兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 營(yíng)， 夏 青， 文 武， 趙 曦

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

風(fēng)能的波動(dòng)性和間歇性使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研發(fā)調(diào)試受到現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境的制約； 風(fēng)電機(jī)組控制柜安裝于百米高的塔頂， 空間狹窄， 工作人員不便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；用戶發(fā)電生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的需要，不能隨時(shí)為新產(chǎn)品研制提供測(cè)試條件。綜合上述三個(gè)原因，使得風(fēng)電控制系統(tǒng)調(diào)試的難度大、成本高、周期長(zhǎng)、不確定因素多，單純依靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證不可能滿足控制系統(tǒng)開發(fā)的需要。

風(fēng)電控制系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)是風(fēng)電控制系統(tǒng)研發(fā)過程中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)手段。 針對(duì)風(fēng)電控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、多變量的特點(diǎn)，在產(chǎn)品研制過程中要進(jìn)行全面、充分、詳細(xì)的系統(tǒng)功能和性能測(cè)試，以確保控制系統(tǒng)滿足風(fēng)電機(jī)組的功能要求和性能指標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，具有模塊化設(shè)計(jì)、功能化分區(qū)、全系統(tǒng)交聯(lián)的特點(diǎn)， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電控制系統(tǒng)所有控制策略和性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證， 為研究開發(fā)新型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)提供了必要的手段。

1 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的特點(diǎn)和功能

模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)風(fēng)電機(jī)組部件（如發(fā)電機(jī)、齒輪箱、驅(qū)動(dòng)單元等）的變化，靈活組裝對(duì)應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，體現(xiàn)了該平臺(tái)的高適應(yīng)性、靈活性的特點(diǎn)。

功能化分區(qū)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)的仿真、并網(wǎng)的仿真。

仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的各功能區(qū)可以互相共享試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的交聯(lián)，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組的全功能試驗(yàn)測(cè)試。

仿真試驗(yàn)及測(cè)試環(huán)境分為四部分，分別為：半工況整機(jī)試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)、變槳及偏航部分試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)、并網(wǎng)試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)。這四部分試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)功能相互獨(dú)立， 但又緊密地連接成一個(gè)整體， 形成一套完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的物理仿真測(cè)試環(huán)境。 其功能流程圖如圖1 所示。

圖1 仿真試驗(yàn)測(cè)試功能流程圖Fig.1 Flow chart of simulation test function

2 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 半工況試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)

半工況試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)是一套縮小的發(fā)電機(jī)組，可通過拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)， 并借助計(jì)算機(jī)輔助軟件模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在一定條件下的運(yùn)行狀態(tài)， 從而檢測(cè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)的產(chǎn)品品質(zhì)， 同時(shí)可以為研發(fā)的新技術(shù)作初步試驗(yàn)。 系統(tǒng)如圖2 所示。

半工況試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)需要的主要設(shè)備包括： 試驗(yàn)控制臺(tái)、拖動(dòng)電機(jī)、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、塔架、基座、控制測(cè)量柜等，以及配套的高、低壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備。

半工況試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖2 半工況試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Half working condition test and test system

圖3 半工況試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of control system of half working condition test platform

2.2 發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)

該試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)主要模擬發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，測(cè)試該部分控制系統(tǒng)的詳細(xì)地控制參數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of test and verification platform for generator and transmission

該平臺(tái)設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)， 通過更換不同部件可實(shí)現(xiàn)異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)等各種不同形式發(fā)電機(jī)的模擬試驗(yàn)。

發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)需要的主要設(shè)備包括：試驗(yàn)控制臺(tái)、拖動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、數(shù)字仿真專家系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、基座及附件、控制測(cè)量柜以及配套的高壓配電柜、低壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備。

2.3 變槳及偏航部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)

變槳及偏航部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)分為兩部分： 一部分是變槳及偏航系統(tǒng)的全物理仿真設(shè)備； 另一部分是一座環(huán)境模擬試驗(yàn)室，可以模擬風(fēng)速及風(fēng)向變化。

該試驗(yàn)平臺(tái)可以檢測(cè)風(fēng)速及風(fēng)向變化， 控制槳葉的變槳及機(jī)艙的偏航調(diào)節(jié)， 同時(shí)可以與發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，將槳葉的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)艙位置等信號(hào)傳遞給發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)部分試驗(yàn)系統(tǒng)， 同時(shí)還可接受其指令信號(hào)， 這樣兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成了一套完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)全物理仿真系統(tǒng)。 系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 變漿及偏航部分試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of test and test system for slurry change and yaw

變槳及偏航部分試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)需要的主要設(shè)備包括：試驗(yàn)控制臺(tái)、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、高壓風(fēng)機(jī)、環(huán)境模擬試驗(yàn)間、控制測(cè)量柜、變頻器控制系統(tǒng)以及配套的低壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備。

2.4 并網(wǎng)試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)

并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要用于電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：并網(wǎng)方式、并網(wǎng)時(shí)機(jī)、功率補(bǔ)償、電力特性參數(shù)檢測(cè)、 電量計(jì)量等， 直接關(guān)系到電網(wǎng)安全及電力品質(zhì)的保證，是高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。 無論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于并網(wǎng)狀態(tài)還是離網(wǎng)狀態(tài)，都有必要對(duì)上述功率參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷和分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)條件、工作狀態(tài)和故障情況，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率、無功功率和總發(fā)電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。 此外，還可以根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率和功率因數(shù)等電力參數(shù)來確定補(bǔ)償電容的投入與切出。

并網(wǎng)試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)需要的主要設(shè)備包括：電源綜合測(cè)試系統(tǒng)、電能測(cè)試分析軟件、電參數(shù)測(cè)量分析軟件。平臺(tái)功能流程圖如圖6 所示。

圖6 并網(wǎng)試驗(yàn)及驗(yàn)證平臺(tái)功能流程圖Fig.6 Functional flow chart of grid connection test and verification platform

3 結(jié)語(yǔ)

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的部件（如發(fā)電機(jī)、傳感器、執(zhí)行單元等）不斷更新?lián)Q代，因此必須有地面仿真平臺(tái)對(duì)這些采用新技術(shù)的部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)其功能兼顧了產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試兩項(xiàng)功能， 該試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境能夠盡可能地模擬實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，獲取最真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)減少投資成本，能夠獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。