风力发电行业的完整测试解决方案综述

新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。目前我国新能源利用技术已经取得了长足进展，并在各地形成了一定的规模，尤其在风能领域发展非常迅速。近期国家出台了新能源发展规划，风力发电作为重点扶持行业，拥有了更广阔的发展前景。

一、风能领域概述

和其他类型的新能源相比，风能的独特优势使其在新能源开发利用中备受青睐。

其一，储量大、分布广。我国探明风能理论储量为32.26×109kW，而可开发利用的为2.53×109kW，近海可利用风能7.5×109kW。我国东南沿海和内蒙、新疆、甘肃等东北、西北地区是最大风能资源区。

其二，可利用性强，成本相对低。目前风电场造价成本约为8500～9000元/千瓦·时，机组（设备）占70%左右，基础设施占25%，其他占5%。风电场运行维护成本费用很低（约占风电机组成本的3%～5%），建设周期短（半年左右）。一旦建成，风电场就是一源源不断的出钱机器。

二、风力发电的技术核心

风力发电系统作为风能发电领域的核心环节，技术进步也是日新月异。目前主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。

恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，从而保证发电机端输出电压的频率和幅值恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。

变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮，使整个系统在很大的速度范围内按照最高的效率运行，这是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%～150%之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，非常不经济。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大中容量的风力发电系统。

采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑结构包括交流励磁控制、转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。

1 交流励磁结构

交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。

2 斩波调阻结构

这种结构的基本思想是采用一个可控电力电子开关，以固定载波频率的PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间的长短，从而调节转子电流的幅值，控制滑差约在10%的范围之内。该结构依靠外部控制器给出的电流基准值和电流的测量值计算出转子回路的电阻值，通过电力电子器件的导通和关断来调整转子回路的电阻值。这种电力电子装置的结构相对简单，但是其定子侧功率因数比较低，且只能在发电机的同步转速以上运行，是一种受限制的变速恒频系统。

3 混合结构

为了降低变流器的成本并且能够实现风力发电系统的宽转速范围运行，有人提出一种基于双馈电机斩波调阻与交流励磁控制策略多功能变流器拓扑结构，将整流器、斩波器和逆变器结合在一起，该结构的巧妙之处在于斩波器和逆变器共用了一组可控的电力电子开关，但是由于引入了四个接触器型的受控开关，导致该结构的主回路结构复杂，很难实现同步速切换过程的过渡，而且在高于同步速运行情况下难以改善发电机的功率因数。

综上所述无论采用哪种结构，在研发过程，对变频系统的效率和性能进行准确的评价和测试都至关重要；同样风电场的整体监控也需要精确的测试。

三、风力发电的测试要点

工欲善其事，必先利其器。风力发电从电机研发到风电场监控需要成套的高性能测试仪器来实现精确调制和严密监控。

1 利用功率计对变频系统的性能作精确的评价

风力发电系统变频系统的调制频率带宽高，调制方式复杂，调制的对象也非正弦波形，波形畸变严重，且包含大量的变频成分，要求测量仪表具有宽频带功率测量和谐波分析功能。为此需要选用性能稳定且精度高的功率计作好辅助工作。下文以横河电机的WT3000功率计为例，简要谈谈风电行业的测试。WT3000可以进行IEC61000－4－7最新版谐波分析、IEC61000-4-7最新版的谐波测量及电压波动/闪变测量，带宽0.1Hz～1MHz，采样率 200kSa/s，ADC为16位，功率精度为0.02%，配有4个输入模块，8.4英寸LCD显示，以及USB和Ethernet接口。

● 变频后波形的失真

波形失真与谐波的关系，如图1所示。