一種風力發(fā)電主控系統(tǒng)與電動變槳系統(tǒng)的測試平臺

王帥　趙耀

[摘 要]本實用新型提供一種風力發(fā)電機組主控系統(tǒng)與電動變槳距系統(tǒng)試驗臺，它由上位機、實現槳葉驅動的電動變槳距系統(tǒng)和模擬風對槳葉根部轉矩的加載系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和驅動鏈仿真系統(tǒng)構成。上位機通過試驗臺控制PLC向主控系統(tǒng)發(fā)送滿足風機運行的風速風向等信號的同時，向加載系統(tǒng)發(fā)送風力載荷信號，通過加載裝置對變槳電機輸出軸施加扭矩，模擬變槳過程中氣流對槳葉的氣動載荷，即電動變槳系統(tǒng)在帶載狀態(tài)下運行，從而使主控系統(tǒng)能與變槳系統(tǒng)實現動態(tài)聯(lián)調，閉環(huán)控制，測試更為真實可靠。

[關鍵詞]風力發(fā)電，技術方案，實施措施

中圖分類號：TM921.541 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0259-01

1 風力發(fā)電系統(tǒng)的技術方案

1.1技術領域

本實用新型提供一種應用于風力發(fā)電系統(tǒng)的測試平臺，尤其是涉及一種測試主控系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)的整體性能的試驗臺，屬于風力發(fā)電技術領域。

1.2背景技術

變槳距機構就是在額定風速以上，根據風速的變化隨時調節(jié)槳距角，控制吸收的風能，一方面保證獲得最大的能量，另一方面減少風力對風機的沖擊。變槳距控制與變速恒頻控制相結合，最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量。

鑒于變槳系統(tǒng)在風電機組運行及安全性能方面占據如此重要的地位，而且在實際運行中，基本上所有的命令都是由風電機組主控系統(tǒng)來給出。所以單獨對變槳系統(tǒng)進行測試，并不能完全反應變槳系統(tǒng)的好壞，所以必須模擬現場運行情況，主控系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)協(xié)作運行并完成所有測試項目。

但是，目前國內開發(fā)和設計電動變槳距系統(tǒng)和主控系統(tǒng)沒有一套完善的場內聯(lián)調試驗方法，通常需要在風機整體吊裝完畢后，才能進行完整的測試，這樣就給設備維護和系統(tǒng)改善帶來了諸多不便，整機運行過程中很多故障不能提前暴露出來，同時這樣的現場測試也會給機組整體安全性造成威脅。

1.3技術方案內容

上位機發(fā)出開始測試指令，下載參數到驅動鏈仿真PLC，由PLC做出模型運算，一方面把實時的風速，風向值發(fā)送給被測主控系統(tǒng)，另一方面把計算出來的槳葉根扭矩值發(fā)送給負載控制系統(tǒng)；這時，主控系統(tǒng)檢測到運行參數正常，就會計算出開槳速度以及槳距角，發(fā)送開槳命令，通過CAN通訊傳送至被測變槳系統(tǒng)；計算出電機扭矩值，發(fā)送到負載控制系統(tǒng)，負載控制系統(tǒng)做出相應，通過伺服控制加載電機，使其加載扭矩值滿足條件。此時，變槳電機與加載電機就形成了對托狀態(tài)，加載電機把模擬槳葉運動時的力矩施加到了變槳電機。電機運動中，加載電機把實際扭矩值反饋給試驗臺控制系統(tǒng)，參與程序計算；電機的轉速實際值會通過負載控制系統(tǒng)反饋給試驗臺控制系統(tǒng)，方便于實驗人員實時監(jiān)測。變槳角度實際值、變槳速度實際值都會以內部CAN總線的方式最終上傳至上位機界面。

2 具體實施方式

如圖1所示

本實用新型主要包括以下部分：

①加載電機

通過試驗臺控制塊給定實際運行工況下加到槳葉根部的載荷，包括恒值載荷和交變載荷，從而使加載電機提供模擬實際運行過程中的負載力矩。

②負載控制系統(tǒng)

