基于建模的風電主控系統(tǒng)開發(fā)模式研究

曹金青（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

基于建模的風電主控系統(tǒng)開發(fā)模式研究

曹金青（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

基于建模的控制系統(tǒng)開發(fā)已成為一種潮流，它能夠通過快速原型設(shè)計與自動代碼生成來實現(xiàn)，下載代碼到實際的PCC中實現(xiàn)硬件在環(huán)測試。在風電主控系統(tǒng)的開發(fā)中可以大大地降低開發(fā)過程中的風險并提高開發(fā)效率，從而為開發(fā)高性能和高品質(zhì)的風電主控系統(tǒng)奠定一個堅實的基礎(chǔ)，這種方式被越來越多的風機制造商所接受。

風電主控系統(tǒng)；開發(fā)模式；MATLAB/SIMULINK;PCC；自動代碼生成

1 引言

風能作為重要和目前人類掌握最成熟的可再生能源技術(shù)，具有蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，使之成為可再生能源發(fā)展的重要方向。

作為能源消耗和風能資源儲量大國，我國一直致力于風能領(lǐng)域的研究與探索。早在上世紀80年代末，風力發(fā)電的商業(yè)化模式就已經(jīng)開始在國內(nèi)運行，到目前為止，我們經(jīng)歷了早期從國外引進技術(shù)和設(shè)備到現(xiàn)在我們自己的技術(shù)和設(shè)備銷往全球的轉(zhuǎn)型。特別是從2006年《可再生能源法》頒布實施以來，我國風電裝機容量迅速增長，產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成。截止到2009年，我國風電年度新裝機量連續(xù)4年增幅達100%，平均裝機單機容量也在2011年超過了1500kW，呈現(xiàn)了高速發(fā)展的態(tài)勢。截止到2012年底，我國風電累計裝機容量為7532萬kW，名列全球第一。

2 風力發(fā)電機的基本工作原理和分類

在人們早期使用風力機的時候，就利用到了風力機的基本功能，即利用風輪捕獲空氣流動的能量，并將獲取的風能轉(zhuǎn)換成機械能，然后通過風輪軸傳輸出去是風力機的基本功能。與此同時，我們也可以知道風力機的基本工作原理：利用風輪捕獲氣流所獲得的阻力和升力，通過風輪把風能轉(zhuǎn)換成機械能，再經(jīng)過主軸連接齒輪箱獲得合適的轉(zhuǎn)速之后帶動發(fā)電機發(fā)電。

目前為止，風力機主要分為水平軸與垂直軸兩大類，但是從應(yīng)用規(guī)模和技術(shù)成熟度上來說，水平軸風力機擁有絕對的優(yōu)勢。其中水平軸風力機以同步永磁直驅(qū)和雙饋異步兩種為主（見圖1），本文的探討主要圍繞著水平軸風力機來進行。

圖1 直驅(qū)和雙饋發(fā)電機

3 風電主控系統(tǒng)概述

3.1 風電主控系統(tǒng)的主要功能

MW級風機主控系統(tǒng)從根本上來講是基于計算機實時監(jiān)控技術(shù)的本地控制、遠程監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的集合。它的主要任務(wù)就是控制風電機組的運行，依據(jù)其特性自動檢測故障并根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施。

主要功能：

? 低于額定風速時，跟蹤最佳功率曲線；

? 高于額定風速時，保持功率輸出恒定；

? 記錄運行數(shù)據(jù)，產(chǎn)生功率曲線等各種圖表。

與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行參數(shù)，對機組進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而且還要根據(jù)風速和風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。

3.2 國內(nèi)風電主控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

從2006年《可再生能源法》頒布實施開始，國內(nèi)開始大規(guī)模的發(fā)展風電，為了追求進度、占領(lǐng)市場和先機，大部分國內(nèi)的整機廠商都是從國外知名設(shè)計公司購買的技術(shù)，在起步階段主控的核心技術(shù)都被國外的相關(guān)機構(gòu)所把持。

為了加強我國風電行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)造力，加快行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，國家相關(guān)部門在后續(xù)的風電項目招標中特地規(guī)定了風機整機的國產(chǎn)化比例，從而大大的加快了我國風電技術(shù)從購買到消化再到創(chuàng)新的速度。

目前來講，國內(nèi)的眾多整機廠商都在吸收國外購買技術(shù)的基礎(chǔ)上開始研制自主的風電主控系統(tǒng)。

3.3 風電主控系統(tǒng)的研發(fā)背景和特點

對于風力發(fā)電的主控系統(tǒng)設(shè)計而言，意味著巨大的風險，因為風機基本都在偏遠的地方，這些在野外工作的控制器要在非常惡劣的環(huán)境下執(zhí)行控制任務(wù)，而且，由于風場遠離城市，對主控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求特別高，否則相關(guān)的維護成本將極大增加，這就是風力發(fā)電需求中非常重要的一點。

