專利名稱：用于在現場測試風力渦輪機的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力渦輪機的測試方法和裝置，更具體地，涉及用來驗證風力渦輪機新模型的測試方法和裝置。
背景技術：
新興的風力能源市場正在不斷地產生愈加有動力的、競爭的和有效率的新風力渦輪機模型和參照物。參照物數量的增長主要是由于離岸市場的啟動、網絡連接需求的不斷出現和對新市場以及岸上風力機組的要求。驗證和認證需求越來越多并且高要求，因為風力渦輪機變得更大并且更有動力使得這些過程更加昂貴且復雜。為了將技術不確定性、成本和可用于市場的產品期限(product term)最小化,風力潤輪機制造商不斷地精細并改進驗證和認證過程。當今，每個新風力渦輪機模型的驗證和認證需要用于每個電網頻率(50或60赫茲)的實在原型的制造、安裝和試運行。按照這些要求，已經開發出來用于主要是在試驗室和制造工廠內測試風力渦輪機和風力渦輪機組件的測試臺，用于執行包括用于評估風力渦輪機對電網要求(范圍v/f、電壓驟降、諧波電平控制等)的適應性測試的各種測試。用于測試風力渦輪機新模型的已知方法和裝置的一個缺點是每個電網頻率(50或60赫茲)需要特定的測試臺。另一個缺點是被用于不同位置時它們對靈活性的缺乏。
發明內容
本發明的一個目的是提供用于在現場測試風力渦輪機的方法和裝置。本發明的另一個目的是提供用于為了驗證和認證目的在現場測試風力渦輪機的新原型的方法和裝置。在一個方面，這個和另一個目的通過一種用于在現場測試風力渦輪機的方法來實現，所述風力渦輪機被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力；所述方法包括通過轉換裝置將風力渦輪機連接到給定額定電壓和50或60赫茲額定頻率的電網，所述轉換裝置允許電網的位于所述轉換裝置的風力渦輪機側的特征相對于對風力渦輪機執行的測試所需要的條件的適應性；所述適應性包括在電網的額定頻率和風力渦輪機的額定頻率不同時電網的額定頻率相對于風力渦輪機的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機的相同測試能夠在相同的位置執行。有利地，電網和風力渦輪機的額定電壓在10-66kv之間，即風力發電場中壓。在本方法的一個實施例中，所述適應性進一步包括穩定電網的位于轉換裝置的風力渦輪機側的電壓和頻率。由此其提供了一種用于執行穩定態(steady state)測試的方法，尤其是用于驗證和/或認證目的。在本方法的一個實施例中，所述適應性進一步包括在預定的時期內在轉換裝置的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率波動。由此其提供了用于執行準穩定態(quasi steadystate)測試的方法，尤其是用于驗證目的。在所述方法的一個實施例中，所述適應性進一步包括在預定時期內在轉換裝置的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率瞬變。由此其提供了用于執行瞬態(transient state)測試的方法，尤其是用于電網編碼合格(code compliance)目的。在另一方面，上文提到的目的通過一種用于在現場測試風力渦輪機的方法來實現，所述風力渦輪機被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力；所述方法包括通過轉換裝置并且通過位于所述轉換裝置的風力渦輪機側的電壓驟降發生器將風力渦輪機連接到給定額定電壓和50或60赫茲額定頻率的電網，所述轉換裝置允許電網的位于所述轉換裝置的風力渦輪機側的特征相對于對風力渦輪機執行的測試所需要的條件的適應性；所述適應性包括在電網的額定頻率和風力渦輪機的額定頻率不同時電網的額定頻率相對于風力渦輪機的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機的相同測試能夠在相同的位置執行；所述電壓驟降發生器允許在預定時期內在所述轉換裝置的風力渦輪機側的電網電壓瞬變的產生。