風(fēng)機(jī)變槳控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)研究

唐 影，張春富，陳 健

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

隨著新能源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)制造成本的下降，風(fēng)電已逐漸發(fā)展成為一種成熟的可再生能源［1］。據(jù)統(tǒng)計，2019 年1-6 月，我國風(fēng)電新增容量達(dá)9 000MW，其中海上風(fēng)電達(dá)400MW。截至目前，我國風(fēng)電累計并網(wǎng)容量已近2 億kW，位居世界第一，風(fēng)電作為新能源發(fā)電主力軍發(fā)展前景良好［2-3］。變槳距系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲的能量大小，從而使風(fēng)機(jī)獲取最大能量，同時能減少風(fēng)力對整個風(fēng)電機(jī)組的沖擊，是風(fēng)電機(jī)組最為關(guān)鍵的控制裝置［4-5］，已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢。變槳距系統(tǒng)廣泛用于單機(jī)容量大于1MW 的風(fēng)電機(jī)組中，目前我國單個風(fēng)電機(jī)組容量均朝著大容量方向發(fā)展，海上風(fēng)電機(jī)組已向單機(jī)容量10MW 邁進(jìn)［6］，因此變槳距技術(shù)必將應(yīng)用廣泛，其研究與教學(xué)具有一定的實際意義。

本科階段實驗課程應(yīng)把培養(yǎng)更多高專業(yè)素養(yǎng)人才作為教學(xué)目標(biāo)［7］。風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)的控制策略較為復(fù)雜，理論教學(xué)授課效果一般，實踐授課一定程度上能夠幫助學(xué)生了解風(fēng)電場運(yùn)行方式，但學(xué)習(xí)內(nèi)容簡單膚淺，無法深入對風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行特性、控制策略等核心內(nèi)容進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，同時普通實驗教學(xué)因?qū)嶒瀮x器本身問題很難達(dá)到教學(xué)效果。因此，研究適合風(fēng)電機(jī)組變槳距技術(shù)實驗教學(xué)的新手段、新方式具有重要意義。

風(fēng)機(jī)控制及虛擬仿真實驗研究有：張崇文等［8］基于ANSYS 進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片建模與仿真實驗研究，研究成果可為風(fēng)機(jī)葉片的安裝與優(yōu)化提供參考；張建良等［9］進(jìn)行雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制器設(shè)計及仿真實驗研究，利用電力系統(tǒng)仿真軟件PowerFactory 搭建系統(tǒng)仿真平臺，實現(xiàn)虛擬慣量控制器應(yīng)用；劉小花等［10］開展虛擬仿真技術(shù)在電子類課程教學(xué)中應(yīng)用研究，指出應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)是提高教學(xué)效果的必備途徑之一。但是目前對風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用研究還鮮有報道。

本文結(jié)合風(fēng)電實驗教學(xué)實際需要，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)控制策略研究基礎(chǔ)上推出一套適合風(fēng)電實驗教學(xué)的風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了理論教學(xué)、實踐教學(xué)及普通實驗教學(xué)的不足，取得了很好的教學(xué)效果。

1 風(fēng)機(jī)變槳虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)必要性分析

1.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)局限性

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行實驗旨在幫助學(xué)生了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性、控制策略，加深對理論知識的領(lǐng)會，是新能源學(xué)科教學(xué)的重要形式。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)因設(shè)備昂貴、易損壞、實驗平臺集成度高等原因，在實際教學(xué)中很難達(dá)到教學(xué)目的［11］。

（1）實驗設(shè)備昂貴。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行實驗是一種高投入實驗，很多高校因為經(jīng)費問題難以購置足量的實驗平臺，實驗中3～4 人共用一套實驗平臺較為常見，難以保證每個學(xué)生都動手操作。同時，實驗設(shè)備更新?lián)Q代較快，及時更換新儀器設(shè)備將造成老設(shè)備利用率不足、經(jīng)費使用超限，不更換新設(shè)備又難以開展先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)理論教學(xué)。

（2）設(shè)備易損壞。實驗設(shè)備因頻繁操作或不當(dāng)使用部件極易損壞，維修、調(diào)試過程復(fù)雜，耗費較大的人力成本及時間，對后續(xù)教學(xué)造成不同程度的影響。

