CN105317632A - 一种风电机组转动惯量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组转动惯量的测量方法。其方法步骤如下：一、选取风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域的天气实施测量；二、建立能量平衡方程；三、求解风电机组转动惯量。本发明可以概括为：在风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域内实施测量，控制风电机组以最大风能追踪方式运行，获得第一有功输出功率及第一转子转速；改变风电机组运行方式，使其输出有功功率改变为第二有功输出功率，转子转速改变为第二转子转速，获得第一输出电能，从而建立能量平衡方程；基于所述能量平衡方程，确定所述风电机组的转动惯量。本发明的优点是提供了一种优秀的风电机组转动惯量的测量方法。

Description

一种风电机组转动惯量的测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种风电机组转动惯量的测量方法。

背景技术

电力系统中的各种故障会使电力系统进入暂态过程，发电机的惯性时间常数大小直接影响电力系统频率变化，并决定其在暂态过程结束后能否保持稳定运行，传统发电机组与电力系统直接相连，其惯性时间常数仅取决于转子的机械结构，而风电机组或潮汐能发电机等通过电力电子换流器与电力系统相连的发电机组，其对电力系统表现的惯性时间常数与电力电子换流器的控制策略密切相关。

电力电子换流器控制策略需要确定风电机组转子储存动能，才能在保持电力系统稳定方面提供支持。风电机组转子储存动能需要风电机组的转动惯量及转速计算得出，故风电机组转动惯量的测量对维持电力系统稳定方面有实际意义。

目前风电机组转动惯量只有厂家提供的理论计算数值，并无对风电机组转动惯量进行实际测量的方法。

在现有的技术方案中，有一种理论上的方法对电机转动惯量进行测量：其大概技术方案为：电机处于转矩控制模式下，控制其转矩分别为第一、第二两大小相同方向相反的转矩，测量电机转速由第一转速改变为第二转速及由第二转速改变为第一转速所需时间，建立两转矩平衡方程，计算得出电机转动惯量。

上述技术方案的缺点是：1.上述方案只能应用于可控转矩的电动机的固有转动惯量的测量，风电机组转动部分还包括叶片、轮毂、齿轮等部分，采用上述方案无法测量这部分机械结构的转动惯量。2.上述方案不能在风电机组运行时，对其转动惯量进行测量。

发明内容

本发明的发明目的就在于提供一种风电机组转动惯量的测量方法。

实现上述发明目的本发明的技术方案为：

本发明一种风电机组转动惯量的测量方法，其方法步骤如下：

一、选取风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域的天气实施测量，测量步骤为：

第1步：控制风电机组运行方式为最大风能追踪模式，稳定运行后，测量此时风电机组有功输出功率及转子转速，分别记为第一有功输出功率及第一转子转速；

第2步：保持风电机组叶片偏桨角不变，改变风电机组运行方式为恒定有功输出模式，控制风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率，持续一段时间，直至风电机组转子转速改变为第二转子转速，记风电机组有功输出功率开始改变时刻为时刻，风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率的时刻为时刻，风电机组转子转速改变为第二转子转速的时刻为时刻，记从时刻至时刻风电机组输出有功能量总和为输出电能；

二、建立能量平衡方程

由于整个测量过程中风力机组叶片偏桨角始终不变，且风速稳定，故叶片捕获的风能功率可认为是一定值,去除机械损耗功率后，为第一有功输出功率（），第一转子转速与第二转子转速相差不大的情况下可忽略变化。从时刻至时刻的测量过程中，叶片捕获的可用于转换为电能的风能总量如下式：

即。

由时刻开始风电机组有功输出改变，至时刻风电机组有功输出能量总和为；风电机组转子动能的增加量为，

建立能量平衡方程：

转子动能增加量可以转子转速的变化和转动惯量表示：

能量平衡方程又表示为：

；

三、求解风电机组转动惯量

。

本发明可以概括为：在风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域内实施测量，控制风电机组以最大风能追踪方式运行，获得第一有功输出功率及第一转子转速；改变风电机组运行方式，使其输出有功功率改变为第二有功输出功率，转子转速改变为第二转子转速，获得第一输出电能，从而建立能量平衡方程；基于所述能量平衡方程，确定所述风电机组的转动惯量。

本发明的有益效果为：

本发明的关键点是：

1、风电机组在最大功率追踪模式下稳定运行后，保持叶片偏桨角恒定，在风速稳定情况下即可认为叶片捕获的风能功率为恒定值；

2、改变风电机组运行方式，降低风电机组输出有功功率，风电机组机械部分风能输入功率大于电磁输出功率，风电机组转子转速增大；

3、通过风能输入功率、电磁输出功率、测量时间、转子转速改变量建立能量平衡方程，求解风电机组转动惯量；

4、可在风机正常运行时进行测量，不需切机。

本发明的优点是：1、本发明能够测量包含叶片、轮毂、齿轮、转子等风电机组转动部分的整体转动惯量；2、本发明能对运行的风电机组进行测量，不需切除风电机组；3、本发明步骤简单易实现可利用在线测量数据；4、本发明惯动惯量计算的数据处理简单。

