兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備研制

石 瓊

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湘潭 411101)

兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備研制

石 瓊

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湘潭 411101)

以企業(yè)的2 MW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為原型，研制一種學(xué)生、企業(yè)可用的兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備.闡述了該裝備的設(shè)計思路、總體構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù).該裝備采用軟硬件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)計了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝、調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)行、監(jiān)測等功能，可以為學(xué)校學(xué)生實(shí)踐教學(xué)、企業(yè)員工培訓(xùn)、調(diào)試員預(yù)調(diào)試程序等工程提供一個良好的平臺.

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；3D仿真；實(shí)訓(xùn)裝置； 序調(diào)試

風(fēng)力發(fā)電在“十二五”期間的迅猛發(fā)展，裝機(jī)量在“十三五”期間將繼續(xù)上升，并將催生出巨大的風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行與維護(hù)市場.

對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)而言，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)過程中，需要對生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行企業(yè)內(nèi)初步調(diào)試和現(xiàn)場安裝調(diào)試.這樣一是為了檢驗(yàn)控制程序的正確性，二是為了檢驗(yàn)產(chǎn)品的各部件是否可以正常工作.目前，這些調(diào)試過程都要等到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件起來后才能驗(yàn)證，如果設(shè)計有錯誤或者有缺陷，將需要拆除重新生產(chǎn)或吊裝，其花費(fèi)的人力、物力和財力將是巨大的.因此對開發(fā)人員來說，三維動態(tài)仿真系統(tǒng)的建立，可以減少風(fēng)機(jī)設(shè)計中的缺陷，通過仿真系統(tǒng)，可以提高開發(fā)人員的設(shè)計準(zhǔn)確度，同時可以減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場驗(yàn)證的時間.對于安裝與維護(hù)人員來說，由于三維動態(tài)仿真系統(tǒng)是基于實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建立的，通過該系統(tǒng)，可以使風(fēng)機(jī)維護(hù)人員最快地了解直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝、調(diào)試原理，可以大大節(jié)省企業(yè)培訓(xùn)員工的時間，提高培訓(xùn)效率.

對于高校而言，諸多高校開設(shè)了風(fēng)力發(fā)電相關(guān)專業(yè)，為風(fēng)力發(fā)電輸送了大量專業(yè)人才.這些高校都建立了硬件仿真為主的風(fēng)電實(shí)訓(xùn)基地，具備了較強(qiáng)的辦學(xué)能力.但是這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備也存在不足：

(1)整體性功能過強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中可以看到整體的功能，看不到細(xì)節(jié)；

(2)純硬件設(shè)備成本高昂，工位擴(kuò)展困難；

(3)純軟件設(shè)備真實(shí)感不夠強(qiáng)，在設(shè)備的調(diào)試與控制方面存在缺失；

(4)直接面向我校學(xué)生主要就業(yè)企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)備略顯不足.

因此，為了使辦學(xué)更好地對接產(chǎn)業(yè)、面向行業(yè)，更適用于“你教我導(dǎo)”、“理實(shí)一體”風(fēng)電專業(yè)教學(xué)，擬依托最先進(jìn)的信息技術(shù)與電子技術(shù)，依托湘電集團(tuán)湘電風(fēng)能公司、動能公司等風(fēng)電專業(yè)相關(guān)的專家、技術(shù)骨干，結(jié)合目前職業(yè)教育的特點(diǎn)，融合行業(yè)、企業(yè)、學(xué)校、社會等多方資源，以現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件為基礎(chǔ)，校企共同研究出兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備是有必要的.

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真與實(shí)訓(xùn)平臺研究現(xiàn)狀

(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)理論仿真研究現(xiàn)狀

目前，高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真研究成果比較多，但是這些成果都是對某種機(jī)型或產(chǎn)品、具體某結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)前的理論設(shè)計研究，一般都是采用建立數(shù)學(xué)模型、MATLAB對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真的研究思路，如文獻(xiàn)[1-5]所述.這些研究對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計的初期具有重大意義，可以幫助設(shè)計者從理論上快速驗(yàn)證其設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否符合設(shè)計要求，但是對于風(fēng)電機(jī)組投入生產(chǎn)后程序員調(diào)試部件或整機(jī)的控制程序，對于企業(yè)安裝、調(diào)試、運(yùn)維員工的培訓(xùn)工作等的幫助是微乎其微的.

(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)從事風(fēng)力發(fā)電設(shè)備教學(xué)設(shè)備研究的企業(yè)不下二十家，它們研發(fā)的產(chǎn)品同一性比較強(qiáng)，主要有風(fēng)光互補(bǔ)成套教學(xué)設(shè)備、小型風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)設(shè)備、大型雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等幾大類.這類實(shí)訓(xùn)設(shè)備距離風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上、原理上有一定的差距，不適合企業(yè)用于員工的培訓(xùn).因此，目前這些教學(xué)儀器主要用于高校風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐課程教學(xué)上，但是由于該類產(chǎn)品幾乎為純硬件式教學(xué)儀器，產(chǎn)品成本居高不下，在一定程度上限制了高校，特別是高職類院校引入該類設(shè)備的決心和擴(kuò)大風(fēng)電類實(shí)訓(xùn)室的規(guī)模，不利于“理實(shí)一體”風(fēng)電專業(yè)教學(xué)工作的開展.