（3）平臺集成度高。以系統(tǒng)能源并網(wǎng)實驗平臺為例，平臺使用高集成化實驗設(shè)備，學(xué)生只需輸入相應(yīng)的參數(shù)即可得到相應(yīng)結(jié)果，接觸不到實驗設(shè)備核心部件，不能參與實驗核心流程。風(fēng)電機(jī)組變槳是通過風(fēng)輪機(jī)械電氣聯(lián)動實現(xiàn)的，過程及控制策略復(fù)雜，傳統(tǒng)實驗方式導(dǎo)致學(xué)生不能充分了解及掌握變槳原理及控制策略。

1.2 風(fēng)機(jī)變槳虛擬仿真實驗教學(xué)優(yōu)勢

虛擬仿真實驗系統(tǒng)是一種較新的實驗形式，它具有不受時間、空間限制，實施機(jī)動靈活、實驗過程可視化等優(yōu)點，能夠有效解決傳統(tǒng)實驗設(shè)備數(shù)量不足、設(shè)備易損壞等問題。目前，虛擬仿真系統(tǒng)實驗教學(xué)得到較好應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)教育、物理學(xué)及化學(xué)實驗教學(xué)等領(lǐng)域中［12］。教育部2013 年《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》提出要分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心，國家已經(jīng)把虛擬仿真教學(xué)納入教學(xué)重點［13］。

風(fēng)機(jī)變槳原理、控制策略較為復(fù)雜［14］，學(xué)生從理論教學(xué)及普通實驗中很難掌握風(fēng)機(jī)變槳的核心知識點。同時，風(fēng)機(jī)變槳是在風(fēng)輪箱內(nèi)實現(xiàn)的，普通實驗不能直觀全面展示。通過搭建三維立體可視化風(fēng)機(jī)變槳虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可直觀學(xué)習(xí)到風(fēng)機(jī)變槳過程及動作原理，在實驗過程中能夠模擬多種運(yùn)行方式，創(chuàng)設(shè)運(yùn)行情景，引發(fā)學(xué)生深入思考，對全面培養(yǎng)學(xué)生能力具有重要作用。

2 風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真系統(tǒng)搭建

為得到較好的實驗教學(xué)效果，本文基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了三維可視化風(fēng)機(jī)變槳虛擬控制仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)高效、便捷，能準(zhǔn)確實現(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳全過程可視化。平臺可實現(xiàn)遠(yuǎn)程編程控制，通過智能網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器構(gòu)建虛擬局域網(wǎng)環(huán)境并接入互聯(lián)網(wǎng)，在遠(yuǎn)程控制端實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 三維可視化模塊搭建

風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)三維可視化模塊具有實時顯示風(fēng)電機(jī)組變槳全過程功能，能夠進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)設(shè)置，實時實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變槳角度和偏航角度，三維可視化界面如圖1 所示。

Fig.1 Three-dimensional visualization interface of simulation system圖1 仿真系統(tǒng)三維可視化界面

點擊三維可視化界面動作演示按鈕，能顯示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行動畫。界面切換可查看風(fēng)電機(jī)組變槳過程中風(fēng)輪箱內(nèi)各變槳機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況，變槳機(jī)構(gòu)三維動畫如圖2 所示。繼續(xù)進(jìn)行界面切換，可實時查看變槳齒輪箱動作情況。

風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)能設(shè)置一段時間的風(fēng)速曲線，設(shè)置界面如圖3 所示。仿真系統(tǒng)具有多界面同時顯示功能，學(xué)生可在實驗過程中實現(xiàn)多狀態(tài)同時查看，即實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)速參數(shù)、實時查看三維動畫、實時查看實驗數(shù)據(jù)變化等功能。

2.2 教學(xué)功能組成

風(fēng)機(jī)變槳虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)置學(xué)習(xí)模塊、訓(xùn)練模塊、考核模塊，在教學(xué)各階段都能得到有效應(yīng)用。學(xué)習(xí)模塊提供風(fēng)電機(jī)組變槳的基本理論知識，包括變槳運(yùn)動原理、氣動原理、變槳分類及應(yīng)用等，幫助學(xué)生掌握實驗所需的基本理論知識，該模塊可進(jìn)行簡單的實驗操作，了解風(fēng)電機(jī)組變槳基本過程；訓(xùn)練模塊包含變槳系統(tǒng)控制實驗和變槳系統(tǒng)編程實驗兩部分，是學(xué)生實驗課的主要內(nèi)容；考核模塊用于實驗課程的考核工作。此外，該仿真系統(tǒng)還配置其它常用的教學(xué)功能。圖4 為仿真系統(tǒng)考核界面。

