風(fēng)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)研究

鄭衛(wèi)紅，王艷領(lǐng)，李賀來(lái)，陳亮亮，李晨

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司河南許昌461000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1]主控系統(tǒng)[2]是風(fēng)電機(jī)組的核心控制單元，協(xié)調(diào)控制變流系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制、槳距控制來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤和恒功率運(yùn)行，也用于執(zhí)行風(fēng)電機(jī)組的故障檢測(cè)與安全保護(hù)[3]，風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能優(yōu)劣直接影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和使用壽命，因此，為了保障風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量，在廠內(nèi)就對(duì)其進(jìn)行全面的運(yùn)行測(cè)試，防止問(wèn)題流出，就顯得尤為重要。

本文所述的風(fēng)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)大型風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行的開發(fā)設(shè)計(jì)，主控系統(tǒng)實(shí)物是被檢測(cè)對(duì)象。在主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程中，遇到的最大難題是無(wú)法模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)況、無(wú)法測(cè)試核心控制算法、無(wú)法準(zhǔn)確分析工況對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的影響，風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)[4]可以同時(shí)高逼真度仿真實(shí)際的風(fēng)況、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、變流器、變槳系統(tǒng)、電網(wǎng)等，使風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室就能滿足在風(fēng)場(chǎng)做試驗(yàn)所需的一切必要條件。

1　主控系統(tǒng)構(gòu)成

以常規(guī)2.0MW風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)為例，主控系統(tǒng)主要包含塔基柜和機(jī)艙柜，塔基柜安裝于風(fēng)機(jī)塔筒底部一級(jí)平臺(tái)上，機(jī)艙柜安裝于風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部，塔基柜和機(jī)艙柜之間通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)通信連接，機(jī)艙柜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線（例如CAN總線）和風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)的變槳控制系統(tǒng)[5]進(jìn)行通信連接，塔基柜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和變頻系統(tǒng)進(jìn)行通信連接。

風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)主要有PLC（可編程控制器）、通信網(wǎng)絡(luò)、安全保護(hù)、輔助部件控制、信號(hào)采集、防雷及過(guò)流保護(hù)等部件及相關(guān)回路組成。主控系統(tǒng)與外圍設(shè)備關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1　主控系統(tǒng)與外圍設(shè)備關(guān)系示意圖

PLC（可編程控制器）是風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的核心控制部件，集各項(xiàng)通信、控制、信號(hào)采集等功能于一體，由PLC中央控制器及其它功能擴(kuò)展模塊組成，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行控制、機(jī)組的安全保護(hù)、故障檢測(cè)及處理、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄顯示及人工操作，配備有多種通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)就地通信和遠(yuǎn)程通信。主控系統(tǒng)主要功能分類如圖2所示。

圖2　主控系統(tǒng)主要功能分類

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中，不同階段采用不同的最優(yōu)控制策略。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制使機(jī)組盡可能保持在最佳的葉尖速比[6]，跟蹤最優(yōu)Cp，以最大化吸收風(fēng)能。隨著風(fēng)速逐步增大，當(dāng)達(dá)到額定風(fēng)速以上后，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率達(dá)到設(shè)計(jì)的額定值，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)變槳控制來(lái)限值功率的輸出，確保風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速，并輸出恒定的額定功率[7]。

2　主控測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

新開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)產(chǎn)品尤其是主控系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)全面的工況測(cè)試，從而驗(yàn)證主控系統(tǒng)的控制邏輯、核心控制算法等技術(shù)內(nèi)容是否能有效降低機(jī)組載荷、提高機(jī)組發(fā)電量等[8]。

如下表1所示幾種主控系統(tǒng)測(cè)試方案，可以看到這幾種控制系統(tǒng)測(cè)試方案功能都比較片面，不能滿足全面的測(cè)試需求。

表1　傳統(tǒng)的主控系統(tǒng)測(cè)試方案

基于上述測(cè)試方案，總結(jié)出最佳的主控系統(tǒng)測(cè)試方案應(yīng)該全面涉及到載荷、響應(yīng)、算法、狀態(tài)等重要內(nèi)容的檢測(cè)[9]，把這些測(cè)試內(nèi)容有機(jī)融合到控制系統(tǒng)的測(cè)試中?；诖?，研究和實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)，有效的解決了在風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)開發(fā)的過(guò)程中遇到的無(wú)法模擬真實(shí)的風(fēng)況對(duì)主控系統(tǒng)核心控制算法進(jìn)行全面的詳細(xì)的測(cè)試、無(wú)法準(zhǔn)確分析工況對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響等難題。主控測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)高逼真度仿真實(shí)際的風(fēng)況、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、變流器、變槳系統(tǒng)、電網(wǎng)等系統(tǒng)的工作狀態(tài)，輸出真實(shí)的溫度、壓力、編碼器、塔架振動(dòng)、開關(guān)量等信號(hào)，使主控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室就能滿足在風(fēng)場(chǎng)做試驗(yàn)所需的一切必要條件，如同在實(shí)驗(yàn)室就擁有一臺(tái)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可全面測(cè)試控制系統(tǒng)軟硬件性能和功能。

風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)物理連接示意圖如圖4所示。

圖3　風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4　主控測(cè)試系統(tǒng)物理連接示意圖