在本方法的實施例中，所述適應性進一步包括穩定電網的位于轉換裝置的風力渦輪機側的電壓和頻率和/或在預定的時期內在轉換裝置的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率波動，用于上文提到的相同目的。在第三個方面，上文提到的目的通過一種轉換裝置來實現，所述轉換裝置可以連接在安裝在一定位置的一個或多個風力渦輪機與給定額定電壓和50或60赫茲的額定頻率的電網之間，用于在現場對風力渦輪機執行測試；所述風力渦輪機被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力；轉換裝置包括一個或多個電網側變壓器、一個或多個轉換器單元以及一個或多個風力渦輪機側變壓器；每個轉換器單元包括電網側諧波濾波器、背靠背轉換器和風力渦輪機側諧波濾波器；轉換裝置包括控制裝置，所述控制裝置允許電網的位于轉換裝置的風力渦輪機側的特征相對于所述測試所需要的條件的適應性；所述適應性包括在電網的額定頻率和風力渦輪機的額定頻率不同時電網的額定頻率相對于風力渦輪機的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機的相同測試能夠在相同的位置執行。轉換裝置，作為連接裝置，進一步包括用于方便其操作的風力渦輪機開關設備、電網開關設備和旁路開關。在一實施例中，轉換裝置被配置在便攜式模塊中，尤其是被配置在在三個模塊中，即包括電網側開關設備和電網側變壓器的第一模塊、包括轉換器單元的第二模塊以及包括風力渦輪機側開關設備和風力渦輪機側變壓器的第三模塊。本發明的其它可取的特征和優點將從下面本發明的詳細說明和所附權利要求結合所附附圖表現出來。
圖1示意性地示出根據本發明的、連接到電網并且連接到風力渦輪機的轉換裝置13，用于在現場對風力渦輪機執行測試。圖2a、2b和2c示意性地示出了根據本發明的轉換裝置的不同連接狀態。圖3a和3d為根據本發明的轉換裝置與位于風力發電場分支中不同位置的風力渦輪機的連接的示意性視圖。圖4、5和6示出了根據本發明的轉換裝置的三個實施例。圖7示出了根據本發明的轉換裝置的模塊化實施例。圖8為分別示出當根據本發明的測試被執行時在轉換裝置兩側的電壓和頻率的進程的圖表。圖9a和9b為圖示為執行根據本發明的測試而用于在轉換裝置的風力渦輪機側產生期望的電壓和頻率進程的參考值的圖表。圖10示意性地示出了根據本發明的連接到電網和連接到風力渦輪機的轉換裝置和電壓驟降發生器的組合，用于在現場對風力渦輪機執行測試。
具體實施例方式圖1示意性地示出了根據本發明的、連接到安裝在一位置的風力渦輪機11并且連接到電網15例如風力發電場的中壓電網的轉換裝置13的主要組件:電網側變壓器21、轉換器單元23和風力渦輪機側變壓器25，所述轉換器單元23包括電網側諧波濾波器31、背靠背轉換器33、風力渦輪機側諧波濾波器35。電網側變壓器21將電網側電壓電平(voltage level)降低到電網側轉換器的額定電壓。電網側諧波濾波器31是正弦濾波器，用來降低電網側轉換器的諧波發射。背靠背轉換器33是交流/直流/交流(ac/dc/ac)轉換器，用來通過直流鏈(dclink)對電網15和風力渦輪機11的電氣系統解耦。風力渦輪機側諧波濾波器35是正弦濾波器，用來降低風力渦輪機側轉換器的諧波發射。風力渦輪機側變壓器25將風力渦輪機側轉換器的額定電壓提升到風力渦輪機11的額定電壓。轉換裝置13與風力渦輪機11和電網15的連接裝置為風力渦輪機開關設備18、電網側開關設備16和旁路開關20。轉換裝置13的主要功能為:充當用于風力渦輪機11的電壓源，位于轉換裝置的風力渦輪機側的電壓和頻率為被轉換裝置13的控制裝置所控制的變量，用于對風力渦輪機11執行測試。將風力渦輪機11產生的所有有效功率輸送到電網15，并且如果需要，向風力渦輪機提供用于維護操作的電力。轉換裝置13與風力渦輪機11和電網15的連接狀態可以是如下中的一個:安全。在這種連接狀態中(參看圖2a)，旁路開關20是斷開的，電網側開關設備16是接地的，風力渦輪機側開關設備18是接地的并且轉換器單元23是停止的。在此連接狀態中，維護人員在轉換裝置13的組件內部的操作是允許的。