與外部系統(tǒng)（風機主控制系統(tǒng)、試驗臺控制系統(tǒng)）進行通訊；根據外部信號，控制加載電機的轉矩；同時給加載電機提供電源。

③風機主控系統(tǒng)

作為被測設備，運行風機控制程序，根據給定的風速、風向和發(fā)電機轉速，計算變槳角度、速度；并給變槳系統(tǒng)發(fā)送槳葉角度、槳葉速度值；同時采集變槳系統(tǒng)槳葉速度、槳葉角度信號；

④驅動鏈仿真系統(tǒng)

由PLC作為主控制器，模擬風的空氣動力學和傳動特性，能夠根據當前的節(jié)距角實際值和上位機設定的工況（在BLEDED仿真軟件中）進行仿真計算，主要輸出參數包括：發(fā)電機轉速、發(fā)電機功率、葉根的載荷（包括空氣載荷、摩擦載荷、重力載荷和慣性載荷等）。風電機組模型能夠根據不同的機組類型進行參數化配置，以適應不同變槳系統(tǒng)測試的要求。發(fā)送載荷數據給負載控制系統(tǒng)； 試驗臺控制系統(tǒng)接收負載控制系統(tǒng)發(fā)送過來的編碼器信號；驅動鏈仿真系統(tǒng)與試驗臺控制系統(tǒng)運行在同一個PLC中，通過內部實時通訊，協(xié)調控制。

⑤試驗臺控制系統(tǒng)

接收上位機信號，控制整個系統(tǒng)總體邏輯，提供必要的安全保護；配合驅動鏈仿真系統(tǒng)實現對主控系統(tǒng)的信號給定，以及給加載控制系統(tǒng)發(fā)送加載電機轉矩值、轉速值，同時采集加載控制系統(tǒng)電機實際轉速值、實際轉矩值。

⑥上位機控制系統(tǒng)

與各部分進行通訊，提供人機界面；用戶可在人機界面上設置參數、啟動、停止各子系統(tǒng)；

⑦變槳電機

實際待測試的變槳電機；

⑧變槳控制系統(tǒng)

控制變槳電機、變槳電池；與風機主控制系統(tǒng)、試驗臺控制系統(tǒng)通訊；

3 主控系統(tǒng)與電動變槳測試平臺的運行

主控系統(tǒng)與電動變槳測試平臺是按照如下所述運行的，上位機發(fā)出開始測試指令，下載參數到驅動鏈仿真PLC，由PLC做出模型運算，一方面把實時的風速，風向值發(fā)送給被測主控系統(tǒng)，另一方面把計算出來的槳葉根扭矩值發(fā)送給負載控制系統(tǒng)；這時，主控系統(tǒng)檢測到運行參數正常，就會計算出開槳速度以及槳距角，發(fā)送開槳命令，通過CAN通訊傳送至被測變槳系統(tǒng)；計算出電機扭矩值，發(fā)送到負載控制系統(tǒng)，負載控制系統(tǒng)做出相應，通過伺服控制加載電機，使其加載扭矩值滿足條件。此時，變槳電機與加載電機就形成了對托狀態(tài)，加載電機把模擬槳葉運動時的力矩施加到了變槳電機。電機運動中，加載電機把實際扭矩值反饋給試驗臺控制系統(tǒng)，參與程序計算；電機的轉速實際值會通過負載控制系統(tǒng)反饋給試驗臺控制系統(tǒng)，方便于實驗人員實時監(jiān)測。變槳角度實際值、變槳速度實際值都會以內部CAN總線的方式最終上傳至上位機界面。綜上所述，測試人員能夠在上位機監(jiān)測整體系統(tǒng)的關鍵參數變化，通過對比設定值、實際值、扭矩值的變化過程，可以全面了解變槳系統(tǒng)性能。

通過上述方式，主控系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)分別形成了閉環(huán)，協(xié)調控制。測試人員能根據現場不同的工況輸入不同的模型，對主控和變槳進行多方面的性能測試，從此提高了工廠內的測試水平和產品的適應能力。