(3)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軟件仿真系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，對于風(fēng)力發(fā)電整機(jī)進(jìn)行運(yùn)行與維護(hù)仿真的軟件設(shè)計商還不是很多，其中以中國電力研究院研究的產(chǎn)品“雙饋風(fēng)力發(fā)電運(yùn)維仿真系統(tǒng)”、“雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝多媒體培訓(xùn)軟件”、“雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)維多媒體培訓(xùn)軟件”比較典型.這類產(chǎn)品由于采用純軟件設(shè)計，產(chǎn)品成本較低，工位擴(kuò)展比較容易，工作任務(wù)主要集中在對整機(jī)的運(yùn)行與維護(hù)的仿真，對于微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)行、姿態(tài)、機(jī)器參數(shù)的反饋、控制程序的調(diào)試等方面存在不足，甚至是缺失，且在多種機(jī)型的可擴(kuò)充方面沒有做考慮，因此，該類產(chǎn)品不能滿足企業(yè)科研人員控制程序預(yù)調(diào)試的需求，也不能滿足企業(yè)對員工在風(fēng)力發(fā)電的安裝、調(diào)試、運(yùn)維等培訓(xùn)工作的需求.

2 研究目標(biāo)和內(nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

以湘電風(fēng)能生產(chǎn)的2 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，采用軟硬件結(jié)合的方式，研發(fā)出一套兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備，為風(fēng)電企業(yè)科研人員展開科研、風(fēng)電企業(yè)進(jìn)行員工培訓(xùn)、高校風(fēng)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)等提供一個真實(shí)感很強(qiáng)、價格低廉的完全面向行業(yè)、對接產(chǎn)業(yè)的工作平臺.系統(tǒng)將設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)試、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)等功能，將覆蓋風(fēng)力發(fā)電制造與運(yùn)維的所有工作崗位和工作過程.

2.2 研究總體方案設(shè)計

根據(jù)研究目標(biāo)和預(yù)期培訓(xùn)項(xiàng)目目標(biāo)，設(shè)計了兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備的總體設(shè)計圖如圖1所示.

圖1 總體設(shè)計方圖

其中氣象站(風(fēng)向、風(fēng)速、溫度)把氣象參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號傳給核心控制器，控制器PLC根據(jù)輸入信號判斷風(fēng)機(jī)將要執(zhí)行的動作，并輸出相應(yīng)的控制量去控制相關(guān)部件執(zhí)行動作；PLC輸出的控制信號經(jīng)模擬驅(qū)動器轉(zhuǎn)換成符合控制協(xié)議的控制數(shù)據(jù)流，控制上位機(jī)風(fēng)機(jī)三維仿真模塊作出相應(yīng)動作；在上位機(jī)界面中設(shè)計了三維導(dǎo)航功能、三維動畫顯示功能、電氣控制原理flash功能、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測功能.在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，上位機(jī)把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)信息按照狀態(tài)協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳送給模擬傳感器；模擬傳感器將風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)以符合真實(shí)風(fēng)機(jī)相應(yīng)狀態(tài)監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)格式反饋給控制器PLC，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時閉環(huán)自動控制仿真.系統(tǒng)中的氣象站、控制器、模擬驅(qū)動器、模擬傳感器采用實(shí)物和硬件實(shí)現(xiàn)，底層協(xié)議和上位機(jī)界面軟件采用軟件實(shí)現(xiàn).

2.3 具體研究方法與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)模塊三維動畫研究、模擬控制柜研究、模擬傳感器研究、氣象站選型、上位機(jī)軟件研究與協(xié)議研究.

(1)氣象站與控制器選型

氣象站由風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器組成，均采用實(shí)物實(shí)現(xiàn)，一般選擇與需要仿真的機(jī)型參數(shù)一致的傳感器，保證了采集的數(shù)據(jù)符合風(fēng)機(jī)的真實(shí)情況.控制器PLC采用彈性設(shè)計，用于企業(yè)的平臺要求選用真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制柜中的控制器，使企業(yè)的風(fēng)機(jī)控制程序能夠無縫移植入平臺，確保調(diào)試、運(yùn)維功能的實(shí)現(xiàn)；用于教學(xué)的平臺，控制器采用S-300的實(shí)物實(shí)現(xiàn).