旁路。在這種連接狀態中(參看圖2b)，旁路開關20是閉合的，電網側開關設備16是斷開的，風力渦輪機側開關設備18是斷開的并且轉換器單元23是停止的。在此狀態中，風力渦輪機可以由電網直接供電運行。當在轉換裝置13中檢測到故障而沒有布線(cabling)斷開時,這種連接狀態允許風力潤輪機11與電網15之間的直接連接。當電網頻率和電壓與風力渦輪機頻率和電壓范圍兼容時，即當電網15的額定頻率和風力渦輪機11的額定頻率相同時在轉換裝置13被用于執行測試時，這種連接狀態是唯一可能的。停止:在這種連接狀態中(參看圖2c)，旁路開關20是斷開的，電網側開關設備16是閉合的，風力渦輪機側開關設備18是閉合的并且轉換器單元23是停止的。在這種狀態中，轉換器單元23準備好轉到運行狀態。運行:在這種連接狀態中(參看圖2c)，旁路開關20是斷開的，電網側開關設備16是閉合的，風力渦輪機側開關設備18是閉合的并且轉換器單元23正在運行以為了達到位于風力渦輪機側的電壓和頻率參考值。圖3a示出了轉換裝置13到電網15的連接以及到安置在風力發電場的分支的最后位置(last position)的風力渦輪機11的連接，并且圖3b示出了轉換裝置13到電網15的連接以及到安置在風力發電場的分支的中間位置的風力渦輪機11的連接。轉換裝置13的特定實施將取決于將要連接到轉換裝置13的風力渦輪機11的電力和電壓電平的其它因素。圖4示出了基于具有數個并聯的三相轉換器單元23、23'和雙繞組三相變壓器21、25的多模塊三相多級轉換器的實施。在三相轉換器單元23中，示出了電網側轉換器41、直流鏈(DC link)43和風力渦輪機側轉換器45。圖5示出了基于具有兩個轉換器單元23、23'和相移變壓器21、25的群組的雙層多級三相轉換器的實施。圖6示出了基于多級H-橋轉換器的實施，所述多級H-橋轉換器具有三個轉換器單元23、23'、23"和開式繞組三相電網側變壓器21、21'、21"和三相風力渦輪機側變壓器25、25'、25"的群組。圖7示出了轉換裝置13的用于方便運輸和現場安裝的模塊化實施例。模塊44將電網側開關16和電網側變壓器21 (或者電網側變壓器21、21'、21")聚合為群組。模塊46對應于轉換器單元23(或者轉換器單元23、23'、23")，并且模塊48將風力渦輪機開關18和風力渦輪機側變壓器25 (或者風力渦輪機側變壓器25、25'、25")聚合為群組。轉換裝置13能夠被布置成使得位于風力渦輪機側的電壓和頻率遵循用于對風力渦輪機執行測試的期望進程(course)，如圖8中所示的示例中。線51和53示出位于電網側的電壓Ugrid和頻率fgrid的時間演變,并且線55、57示出位于風力潤輪機側的電壓Uwt和頻率fwt的所期望的同步演變。在啟動時間段62中(在此，轉換裝置13處于從上文提到的停止狀態到運行狀態的瞬時連接狀態)，電壓Uwt斜升以降低變壓器的啟動電流并且頻率fwt被設置在其期望值。在此時間段的終點Uwt和fwt的期望額定值可以不同于Ugrid和fgrid的額定值(例如fgrid=50赫茲并且fwt=60赫茲)。然后電壓Uwt和頻率fwt在時間段63 (即然后轉換裝置13處于上文提到的運行連接狀態)中被保持在它們的額定值(在允許的邊緣內)。然后電壓Uwt和頻率fwt在測試時間段64中根據預先限定的模式被修正。然后電壓Uwt和頻率fwt在時間段65 (即然后轉換裝置13處于上文提到的運行連接狀態)中被保持在它們的額定值。最后在關閉時間段66中，相對于啟動時間段的逆向操作被執行。因此，在準備時間段62和63之后，轉換裝置13被布置成用于在測試時間段64中執行預先限定的測試。圖8示出了一種布置，其用于執行要求產生Uwt和fwt的波動的測試。如果測試不要求這樣的波動，Uwt和fVt將被保持在它們的額定值(在允許的邊緣內)。位于風力渦輪機側的電壓和頻率因此能夠根據測試需要遵循提供給轉換裝置13的控制裝置的參考值(主要是RMS電壓和頻率)被控制。尤其是在上文提到的運行連接狀態中，轉換裝置13在風力渦輪機側產生用于風力渦輪機11的適合帶寬內的穩定的、平衡的并且受控制的三相電壓。在某些測試中，電壓Uwt和頻率fwt將遵循在轉換裝置13的控制系統中被預先編程的輪廓。