為了保證所設(shè)計的控制系統(tǒng)有效可用，就需要在發(fā)電機組正式運行之前做大量的現(xiàn)場測試，一方面，現(xiàn)場測試就意味著巨大的投入；另一方面，業(yè)主也不會允許你將一套不成熟的控制系統(tǒng)拿到現(xiàn)場反反復(fù)復(fù)的測試。業(yè)主想要采購的是一套能直接投入使用的控制系統(tǒng)，而不是一個半成品，當你在開發(fā)新的控制系統(tǒng)的時候，以前的經(jīng)驗是可以借鑒的，但是最好是在被運到現(xiàn)場之前，控制系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了大量的仿真測試，被驗證是可靠且可用的，只需要在現(xiàn)場進行相關(guān)的參數(shù)的調(diào)試之即可運行。而且，有時候需要做的測試是無法搭建現(xiàn)實條件的，例如風輪超速和一些需要進行風險極高的臨界和超限的測試，這些巨大的風險如何科學(xué)地進行規(guī)避？

4 基于建模的風電控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 開發(fā)流程

4.1.1 V模型

V-model是一種軟件生存期模型，在瀑布模型的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化改進，使得在軟件開發(fā)的生存期，開發(fā)活動和測試活動幾乎同時開始，這兩個并行的動態(tài)過程極大的降低了BUG和ERROR的出現(xiàn)幾率。在V-model中，并行是核心，即開發(fā)和測試過程為同步進行V-model包含了三個等級，分別是生存期模型，分配模型，功能性工具需求模型，分別回答了“Whathastobedone?”-闡述了應(yīng)當實施哪些活動，應(yīng)該產(chǎn)生哪些結(jié)果；分配模型回答了“Howisitbedone”-決定了在實施活動的時候應(yīng)該使用什么樣的方法；功能性工具需求模型回答了“Whatisusedtodoit”，采用什么樣的工具來實現(xiàn)這些活動。所有這些等級中又是由4個子模塊組成，分別是項目管理模塊(PM)，系統(tǒng)開發(fā)模塊(SD)，品質(zhì)保證模塊(QA)，配置管理模塊(CM)，這些模塊的功能就顯而易見了。

4.1.2 客戶需求作為應(yīng)用開發(fā)的中心

在實際使用中，將客戶需求作為開發(fā)的中心，圍繞著客戶需求的實現(xiàn)進行項目的需求定義、設(shè)計規(guī)范、以及系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)設(shè)計、軟件規(guī)范以及實現(xiàn)幾個部分，而對應(yīng)的有最終客戶認同的測試規(guī)范、系統(tǒng)測試、功能測試、軟件集成測試、軟件模塊測試，這兩個部分是并行實施的。如圖2所示。

圖2 客戶需求作為應(yīng)用開發(fā)的中心

4.2 系統(tǒng)定義

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，完成機組整個控制的設(shè)計需求分析、設(shè)計規(guī)范，如功率控制算法軟件模塊、變槳伺服控制算法、機組邏輯、控制對象參數(shù)等。這些建立在深刻的理解行業(yè)需求和深度的客戶溝通基礎(chǔ)上來實現(xiàn)，因此Customer是這個V形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

綜合預(yù)警結(jié)果中的狀態(tài)預(yù)警結(jié)果，是對影響工作面突出危險性大小的各因素的集中表現(xiàn)，反映了采掘工作面當前狀態(tài)下的突出危險程度，因此各工作面掘進過程中不同等級預(yù)警結(jié)果所占比例的不同，從整體上反映了各工作面突出危險性的大小。

4.3 SIMULINK的電力應(yīng)用分析能力

SIMULINK里包含了柔性輸電系統(tǒng)向量模型、風力渦輪的向量模型、電機的直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制模型等。SIMULINK為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供了三種解決方案，以及一種理想的切換算法，可通過高頻切換提升系統(tǒng)的仿真性能。在SIMULINK中使用變步積分算法來執(zhí)行高度精確的電力系統(tǒng)模型仿真。其中一些積分算法可處理在實際電力系統(tǒng)建模中常遇到的數(shù)值剛性系統(tǒng)。

SIMULINK提供的零點穿越檢測功能，能以十分精確的機器精度檢測并求解不連續(xù)過程。離散仿真采用固定步長梯形積分法來仿真系統(tǒng)，特別適合帶電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)模型。該模式還有助于實現(xiàn)模型的實時執(zhí)行。向量仿真則采用一組固定頻率代數(shù)。

4.4 建模與仿真

風能利用是一個系統(tǒng)工程，涉及到了氣象學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、電力電子、機械工程、材料工程等多種學(xué)科和專業(yè)，許多部件都可以建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，同時控制系統(tǒng)設(shè)計是基于數(shù)學(xué)建模的，這是所有工程應(yīng)用的目標和基礎(chǔ)理論，在這個技術(shù)的應(yīng)用中，MATLAB/SIMULINK成為了必要的工具，MATLAB正是提供了建模設(shè)計架構(gòu)上的系統(tǒng)仿真和分析；SIMULINK的仿真將整個系統(tǒng)的各個物理組件都能夠成為系統(tǒng)的仿真對象，并建立控制器模型，測試每個輸入及其反饋來獲得系統(tǒng)影響因素的最佳控制器參數(shù)。

