風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

蔣登科

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

風(fēng)能作為一種無污染、可再生的能源，蘊(yùn)藏量豐富，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為10億kW。把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這就是風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

在近15年國(guó)家政策的支持下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，裝機(jī)數(shù)量飛速增長(zhǎng)，隨之而來的是出現(xiàn)了較多的嚴(yán)重風(fēng)機(jī)故障。由于風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的環(huán)境復(fù)雜，甚至相當(dāng)惡劣，風(fēng)況也變化相當(dāng)快，如果風(fēng)機(jī)的主控控制系統(tǒng)的控制策略存在問題，那將直接導(dǎo)致出現(xiàn)重大故障甚至是災(zāi)難。

風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)為風(fēng)機(jī)主控制模擬全面的風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)主控控制程序進(jìn)行各種風(fēng)況下的功能、性能測(cè)試，對(duì)控制算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制策略的正確性，降低甚至避開風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可以提供現(xiàn)場(chǎng)故障復(fù)現(xiàn)，為故障分析與解決方案的制定提供依據(jù)和解決方法。筆者通過對(duì)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案、仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)、主控控制器仿真運(yùn)行測(cè)試及應(yīng)用，得出控制半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方案能夠系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)力發(fā)電主控程序進(jìn)行仿真測(cè)試，能夠發(fā)現(xiàn)并解決主控程序在進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行前的邏輯錯(cuò)誤、算法錯(cuò)誤、故障碼問題等。

1 控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)由PC計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及人機(jī)交互系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)見圖1。通過數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)搭建主控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)模型的數(shù)據(jù)交互橋梁，使主控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，可進(jìn)行控制算法、控制邏輯、故障碼等多功能的仿真測(cè)試。

PC計(jì)算機(jī)：用于安裝和運(yùn)行仿真軟件Bladed，并通過Hardware Test與數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

主控系統(tǒng)：用于運(yùn)行主控程序、接收風(fēng)機(jī)環(huán)境模擬信號(hào)、發(fā)送風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制指令。

數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)：模擬風(fēng)機(jī)部分環(huán)境變量，并將風(fēng)機(jī)Bladed模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為主控系統(tǒng)可以接收的形式，為主控系統(tǒng)提AIO、DIO、CAN等提供輸入；接收主控控制指令，并轉(zhuǎn)化和傳遞給Bladed模型運(yùn)行。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)主要包括風(fēng)機(jī)模型、主控控制器(包括控制程序)、數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)、人機(jī)交互界面。

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)采用GH Bladed建模，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為葉片、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、電力電子裝置和控制器?？梢酝ㄟ^GH Bladed中的輸入?yún)?shù)來定義和建立模型，該軟件通過德國(guó)勞氏船級(jí)社的認(rèn)證，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和認(rèn)證過程中的載荷分析，是當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)軟件。在bladed軟件中，進(jìn)行風(fēng)機(jī)各部件參數(shù)設(shè)置，設(shè)置界面如圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置

2.2 主控控制器和控制程序

此次設(shè)計(jì)主控控制器和控制程序采用三一某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際使用的控制器和控制程序，控制器為巴赫曼工業(yè)PLC，通過操作軟件solutioncenter對(duì)控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作。此設(shè)計(jì)為全硬件在環(huán)設(shè)計(jì)，所以不需要修改I/O口參數(shù)，不需要對(duì)控制程序作任何修改。Bladed軟件的外部控制器DLL運(yùn)行后和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)通訊，數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)再將相應(yīng)的I/O口數(shù)據(jù)與主控制控制器交換，主控程序運(yùn)行狀況通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)

此次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)采用相應(yīng)的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和發(fā)生，為主控制控制器I/O口提供風(fēng)機(jī)模擬外部條件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時(shí)主控控制器運(yùn)行發(fā)出的數(shù)據(jù)通過I/O口發(fā)送給數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)與Bladed進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。變流器及其他通過CAN通訊與主控控制器通訊的部件，這部分?jǐn)?shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)與主控控器進(jìn)行CAN通訊數(shù)據(jù)交換。

2.4 人機(jī)交互界面

此次設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)采用三一某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際使用的人機(jī)交互界面，通過以太網(wǎng)線進(jìn)行通訊，將主控控制器實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示，可以對(duì)主控程序進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如停機(jī)啟機(jī)、限功率、各部件的啟停等。

3 主控控制器仿真運(yùn)行測(cè)試及應(yīng)用

先在Hardware Test仿真系統(tǒng)中設(shè)置好運(yùn)行工況，并啟動(dòng)仿真。數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)將接收到的風(fēng)機(jī)Bladed模型運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成主控系統(tǒng)接收的信號(hào)，主控系統(tǒng)接收風(fēng)機(jī)相應(yīng)數(shù)據(jù)，按程序運(yùn)行并發(fā)出控制指令反饋給數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)再將指令傳遞給PC，控制Bladed模型的運(yùn)行。試驗(yàn)人員可觀察風(fēng)機(jī)模擬運(yùn)行狀況，并對(duì)風(fēng)機(jī)模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行錄波和分析。

圖3 主控程序在某工況下的運(yùn)行曲線

通過對(duì)某型號(hào)風(fēng)機(jī)主控程序運(yùn)行測(cè)試，在設(shè)定特定的工況下，主控程序運(yùn)行情況如圖3曲線記錄所示，圖示記錄主控程序的槳距角、偏航角度、轉(zhuǎn)矩萬分比、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)電功率等主要參數(shù)。仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)正常停機(jī)和緊急停機(jī)狀況下，存在槳距角設(shè)定和轉(zhuǎn)矩控制邏輯存在問題，如出現(xiàn)大于切出風(fēng)速的陣風(fēng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩提前減小，則有飛車的風(fēng)險(xiǎn)。通過仿真測(cè)試極端工況下主控程序的運(yùn)行情況，能夠?qū)υO(shè)計(jì)的缺陷進(jìn)行及時(shí)修復(fù)完善，對(duì)收槳速度和轉(zhuǎn)鉅控制上進(jìn)行優(yōu)化，確保主控程序以最優(yōu)狀態(tài)進(jìn)入主機(jī)試運(yùn)行。

4 結(jié) 語

此次設(shè)計(jì)是建立在三一重能有限公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控控制程序通過半實(shí)物仿真平臺(tái)測(cè)試，能夠清晰的掌握主控程序控制邏輯、控制算法是否符合設(shè)計(jì)要求，是否能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控程序概念設(shè)計(jì)、新控制功能開發(fā)與驗(yàn)證、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的重要設(shè)計(jì)手段，對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，運(yùn)行工況復(fù)雜、惡劣，如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)可靠性與安全性的仿真測(cè)試尤為重要。