风力发电机控制系统半实物仿真平台的设计与应用*

2021-01-12蒋登科

机械研究与应用 2020年6期

蒋登科

(湖南农业大学，湖南长沙 410100)

0 引言

风能作为一种无污染、可再生的能源，蕴藏量丰富，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约为10亿kW。把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电，风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。

在近15年国家政策的支持下，风电产业进入高速发展时期，装机数量飞速增长，随之而来的是出现了较多的严重风机故障。由于风机在运行时的环境复杂，甚至相当恶劣，风况也变化相当快，如果风机的主控控制系统的控制策略存在问题，那将直接导致出现重大故障甚至是灾难。

风机半实物仿真平台为风机主控制模拟全面的风机运行环境，对主控控制程序进行各种风况下的功能、性能测试，对控制算法进行仿真，验证控制策略的正确性，降低甚至避开风机实际运行风险，可以提供现场故障复现，为故障分析与解决方案的制定提供依据和解决方法。笔者通过对控制系统半实物仿真平台整体设计方案、仿真平台实现、主控控制器仿真运行测试及应用，得出控制半实物仿真平台设计方案能够系统的对风力发电主控程序进行仿真测试，能够发现并解决主控程序在进入风力发电机实际运行前的逻辑错误、算法错误、故障码问题等。

1 控制系统半实物仿真平台设计方案

半实物仿真测试平台由PC计算机、数据模拟系统、主控系统及人机交互系统组成，整体结构见图1。通过数据模拟系统搭建主控系统与风机模型的数据交互桥梁，使主控系统与风机模型实现联合仿真，可进行控制算法、控制逻辑、故障码等多功能的仿真测试。

PC计算机：用于安装和运行仿真软件Bladed，并通过Hardware Test与数据模拟系统进行数据交互。

主控系统：用于运行主控程序、接收风机环境模拟信号、发送风机运行控制指令。

数据模拟系统：模拟风机部分环境变量，并将风机Bladed模型的运行数据转化为主控系统可以接收的形式，为主控系统提AIO、DIO、CAN等提供输入；接收主控控制指令，并转化和传递给Bladed模型运行。

2 半实物仿真平台实现

风力发电机控制系统半实物仿真平台主要包括风机模型、主控控制器(包括控制程序)、数据交互系统、人机交互界面。

图1 半实物仿真平台结构图

2.1 风机模型设计

平台设计采用GH Bladed建模，风力发电机组分为叶片、传动链、发电机、电力电子装置和控制器。可以通过GH Bladed中的输入参数来定义和建立模型，该软件通过德国劳氏船级社的认证，被广泛应用于风力发电机设计和认证过程中的载荷分析，是当前风电行业使用的标准软件。在bladed软件中，进行风机各部件参数设置，设置界面如图2。

图2 风机参数设置

2.2 主控控制器和控制程序

此次设计主控控制器和控制程序采用三一某型号风力发电机实际使用的控制器和控制程序，控制器为巴赫曼工业PLC，通过操作软件solutioncenter对控制器进行相应的操作。此设计为全硬件在环设计，所以不需要修改I/O口参数，不需要对控制程序作任何修改。Bladed软件的外部控制器DLL运行后和数据交互系统通讯，数据交互系统再将相应的I/O口数据与主控制控制器交换，主控程序运行状况通过人机界面实时呈现。

2.3 数据交互系统

此次设计数据交互系统采用相应的PLC进行数据处理和发生，为主控制控制器I/O口提供风机模拟外部条件产生的数据，同时主控控制器运行发出的数据通过I/O口发送给数据交互系统，数据交互系统与Bladed进行数据交互。变流器及其他通过CAN通讯与主控控制器通讯的部件，这部分数据则通过数据交互系统与主控控器进行CAN通讯数据交换。

2.4 人机交互界面

此次设计人机交互系统采用三一某型号风力发电机实际使用的人机交互界面，通过以太网线进行通讯，将主控控制器实际运行的数据在人机界面上实时显示，可以对主控程序进行相应的设置，如停机启机、限功率、各部件的启停等。

3 主控控制器仿真运行测试及应用

先在Hardware Test仿真系统中设置好运行工况，并启动仿真。数据模拟系统将接收到的风机Bladed模型运行数据和环境模拟数据转换成主控系统接收的信号，主控系统接收风机相应数据，按程序运行并发出控制指令反馈给数据模拟系统，模拟系统再将指令传递给PC，控制Bladed模型的运行。试验人员可观察风机模拟运行状况，并对风机模拟运行数据进行录波和分析。

图3 主控程序在某工况下的运行曲线

通过对某型号风机主控程序运行测试，在设定特定的工况下，主控程序运行情况如图3曲线记录所示，图示记录主控程序的桨距角、偏航角度、转矩万分比、发电机转速及发电功率等主要参数。仿真测试发现正常停机和紧急停机状况下，存在桨距角设定和转矩控制逻辑存在问题，如出现大于切出风速的阵风时，转矩提前减小，则有飞车的风险。通过仿真测试极端工况下主控程序的运行情况，能够对设计的缺陷进行及时修复完善，对收桨速度和转钜控制上进行优化，确保主控程序以最优状态进入主机试运行。