目前，美國的 Civil 平臺已經(jīng)展開了區(qū)塊鏈技術(shù)在傳媒行業(yè)的應(yīng)用實踐。Civil 平臺是基于區(qū)塊鏈技術(shù)打造的新聞出版發(fā)行平臺，一個去中心化的新聞市場。其創(chuàng)始人馬修·埃爾斯說，該平臺旨在為新聞業(yè)擺脫假新聞和其他外部的影響，利用區(qū)塊鏈永遠(yuǎn)無法刪除的校對和修訂歷史記錄功能，降低那些心存惡意的億萬富翁想要涂抹掉整個出版業(yè)歷史的可能性，并讓讀者可以通過 Civil 的虛擬貨幣搜尋優(yōu)質(zhì)內(nèi)容［4］。Civil平臺不僅使用戶重新建立了對媒體的信任，而且還使新聞界形成良性競爭，回歸新聞專業(yè)主義被推上日程。

Fig.2 Three-dimensional animation of pitch mechanism圖2 變槳機(jī)構(gòu)三維動畫

Fig.3 Wind speed setting interface圖3 風(fēng)速設(shè)置界面

Fig.4 Overview and assessment interface of simulation system function modules圖4 仿真系統(tǒng)功能模塊總覽及考核界面

2.3 風(fēng)機(jī)變槳控制仿真系統(tǒng)實驗教學(xué)應(yīng)用

變槳控制實驗分為維護(hù)模式手動變槳實驗、運(yùn)行模式自動變槳實驗和順槳實驗3 部分，下面以手動變槳實驗為例闡述風(fēng)機(jī)變槳虛擬仿真控制系統(tǒng)應(yīng)用。

2.3.1 實驗過程

在現(xiàn)場調(diào)試過程中，需要根據(jù)風(fēng)機(jī)自動運(yùn)行模式下的變槳特征，在維護(hù)模式下進(jìn)行手動變槳測試，檢驗變槳系統(tǒng)控制功能是否正確，檢測變槳電機(jī)、編碼器、限位開關(guān)等零部件功能是否正常。

（1）風(fēng)機(jī)啟動過程開槳調(diào)試。目的是檢測機(jī)組開槳功能是否正常。5MW 機(jī)組開槳速度為5°/s，調(diào)試過程分為以下兩個階段：

第一階段是測試機(jī)組從啟動至并網(wǎng)前處于迎風(fēng)狀態(tài)的變槳過程。在變槳調(diào)試界面選擇葉片1，設(shè)定變槳速度為5°/s，設(shè)定變槳角度為30°，點擊手動變槳按鈕，使葉片從90°位置開槳至30°位置。

第二階段是測試機(jī)組從迎風(fēng)狀態(tài)至并網(wǎng)狀態(tài)的變槳過程。繼續(xù)設(shè)定葉片1 的變槳速度為5°/s，變槳角度為0°，點擊手動變槳按鈕，使葉片從30°位置變槳至0°位置。以相同方法測試葉片2 和葉片3。

實驗通過“變槳調(diào)試界面”實時數(shù)據(jù)監(jiān)控或?qū)崟r曲線監(jiān)控，觀察變槳方向及變槳角度反饋值、變槳速度反饋值等參數(shù)變化，判斷變槳機(jī)構(gòu)是否正常。

（2）風(fēng)機(jī)停機(jī)過程順槳調(diào)試。目的是檢測風(fēng)機(jī)在不同停機(jī)模式下順槳功能是否正常。風(fēng)機(jī)順槳分為3 種模式，在每種狀態(tài)下分別進(jìn)行實驗，通過“變槳調(diào)試界面”中實時數(shù)據(jù)監(jiān)控或?qū)崟r曲線監(jiān)控，觀察3 種變槳模式下變槳方向及變槳角度反饋值、變槳速度反饋值等參數(shù)變化，判斷變槳機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否正常。

變槳調(diào)試操作界面如圖5 所示，在此界面中可進(jìn)行變槳角度、速度等參數(shù)設(shè)置。

Fig.5 Parameter settings of pitch debugging operation interface圖5 變槳調(diào)試操作界面參數(shù)設(shè)置

2.3.2 實驗數(shù)據(jù)跟蹤

實驗參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行變槳實驗時，可實時跟蹤風(fēng)機(jī)變槳情況，實時查看風(fēng)機(jī)變槳角度、速度的反饋值曲線，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況。通過監(jiān)控界面下方的“開啟攝像頭”按鈕可觀看風(fēng)機(jī)變槳的三維動畫。仿真系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖6 所示。