為了對電壓和頻率曲線編程，十對點可以用于每一個參考值，如圖9a和9b中所圖示的。從轉換裝置13的角度來看，將要執行的對風力渦輪機11的測試能夠被分類為穩定態測試、準穩定態測試和瞬態測試。穩定態測試為要求不考慮風力渦輪機11產生的電力的變化和電網15的波動時位于轉換裝置13的風力渦輪機側的電壓和頻率的值不隨時間而變化或者遭受極度衰減動態的測試。在此測試組中包括被設計用來在常規運行條件中和生產模式中驗證風力渦輪機性能的那些測試，具有或不具有P/Q的動態控制。準穩態測試為要求位于風力渦輪機側的電壓和頻率在數分鐘甚至數小時的期間內波動的那些測試。這些測試是典型地電氣相關的(涉及風力渦輪機的發電機、轉換器、控制柜和輔助物以及保護系統)并且由于操縱電網參數的不可能性，難以執行到風力發電場的電網的直接連接。瞬態測試為涉及位于風力渦輪機側的電壓和/或頻率上的強瞬態變化的那些測試，諸如在在下列過程中的一些事件:連接和斷開連接過程。由于內部故障斷開連接過程，其涉及P和Q中高達100%的生產條件中的突然變化。由于網絡中的突然變化諸如電壓驟降而在運行過程中的變化。所述瞬態變化的產生可以使用與基于交換式無源組件的外部故障生成設備例如圖10中所示的電壓驟降發生器39結合的轉換裝置13形成。在那種情況下，當電壓驟降發生器39處于運行中時，轉換裝置13將保持運行并且保持期望的電壓和頻率參考值。除了別的之外，根據本發明的對風力渦輪機執行測試的方法和轉換裝置具有如下優點:允許用相同的轉換裝置測試具有不同額定頻率的風力渦輪機的原型。因此，用于50和60赫茲的同一風力渦輪機模型的兩個原型可以用相同的轉換裝置測試，其有利于在相同位置或不同位置對風力渦輪機的新模型的驗證和認證。允許現場測試風力渦輪機，使風力渦輪機免受電網干擾。允許不考慮每一個位置的電網頻率地對不同位置的風力渦輪機的測試。盡管已經結合各種實施例描述了本發明，但是應該理解的是在本發明的范圍內可以根據說明書進行元件的各種組合、變化或改進。
權利要求
1.用于在現場測試風力渦輪機(11)的方法， 所述風力渦輪機(11)被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力； 所述方法包括通過轉換裝置(13 )將風力渦輪機(11)連接到給定額定電壓和50或60赫茲額定頻率的電網(15)，所述轉換裝置(13)允許電網(15)的位于所述轉換裝置(13)的風力渦輪機側的特征相對于對風力渦輪機(11)執行的測試所需要的條件的適應性； 所述適應性包括在電網(15)的額定頻率和風力渦輪機(11)的額定頻率不同時電網(15)的額定頻率相對于風力渦輪機(11)的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機(11)的相同測試能夠在相同的位置執行。
2.如權利要求1所述的方法，其中，電網(15)和風力渦輪機(11)的額定電壓在10_66kv 之間 ο
3.如權利要求1-2中任一項所述的方法，其中，所述適應性進一步包括穩定電網(15)的位于轉換裝置(13)的風力渦輪機側的電壓和頻率。
4.如權利要求1-2中任一項所述的方法，其中，所述適應性進一步包括在預定的時期內在轉換裝置(13)的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率波動。
5.如權利要求1-2中任一項所述的方法，其中，所述適應性進一步包括在預定時期內在轉換裝置(13)的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率瞬變。
