風力發電行業的完整測試解決方案

新能源又稱非常規能源，是指傳統能源之外的各種能源形式，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。目前我國新能源利用技術已經取得了長足進展，并在各地形成了一定的規模，尤其在風能領域發展非常迅速。近期國家出臺了新能源發展規劃，風力發電作為重點扶持行業，擁有了更廣闊的發展前景。

風能領域概述
和其他類型的新能源相比，風能的獨特優勢使其在新能源開發利用中備受青睞。
其一，儲量大、分布廣。我國探明風能理論儲量為32.26×109kW，而可開發利用的為2.53×109kW，近海可利用風能7.5×109kW。我國東南沿海和內蒙、新疆、甘肅等東北、西北地區是最大風能資源區。

其二，可利用性強，成本相對低。目前風電場造價成本約為8500～9000元/千瓦·時，機組（設備）占70%左右，基礎設施占25%，其他占5%。風電場運行維護成本費用很低（約占風電機組成本的3%～5%），建設周期短（半年左右）。一旦建成，風電場就是一源源不斷的出錢機器。

風力發電的技術核心
風力發電系統作為風能發電領域的核心環節，技術進步也是日新月異。目前主要有恒速恒頻風力發電機系統和變速恒頻風力發電機系統兩大類。

恒速恒頻風力發電系統一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發電機的轉速保持在恒定的數值，從而保證發電機端輸出電壓的頻率和幅值恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風速下捕獲風能，發電效率較低。

變速恒頻風力發電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發電機，通過變槳距控制風輪，使整個系統在很大的速度范圍內按照最高的效率運行，這是目前風力發電技術的發展方向。對于風機來說，其調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系統或者永磁同步電機系統，變頻器的容量要求與所拖動的發電機容量相當，非常不經濟。雙饋異步風力發電系統定子和電網直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動系統中效率比較高的，該結構適合于調速范圍不寬的風力發電系統，尤其是大中容量的風力發電系統。

采用繞線異步電機作為發電機并對其轉子電流進行控制，是變速恒頻異步風力發電系統的主要實現形式之一。主要的拓撲結構包括交流勵磁控制、轉子斬波調阻以及由上述兩種拓撲結構結合發展而來的混合結構。

　
1 交流勵磁結構
交流勵磁控制通過變頻裝置向轉子提供三相滑差頻率的電流進行勵磁，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 斬波調阻結構
這種結構的基本思想是采用一個可控電力電子開關，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機轉子回路中附加電阻接入時間的長短，從而調節轉子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內。該結構依靠外部控制器給出的電流基準值和電流的測量值計算出轉子回路的電阻值，通過電力電子器件的導通和關斷來調整轉子回路的電阻值。這種電力電子裝置的結構相對簡單，但是其定子側功率因數比較低，且只能在發電機的同步轉速以上運行，是一種受限制的變速恒頻系統。

3 混合結構

為了降低變流器的成本并且能夠實現風力發電系統的寬轉速范圍運行，有人提出一種基于雙饋電機斬波調阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結構，將整流器、斬波器和逆變器結合在一起，該結構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，但是由于引入了四個接觸器型的受控開關，導致該結構的主回路結構復雜，很難實現同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運行情況下難以改善發電機的功率因數。

綜上所述無論采用哪種結構，在研發過程，對變頻系統的效率和性能進行準確的評價和測試都至關重要；同樣風電場的整體監控也需要精確的測試。

風力發電的測試要點
工欲善其事，必先利其器。風力發電從電機研發到風電場監控需要成套的高性能測試儀器來實現精確調制和嚴密監控。

1 利用功率計對變頻系統的性能作精確的評價
風力發電系統變頻系統的調制頻率帶寬高，調制方式復雜，調制的對象也非正弦波形，波形畸變嚴重，且包含大量的變頻成分，要求測量儀表具有寬頻帶功率測量和諧波分析功能。為此需要選用性能穩定且精度高的功率計作好輔助工作。下文以橫河電機的WT3000功率計為例，簡要談談風電行業的測試。WT3000可以進行IEC61000－4－7最新版諧波分析、IEC61000-4-7最新版的諧波測量及電壓波動/閃變測量，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系，如圖1所示。