風(fēng)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)由物理實(shí)物（系統(tǒng)硬件）、仿真及邏輯控制程序（系統(tǒng)軟件）和被測(cè)對(duì)象（主控系統(tǒng)）有機(jī)結(jié)合組成。系統(tǒng)硬件主要由控制單元（PLC控制器及相關(guān)輔助部件）、信號(hào)模擬裝置（主要包括風(fēng)速信號(hào)、風(fēng)向信號(hào)、溫度信號(hào)、脈沖信號(hào)及其它數(shù)字量和模擬量信號(hào)等）、上位機(jī)（電腦工作站：用于操作界面的顯示和仿真模型的建立）、各種通信網(wǎng)絡(luò)等組成；系統(tǒng)軟件主要由仿真模型和邏輯控制模塊組成。

3　測(cè)試系統(tǒng)工作過(guò)程

3.1　Bladed軟件仿真

仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的核心是GH公司的Bladed軟件，Bladed軟件相當(dāng)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過(guò)在仿真計(jì)算機(jī)（電腦工作站）中運(yùn)行的Bladed軟件，仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建立風(fēng)模型輸出模擬風(fēng)速和風(fēng)向[10]；建立風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈仿真模型輸出發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速[11]；建立電網(wǎng)模型輸出有功和無(wú)功功率[12]；仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)將上面的數(shù)據(jù)傳輸給仿真系統(tǒng)PLC，仿真系統(tǒng)PLC把數(shù)據(jù)通過(guò)AO通道、485通信傳給風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)。如圖5所示為仿真實(shí)驗(yàn)Bladed模型。

圖5　主控測(cè)試系統(tǒng)Bladed模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.2　數(shù)字量和模擬量仿真

主控測(cè)試系統(tǒng)的主要作用是給主控系統(tǒng)運(yùn)行提供必要信號(hào)和命令，Bladed軟件提供了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的基本工況和仿真模型，仿真試驗(yàn)柜模擬各種數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)和溫度、壓力等模擬量信號(hào)，測(cè)試人員通過(guò)專用測(cè)試軟件修改數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)和模擬信號(hào)（溫度、壓力等）的值，專用測(cè)試軟件通過(guò)以太網(wǎng)將修改后的數(shù)值傳輸給仿真系統(tǒng)PLC，仿真系統(tǒng)PLC由DO、AO、溫度信號(hào)模擬器、脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出真實(shí)的信號(hào)傳輸給主控系統(tǒng)。通過(guò)這種方式仿真試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足主控系統(tǒng)運(yùn)行所需要的DI、AI和AT等輸入數(shù)據(jù)。

3.3　仿真變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)中的Bladed軟件可以實(shí)時(shí)模擬變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過(guò)CANopen通信協(xié)議與測(cè)試系統(tǒng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。測(cè)試系統(tǒng)PLC通過(guò)以太網(wǎng)與Bladed軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。Bladed軟件模擬風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行，產(chǎn)生必要的信號(hào)輸出至主控系統(tǒng)，并接受主控的控制命令完成仿真運(yùn)行測(cè)試過(guò)程。

4　仿真模型設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)主控仿真試驗(yàn)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)[13]圖如圖6所示。

模型建模主要是為槳距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器建模和傳動(dòng)鏈仿真服務(wù)[14]。槳距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器在設(shè)計(jì)時(shí)和風(fēng)模型有關(guān)的因素主要是：控制器在風(fēng)速快速變化時(shí)的響應(yīng)速度、控制器在風(fēng)速交替變化時(shí)控制器轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性、機(jī)組安全控制、結(jié)合具體項(xiàng)目特性設(shè)計(jì)控制器參數(shù)[15]?；谏鲜鲈蚝秃?jiǎn)化建模模型（對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)由簡(jiǎn)化為剛性模型來(lái)代替），建模時(shí)忽略在風(fēng)輪不同點(diǎn)風(fēng)速的差異，考慮陣風(fēng)、湍流[16]、塔影效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)渦流的影響。

圖6　仿真測(cè)試系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)圖

5　測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果

如表2所示為主控測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)試項(xiàng)目。

表2　主控測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)試項(xiàng)目

其中，以不同工況載荷性能測(cè)試項(xiàng)目為例進(jìn)行說(shuō)明。不同工況載荷性能測(cè)試主要驗(yàn)證在不同工況情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)功率是否滿足要求，是否能長(zhǎng)期無(wú)故障帶載運(yùn)行。仿真測(cè)試結(jié)果如圖7所示，實(shí)際運(yùn)行波形如圖8所示。

圖7　仿真測(cè)試結(jié)果

圖8　實(shí)際運(yùn)行波形

根據(jù)以上仿真試驗(yàn)結(jié)果，可以觀察和分析風(fēng)機(jī)在不同工況情況下運(yùn)行時(shí)的主控系統(tǒng)控制能力。

6　結(jié) 論

風(fēng)機(jī)主控測(cè)試系統(tǒng)全面服務(wù)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的開發(fā)、測(cè)試與產(chǎn)品優(yōu)化等工作，可以全面測(cè)試主控系統(tǒng)。

應(yīng)用風(fēng)電主控測(cè)試系統(tǒng)貫穿整個(gè)研發(fā)、測(cè)試及運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)勢(shì)：

1）再現(xiàn)在風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從而可以在實(shí)驗(yàn)室解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，降低風(fēng)險(xiǎn)；

2）全面測(cè)試軟硬件功能，核心控制算法等，確保設(shè)計(jì)的合理性；

3）在工廠即可完成產(chǎn)品升級(jí)；

4）研發(fā)周期縮短30%。

參考文獻(xiàn)：