貝加萊公司從2008年開始就與Mathworks建立了深度的合作關(guān)系，在貝加萊職能開發(fā)平臺AutomationStudio中集成了MATLAB/SIMULINK的接口（如圖3所示），提供針對機械設(shè)備的模型構(gòu)建、仿真分析與代碼的自動生成設(shè)計，這將大大減少工程設(shè)計人員的編程調(diào)試時間，節(jié)約現(xiàn)場調(diào)試費用。

圖3 集成MATLAB/SIMULINK的AutomationStudio

通過SIMULINK建立模型就如同裝配物理系統(tǒng)的本身一樣，模型中各個組件就像實際的物理線路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導(dǎo)路徑，通過這個方法，可描述系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，而無需推導(dǎo)和實現(xiàn)用于系統(tǒng)的方程。模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動構(gòu)造描述系統(tǒng)運行的微分代數(shù)方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線路的模型，勵磁、液壓和風力渦輪機組，以及電力電子單元的GTO、IGBT模型，對于控制和測量單元的電壓、電流、阻抗測量，RMS測量，有功和無功功率的計算，以及abc-todq0及dq0到abc的轉(zhuǎn)換，三相單元的RPL負載、同步或異步發(fā)電機，電動機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過SIMULINK來連接(如圖4所示)。

圖4 利用SIMULINK可以為風力發(fā)電機組建立控制系統(tǒng)模型

4.5 自動源代碼生成

在MATLABSIMULINK中成功的起風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型之后，可以一鍵自動的生成源代碼，下面就以風電主控中用到的溫度控制為例做詳細說明。

首先要建立起被控對象的數(shù)學(xué)模型，一般為一階：

G(s)=Ke-ts/(Ts+1)

在此基礎(chǔ)上，以PI系統(tǒng)為例，SIMULINK的仿真模型如圖5所示。

圖5 PI系統(tǒng)的仿真模型

該模型在SIMULINK中的仿真結(jié)果如圖6所示。KP=4;KI=0.1

圖6 仿真結(jié)果

要想在AS中實現(xiàn)自動生成代碼的功能，首先要將SIMULINK模型分為控制和模型兩部分，并使用B&R工具箱中的組件替換輸入輸出和中間變量（名字需和AS項目中對應(yīng)任務(wù)名一致）。

? 控制部分temp_ctrl（如圖7所示）。

圖7 控制部分Temp_ctrl

? 模型部分temp_plant（如圖8所示）。

圖8 模型部分Temp_plant

雙擊Config模塊設(shè)置為代碼生成模式，如圖9所示。

圖9 設(shè)置代碼生成模式

在設(shè)置好代碼生成模式之后需要再配置生成參數(shù)，如圖10所示。

圖10 配置生成參數(shù)

與此同時還需要設(shè)置循環(huán)周期和生成路徑，完成以上步驟之后再添加相應(yīng)的AS必須庫，就可以一鍵生成C代碼了，并且在AS中以任務(wù)的形勢出現(xiàn)，如圖11、圖12所示。

在一鍵生成在AS中的代碼之后，會發(fā)現(xiàn)所生成的代碼的循環(huán)周期和在SIMULINK中配置的循環(huán)周期是一致的，如圖13所示。

圖11 添加AS必須庫

圖12 自動生成源代碼

圖13 AS中生成的代碼

在經(jīng)過從模型到一鍵生成AS中的代碼之后，可以直接下載到貝加萊公司的PCC中進行在環(huán)測試并進行軌跡跟蹤，如圖14所示。

圖14 軌跡跟蹤

5 效果反饋

5.1 能夠仿真難于實現(xiàn)測試的應(yīng)用

對于風電的很多測試而言，現(xiàn)實直接測試的成本非常高昂的。例如在風力發(fā)電的模型設(shè)計中，一些極端的風力條件是無法在現(xiàn)實中隨時獲取的，而且，為了避免機器系統(tǒng)需要昂貴的測試成本和部分測試條件的不確定性，從而采用仿真技術(shù)，可以在接近最佳模型時進行針對性的測試，而這個過程將會大大縮短測試所需的時間，提高開發(fā)的效率，使得所開發(fā)的風電主控系統(tǒng)更加的高效，如圖15所示，在風速是10m/s，還沒有達到風機額定風速的情況下，所發(fā)的電要比以往高出10%左右。

Study on Development Mode of Wind Power Master Control System Based on Modeling

TThe development of modeling based system becomes a trend. It can be implemented via quick prototype design, automatic code generatingand downloading the code into the practical PCC to realize hardware-in-the-loop test. The risk of development process can be immensely reduced in thedevelopment of the wind power master control system and promoting the efficiency of development. Thereby, it will be able to establish a solid foundation for developing the wind power master control system of highperformance and quality. And it ismore and more accepted by wind turbine manufactories.

Wind powerMaster control system; Develop mode; MATLAB/ SIMULINK; PCC; Automatic code generating

B

1003-0492(2014)01-0092-04

TP273