6.用于在現場測試風力渦輪機(11)的方法， 所述風力渦輪機(11)被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力； 所述方法包括通過轉換裝置(13)并且通過位于所述轉換裝置(13)的風力渦輪機側的電壓驟降發生器(39)將風力渦輪機(11)連接到給定額定電壓和50或60赫茲額定頻率的電網(15)，所述轉換裝置(13)允許電網(15)的位于所述轉換裝置(13)的風力渦輪機側的特征相對于對風力渦輪機(11)執行的測試所需要的條件的適應性； 所述適應性包括在電網(15)的額定頻率和風力渦輪機(11)的額定頻率不同時電網(15)的額定頻率相對于風力渦輪機(11)的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機(11)的相同測試能夠在相同的位置執行； 所述電壓驟降發生器(39)允許在預定時期內在所述轉換裝置(13)的風力渦輪機側的電網電壓瞬變的產生。
7.如權利要求6所述的方法，其中，電網(15)和風力渦輪機(11)的額定電壓在10_66kv 之間 ο
8.如權利要求6-7中任一項所述的方法，其中，所述適應性進一步包括穩定電網(15)的位于轉換裝置(13)的風力渦輪機側的電壓和頻率。
9.如權利要求6-7中任一項所述的方法，其中，所述適應性進一步包括在預定的時期內在轉換裝置(13)的風力渦輪機側產生電壓和/或頻率波動。
10.一種轉換裝置(13)，其可以連接在安裝在一定位置的一個或多個風力渦輪機(11)與給定額定電壓和50或60赫茲的額定頻率的電網(15)之間，用于在現場對風力渦輪機(11)執行測試； 所述風力渦輪機(11)被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力； 轉換裝置(13)包括一個或多個電網側變壓器(21、2Γ、21")、一個或多個轉換器單元(23、23'、23")以及一個或多個風力渦輪機側變壓器(25、25'、25")； 每個轉換器單元(23、23'、23")包括電網側諧波濾波器(31、3廣、31")、背靠背轉換器(33、33'、33")和風力渦輪機側諧波濾波器(35、35'、35")； 轉換裝置包括控制裝置，所述控制裝置允許電網(15)的位于轉換裝置(13)的風力渦輪機側的特征相對于所述測試所需要的條件的適應性； 所述適應性包括在電網(15)的額定頻率和風力渦輪機(11)的額定頻率不同時電網(15)的額定頻率相對于風力渦輪機(11)的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機(11)的相同測試能夠在相同的位置執行。
11.如權利要求10所述的轉換裝置(13)，其中，所述連接裝置包括風力渦輪機開關設備(16)、電網開關設備(18)和旁路開關(20)。
12.如權利要求10-11中任一項所述的轉換裝置(13)，其中，轉換裝置(13)被配置在便攜式模塊中。
13.如權利要求10-12中任一項所述的轉換裝置(13)，其被配置在三個模塊中，即包括電網側開關設備(16)和電網側變壓器(21、2Γ、21")的第一模塊(44)、包括轉換器單元(23、23'、23" )的第二模塊(46)以及包括風力渦輪機側開關設備(18)和風力渦輪機側變壓器(25、25'、25")的第三模塊(48)。
14.如權利要求10-13中任一項所述的轉換裝置(13)，其中，電網(15)和風力渦輪機(11)的額定電壓在10_66kv之間。
全文摘要
一種用于在現場測試風力渦輪機(11)的方法，所述風力渦輪機被配置成用于以給定的額定電壓和50或60赫茲的額定頻率提供電力；所述方法包括通過轉換裝置(13)將風力渦輪機連接到給定額定電壓和50或60赫茲額定頻率的電網(15)，所述轉換裝置允許電網的位于轉換裝置的風力渦輪機側的特征相對于對風力渦輪機執行的測試所需要的條件的適應性；所述適應性包括在電網的額定頻率和風力渦輪機的額定頻率不同時電網的額定頻率相對于風力渦輪機的額定頻率的適應性，以使得對被配置成用于不同額定頻率的風力渦輪機的相同測試能夠在相同的位置執行。以及一種可以連接在風力渦輪機與電網之間的用于在現場對風力渦輪機執行測試的轉換裝置。
文檔編號H02M5/42GK103185669SQ20121059211
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月31日 優先權日2011年12月29日
發明者米格爾·利納雷斯·費諾, 米格爾·羅德里格斯·瓦茲奎茲, 胡安·阿爾伯特·馬雷洛·索薩 申請人:歌美颯創新技術公司