附图说明

图1为本发明实施例中所述风速与风电机组最大有功输出的关系图；

图2为本发明实施例中所述测量过程的功率变化图。

具体实施方式

本发明一种通过电力电子设备与电网相连的风电机组转动惯量的测量方法：

一、测量气象条件：选取风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域（即图1中AB段所示）的天气实施测量；

风电机组最大有功输出功率与风速关系如图1所示：AB段为最大风能捕获区域，BC段为恒转速区域，CD段为恒功率区域。

测量步骤为：

第一步：控制风电机组运行方式为最大风能追踪模式，稳定运行后，测量此时风电机组有功输出功率及转子转速，分别记为第一有功输出功率及第一转子转速；

第二步：保持风电机组叶片偏桨角不变，改变风电机组运行方式为恒定有功输出模式，控制风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率，持续一段时间，直至风电机组转子转速改变为第二转子转速，记风电机组有功输出功率开始改变时刻为时刻，风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率的时刻为时刻，风电机组转子转速改变为第二转子转速的时刻为时刻（如图2所示），记从时刻至时刻风电机组输出有功能量总和为输出电能。

二、建立能量平衡方程

由于整个测量过程中风力机组叶片偏桨角始终不变，且风速稳定，故叶片捕获的风能功率可认为是一定值，从时刻至时刻的测量过程中，叶片捕获的风能总量如下式：

由时刻开始风电机组有功输出改变，至时刻风电机组有功输出能量总和为；风电机组转子动能的增加量为，

建立能量平衡方程：

转子动能增加量可以转子转速的变化和转动惯量表示：

能量平衡方程又表示为：

；

三、求解风电机组转动惯量

通过如上过程即可求得风电机组转动惯量。

实施例2：

测量一台2MW风电机组的转动惯量：

风速稳定于9m/s时实施测量；

第一步：采用最大功率跟踪方式控制，此时风电机组有功输出功率为600kW（），转子转速为1350r/min（）；

第二步：时刻改变控制方式为恒定有功输出，控制风电机组有功输出功率为200kW（），转子转速达到1400r/min（）时记为时刻（时刻至时刻时间为279s），由SCADA系统可得到时刻至时刻风电机组输出有功能量总和为5978461kJ（）。

第三步：求解能量平衡方程

故该台风电机组转动惯量为：

本发明的关键点是：

1、风电机组在最大功率追踪模式下稳定运行后，保持叶片偏桨角恒定，在风速稳定情况下即可认为叶片捕获的风能功率为恒定值；

2、改变风电机组运行方式，降低风电机组输出有功功率，风电机组机械部分风能输入功率大于电磁输出功率，风电机组转子转速增大；

3、通过风能输入功率、电磁输出功率、测量时间、转子转速改变量建立能量平衡方程，求解风电机组转动惯量；

4、可在风机正常运行时进行测量，不需切机。

Claims (1)

1.一种风电机组转动惯量的测量方法，其特征在于：方法步骤如下

一、选取风速稳定且处于风电机组最大风能捕获区域的天气实施测量，测量步骤为：

第1步：控制风电机组运行方式为最大风能追踪模式，稳定运行后，测量此时风电机组有功输出功率及转子转速，分别记为第一有功输出功率及第一转子转速；

第2步：保持风电机组叶片偏桨角不变，改变风电机组运行方式为恒定有功输出模式，控制风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率，持续一段时间，直至风电机组转子转速改变为第二转子转速，记风电机组有功输出功率开始改变时刻为时刻，风电机组有功输出功率改变为第二有功输出功率的时刻为时刻，风电机组转子转速改变为第二转子转速的时刻为时刻，记从时刻至时刻风电机组输出有功能量总和为输出电能；

二、建立能量平衡方程

由于整个测量过程中风力机组叶片偏桨角始终不变，且风速稳定，故叶片捕获的风能功率可认为是一定值,去除机械损耗功率后，为第一有功输出功率（），第一转子转速与第二转子转速相差不大的情况下可忽略变化；

从时刻至时刻的测量过程中，叶片捕获的可用于转换为电能的风能总量如下式：

即；

由时刻开始风电机组有功输出改变，至时刻风电机组有功输出能量总和为；风电机组转子动能的增加量为，

建立能量平衡方程：

转子动能增加量可以转子转速的变化和转动惯量表示：

能量平衡方程又表示为：

；

三、求解风电机组转动惯量

。