Fig.6 Monitoring interface of simulation system圖6 仿真系統(tǒng)監(jiān)控界面

2.3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢功能

虛擬控制系統(tǒng)配置了數(shù)據(jù)保存、查詢功能，所有實驗數(shù)據(jù)都可根據(jù)時間進(jìn)行查詢，歷史數(shù)據(jù)有利于實驗報告的撰寫與分析，同時便于教師在教學(xué)中對學(xué)生實驗過程進(jìn)行考核，避免了傳統(tǒng)實驗只注重結(jié)果的不足。歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖7 所示。

Fig.7 Data query interface of simulation system圖7 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢界面

3 虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用效果

為檢驗風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真系統(tǒng)實驗教學(xué)效果，2019 年春季學(xué)期在風(fēng)電機(jī)組變槳實驗課程中，以電氣工程學(xué)院參加風(fēng)電基礎(chǔ)實驗課的某年級4 個班122 名學(xué)生為對象進(jìn)行系統(tǒng)評測。評測按班級進(jìn)行分組，1 班、3 班的學(xué)生按虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)，稱為“實驗組”，2 班、4 班學(xué)生選擇傳統(tǒng)新能源并網(wǎng)實驗平臺裝置授課，稱為“普通組”。2019 年6 月課程結(jié)束后對學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，考核分為理論考試和實操考核兩部分，理論主要考核風(fēng)電機(jī)組變槳原理、發(fā)展概況、控制策略分析等方面，實操考核實驗過程的規(guī)范性、結(jié)果的正確性。表1 為實驗組與普通組學(xué)生的課程學(xué)習(xí)成績。

Table 1 Academic achievements of students in experimental group and general group表1 實驗組與普通組學(xué)生課程學(xué)習(xí)成績

由表1 可知，實驗組平均成績?yōu)?8.09 分，普通組平均成績?yōu)?2.92 分，兩者相差5.17 分。從成績數(shù)據(jù)可以看出，運(yùn)用虛擬仿真實驗的學(xué)生實驗結(jié)果準(zhǔn)確率更高，同時理論成績高出普通組學(xué)生6.23%，說明虛擬仿真實驗?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對風(fēng)電機(jī)組變槳理論的理解。

考評組還對利用虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的61 名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，超80%的學(xué)生對虛擬仿真系統(tǒng)表示認(rèn)同，認(rèn)為其是一種較好的實驗形式，見表2。但系統(tǒng)界面設(shè)置等還存在不足，需要繼續(xù)加以完善。

Table 2 Analysis of questionnaire survey results表2 問卷調(diào)查結(jié)果分析

4 結(jié)語

本文探究了風(fēng)電機(jī)組變槳控制虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，分析了傳統(tǒng)實驗的局限性和推進(jìn)現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的必要性，搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電變槳控制虛擬仿真平臺并應(yīng)用于實際教學(xué)，取得了較好效果。

（1）風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展良好，風(fēng)機(jī)變槳技術(shù)已成為風(fēng)機(jī)發(fā)展的基本趨勢，加快培養(yǎng)懂風(fēng)機(jī)運(yùn)行、變槳控制的高素質(zhì)人才迫在眉睫。傳統(tǒng)實驗因設(shè)備昂貴、易損壞、實驗平臺集成度高等局限，很難滿足人才培養(yǎng)需要，在本科教學(xué)中推進(jìn)風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真實驗具有一定實際意義。

（2）本文搭建了一套風(fēng)機(jī)變槳控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳全過程三維可視化，在遠(yuǎn)程控端對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時配置學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、考核等模塊，還可對變槳控制進(jìn)行手動實驗演示。

（3）在實際教學(xué)中對虛擬實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了效果檢驗，結(jié)果顯示運(yùn)用虛擬仿真實驗的學(xué)生課程成績高出傳統(tǒng)實驗教學(xué)的6.23%，說明虛擬仿真實驗?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對風(fēng)電機(jī)組變槳理論的理解和知識點的融會貫通。相對于傳統(tǒng)實驗，學(xué)生更容易接受虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

本文研究工作還存在不足，后續(xù)將加強(qiáng)對風(fēng)電機(jī)組變槳控制實驗方式的研究與探索，以培養(yǎng)適合企業(yè)需求的優(yōu)秀人才。