圖1 波形失真與諧波的關系

失真波形的測量需要足夠帶寬，失真波形包含高頻率成分，測量儀器的帶寬如果沒有延伸到高頻段就容易產生誤差。如圖2所示。

圖2 不同波形需要測量儀器的帶寬

使用WT3000功率計可同時進行變頻系統功率測量和諧波分析，方案如圖3所示。

圖3 基于WT3000功率計的測量方案

● 變頻系統的諧波測量方法（如圖4所示）

圖4 變頻系統的諧波測量方法

使用FFT運算功能將波形由時域轉換成頻域，測量各頻率成分提取疊加信號頻率的方法如下。

傅里葉級數：所有周期函數均可用三角函數的和來表述。
傅里葉積分：將周期設為無窮大，使其能適用于所有函數。
傅里葉變換：對波形的時間函數x(t)進行傅里葉積分運算后，即可得出頻率函數X(f)。

2 利用示波器對變頻電路里波形信號作詳細分析
PWM調制后，通過功率計可以獲得其電特性指標，為研發和檢測部門提供準確的參考。如果想要進一步對調制后的波形信號作詳細的分析，則需要運用具備Cycle Statistics功能的示波器（下文以橫河DLM2000系列示波器）來實現。DLM2000的Cycle Statistics功能，在頻率固定/Duty比變化時，或在Duty比固定/頻率變化時，均可有效地對周期性變化的參數進行分析，方案如圖5所示。

圖5 利用DLM2000示波器對變頻電路里波形信號作詳細分析

3 風電場整體監控
風力發電系統在安裝后，為保證風力發電機的穩定運行，必須分別對以下的信號進行長期的監測和記錄，這些數據最后統一進入到監控中心，長期保存。

● 風葉的形變。
● 發電機的扭矩、轉速、震動和浪涌電流。
● 大氣環境，如：溫度、濕度、風力、風速、大氣壓等參數。
● 電功率參數，如：電壓、電流、功率、功率參數、頻率等。

風電場監控有幾個特點：①監控的信號復雜多樣；②監控環境惡劣：目前國內的風電場，主要分布在東北、內蒙古、新疆等地，冬季的氣溫很低，對測量儀器提出了很高的要求；③每個風場，都有大量的風機，監控數據總量很大，布線復雜。

因此，風電場的監控需要多種測試設備配套工作，同時還要具備一定性能優勢以適應風電場的特殊環境。下面以橫河電機公司的產品為例，解釋一下風電場監控的完整方案。如圖6所示。

圖6 風電場監控的完整方案

首先，可通過滑動環（集電環）實現風葉監測信號的直接采集，風葉不停轉動，對測量儀器的安裝和信號采集會造成很大影響，通過集電環，可保證風葉轉動時，信號線能夠保持不動。

然后，利用數據采集器（MW100）進行現場數據采集、監測、記錄和傳輸。MW100的使用環境溫度為-40℃～70℃，具有很強的現場適應能力。它可將數據存儲在CF卡中，即時網絡中斷，采集數據也可以得到很好的保存。也可以通過PR300實現相對廉價的高精度功率參數測量和傳輸。通過功率計WT3000精確測量發電機的浪涌電流。最后可以利用DAQWORX專業采集軟件對全部數據進行統合顯示和記錄。

綜上所述，風力發電領域面臨著空前的發展機遇，其設備系統研發、性能評估以及電場監控都在朝著越來越精密、越來越復雜的方向發展。為適應這樣的機遇和挑戰，風電行業對工具層面的測試儀器也提出了更高的要求。以橫河電機為代表的全球測試方案供應商，也在積極應對。相信高效便捷的測試產品和解決方案會給整個風電行業提供強勁助力。