示，第一減速機125b可配置在傳動系統125的增速機125a和發電機161之間，第二減速機142可配置在驅動馬達141和風輪R之間。第一減速機125b和第二減速機142分別在驅動馬達141不能產生模擬槳葉121的運行所需的轉矩的情況下和發電機161不能產生所需的轉矩的情況下，分別降低驅動馬達141和發電機161的轉速來提高轉矩。
[0058]除了上述點之外，本變形例的風力機模擬系統100的結構與前面所述的實施例相同，因此省略對其他結構的說明。
[0059]圖4是示出圖1的風力機模擬系統100的數據收發的圖。
[0060]參照圖4，風力機模擬系統100可包括:風力機模型部120、驅動部140、發電部160以及控制部180。發電部160可包括發電機161和發電機轉換器162。此外，控制部180可包括:驅動控制部181、狀態監視部183以及發電機控制部185。下面，對各結構的數據收發進行說明。
[0061]驅動控制部181對配置在驅動部140的驅動馬達141的轉矩量或風力機模型部120的模擬槳葉121的槳距角進行控制。為此，驅動控制部181可在與驅動部140之間收發馬達轉矩數據和馬達控制信號TM，可從風力機模型部120接收槳葉槳距數據Θ p，且發送槳葉槳距控制信號θp。
[0062]狀態監視部183從風力機模型部120及發電部160接收轉矩數據、轉速數據、角速度數據、溫度數據或應變數據等來進行加工處理。為此，狀態監視部183可從安裝在風力機模型部120及發電部160的加速度傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器等接收傳感器數據Ds。
[0063]發電機控制部185控制發電機161的生產電力。為此，發電機控制部185可從發電機轉換器162收發發電機161的轉速數據Qe或發電機轉矩數據Te。另一方面，驅動控制部181、狀態監視部183和發電機控制部185可一體化地設計成相互收發上述數據。
[0064]本發明的一實施例的風力機模擬系統100設計成與實際風力機相似，能夠模擬實際風力機的運行條件。為此，風力機模擬系統100設計成相對于實際風力機滿足下面所示的公式I。
[0065][公式1]
[0066]
[0067]
[0068]
【權利要求】
1.一種風力機模擬系統，用于模擬實際風力機的運行條件，其特征在于， 包括: 風力機模型部，包括風輪和傳動系統，該風輪包括在表面安裝有多個應變傳感器的模擬槳葉和用于配置上述模擬槳葉的輪轂，該傳動系統用于增減上述風輪的轉速，并傳遞動力； 驅動部，包括用于驅動上述風輪的驅動馬達； 發電部，包括發電機，該發電機將在上述風力機模型部產生的旋轉力變換為電能；以及 控制部，對上述風力機模型部、驅動部或發電部中的一個以上進行控制。
2.根據權利要求1所述的風力機模擬系統，其特征在于， 在上述風力機模型部的上述輪轂形成有通風口。
3.根據權利要求1所述的風力機模擬系統，其特征在于， 上述風力機模型部的上述傳動系統包括增速機，該增速機使上述模擬槳葉的轉速增加，以使其能夠以適合于上述發電部的發電的轉速旋轉。
4.根據權利要求1所述的風力機模擬系統，其特征在于， 上述發電部還包括發電機轉換器，該發電機轉換器接收上述發電機的轉速數據或轉矩數據中的至少一個數據的輸入，并在與上述控制部之間進行收發。
5.根據權利要求3所述的風力機模擬系統，其特征在于， 在上述傳動系統和上述發電部，安裝有多個加速度傳感器、溫度傳感器或轉速傳感器中的至少一個傳感器。
6.根據權利要求3所述的風力機模擬系統，其特征在于， 上述傳動系統還包括配置在上述風輪和上述發電機之間的第一減速機，上述驅動部還包括配置在上述驅動馬達和上述風輪之間的第二減速機。
7.根據權利要求5所述的風力機模擬系統，其特征在于， 上述控制部包括: 驅動控制部，對上述驅動部的驅動馬達的轉矩量或上述風力機模型部的上述模擬槳葉的槳距角進行控制； 狀態監視部，從上述風力機模型部和上述發電部接收轉矩數據、轉速數據、角速度數據、溫度數據或應變數據來進行加工處理；以及 發電機控制部，在與上述發電機轉換器之間收發上述發電機的轉速數據或轉矩數據中的至少一個數據來控制上述發電機的生產電力。
8.根據權利要求1所述的風力機模擬系統，其特征在于， 上述風力機模擬系統相對于上述實際風力機，滿足下面的公式1， 公式1:
9.一種風力機模擬方法，用于驅動根據權利要求1~8中任一項所述的風力機模擬系統，其特征在于， 包括: 第一步驟，接收模擬槳葉的槳距角及發電機轉速，并將上述發電機轉速與額定輸出下的轉速進行比較； 第二步驟，當上述發電機轉速小于上述額定輸出下的轉速時，生成模擬風，并以基于上述模擬風而計算出的馬達轉矩為基礎，控制驅動馬達；以及 第三步驟，在上述發電機轉速為上述額定輸出下的轉速以上時，生成模擬風，并根據上述模擬槳葉的槳距角數據和馬達轉矩，對上述模擬槳葉的槳距角和驅動馬達進行控制，其中，上述模擬槳葉的槳距角數據是基于上述發電機轉速的槳距角數據，上述馬達轉矩是基于上述模擬風計算出的馬達轉矩。
10.根據權利要求9所述的風力機模擬方法，其特征在于， 所生成的上述模擬風是時域上作用于上述模擬槳葉的風。
11.根據權利要求9所述的風力機模擬方法，其特征在于， 上述第二步驟包括: 計算出與上述模擬風相對應的氣動力轉矩的步驟； 利用風輪慣性傳遞函數，計算出反映上述模擬槳葉的動態特性的馬達轉矩的步驟；以及` 根據上述馬達轉矩來控制驅動馬達的步驟。
12.根據權利要求9所述的風力機模擬方法，其特征在于， 上述第三步驟包括: 計算出基于上述發電機轉速的上述模擬槳葉的槳距角數據的步驟； 計算出與上述模擬風相對應的氣動力轉矩的步驟； 利用風輪慣性傳遞函數，計算出反映上述模擬槳葉的動態特性的第一馬達轉矩的步驟； 對上述第一馬達轉矩進行數據處理，計算出反映由上述模擬風引起的上述模擬槳葉的槳距角變化的第二馬達轉矩的步驟；以及 根據上述模擬槳葉的槳距角數據來控制上述模擬槳葉的槳距角，并且根據上述第二馬達轉矩來控制驅動馬達的步驟。
【文檔編號】F03D11/00GK103797246SQ201280036725
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年2月13日 優先權日:2011年9月2日
【發明者】吳沂鏞, 李在慶, 樸埈永, 李準信 申請人:韓國電力公社