(2)模擬驅(qū)動器與傳感器設(shè)計

模擬驅(qū)動器與模擬傳感器采用硬件實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)圖參見圖2.模擬驅(qū)動器與模擬傳感器核心控制器采用TSM32103F實(shí)現(xiàn)，在處理器中嵌入μC/OS-II操作系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組控制器(PLC)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(風(fēng)電機(jī)組3D仿真平臺軟件)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.PLC發(fā)出的控制命名經(jīng)過TLP521光電隔離電路實(shí)現(xiàn)電壓匹配，通過I/O口擴(kuò)展模塊進(jìn)入核心控制器，系統(tǒng)一共設(shè)計了64個控制命令通道，可以靈活配置適應(yīng)多種機(jī)型的使用.軟硬件采用USB虛擬串口實(shí)現(xiàn)，具體是通過控制器的RX/TX接口，采用PL2303實(shí)現(xiàn)RS232-USB轉(zhuǎn)換.模擬傳感器包括共設(shè)計了一下幾個傳感器模塊：16路開關(guān)模擬傳感器輸出、16路數(shù)字可調(diào)電阻模擬傳感器輸出、32路脈沖模擬傳感器輸出、32路0～5 V或0～10 V電壓模擬傳感器輸出、32路4～20 mA電流模擬傳感器輸出.

圖2 模擬驅(qū)動器與模擬傳感器電路結(jié)構(gòu)圖

(3)上位機(jī)軟件及3D模塊設(shè)計

電氣控制flash是采用flash工具繪制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各電氣控制部分的電氣原理圖，可以通過動畫演示的方式，動態(tài)顯示當(dāng)前風(fēng)機(jī)某部分的電氣運(yùn)行過程和故障點(diǎn).三維動畫模塊主要由偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、主軸、直驅(qū)式發(fā)電機(jī)、塔筒等子系統(tǒng)組成.通訊協(xié)議軟件包括控制協(xié)議層軟件、狀態(tài)協(xié)議層軟件，采用ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn).三維模塊導(dǎo)航子界面采用樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于迅速導(dǎo)航到用戶需要關(guān)注的風(fēng)機(jī)的某功能模塊.模擬裝配好的機(jī)艙、輪轂等的3D仿真如圖3所示.

3 培訓(xùn)內(nèi)容與項(xiàng)目開發(fā)

利用自主研發(fā)的兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備，我們聯(lián)合風(fēng)電行業(yè)企業(yè)的專家，通過對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、檢測、維護(hù)等主要職業(yè)崗位進(jìn)行分析，歸納出包括風(fēng)電機(jī)組車間裝配、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場裝配、風(fēng)電機(jī)組車間調(diào)試等內(nèi)涵的行動領(lǐng)域，以此為依據(jù)，校企協(xié)作，選擇典型的企業(yè)產(chǎn)品或工作過程作為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的載體，共同開發(fā)了包括電氣控制技能訓(xùn)練、電氣安裝技能訓(xùn)練、機(jī)械安裝技能訓(xùn)練等學(xué)習(xí)領(lǐng)域的實(shí)訓(xùn)架構(gòu)，并開發(fā)了如機(jī)艙車間裝配學(xué)習(xí)領(lǐng)域的偏航軸承安裝、機(jī)艙制動盤安裝等技能實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并編寫了相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書.

圖3 風(fēng)電機(jī)組主要零部件3D裝配效果圖

4 結(jié)語

兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3D仿真培訓(xùn)裝備的建成，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝、調(diào)試、維護(hù)等實(shí)踐教學(xué)增添了新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)備，為風(fēng)電方向的學(xué)生提供了新的工程實(shí)踐手段，也為企業(yè)提供了一個良好的員工培訓(xùn)平臺.該培訓(xùn)裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)和特點(diǎn)：

(1)創(chuàng)新了軟硬件結(jié)合的仿真新模式.打破了原有純硬件或純軟件仿真的風(fēng)電類工作平臺的思路，創(chuàng)新性的采用軟硬件結(jié)合的方式，使仿真平臺具有部件調(diào)試功能、控制程序系統(tǒng)測試功能；

(2)以三維立體動態(tài)的方式全方位、直觀的實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)試、聯(lián)調(diào)等領(lǐng)域的仿真；

(3)直接對接行業(yè)，面向企業(yè)，以兆瓦級直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為仿真平臺的對象.

(4)特點(diǎn)鮮明：真實(shí)感很強(qiáng)；平臺成本極低，工位可以無限擴(kuò)展；完全面向行業(yè)、對接產(chǎn)業(yè)；具備多種機(jī)型可擴(kuò)展性；實(shí)用性強(qiáng)，適用人群廣.

[1] 李治琴.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳控制仿真研究[D].西南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

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[3] 吳 攀.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用[D].太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

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Development of 3D Simulation Training Equipment for MW Direct-driven Wind Power Generation

SHI Qiong

(Hunan Electrical College of Technology， Xiangtan 411101, China)

For students and enterprises, a 3D simulation training equipment of MW direct-driven wind power generation is designed based on the enterprise 2MW direct-driven wind power generation. The design ideas, overall structure and key technology are described. The equipment by combining software with hardware, which has some functions as the wind turbine installation, commissioning, maintenance, operation and monitoring, can provide a good platform for practice teaching of students, enterprise staff training, commissioning staff pre commissioning procedures and engineering.

direct-driven wind power generation; 3D simulation; training device; program debugging

2016-10-12

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(15C0306)；湖南省重點(diǎn)項(xiàng)目“風(fēng)電技術(shù)示范特色專業(yè)群”(Z).

石 瓊(1982-)，男，講師，研究方向：新能源、智能系統(tǒng).

TM614

A

1671-119X(2017)01-0032-05