基于建模的風電主控系統開發模式研究

曹金青（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

基于建模的風電主控系統開發模式研究

曹金青（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

基于建模的控制系統開發已成為一種潮流，它能夠通過快速原型設計與自動代碼生成來實現，下載代碼到實際的PCC中實現硬件在環測試。在風電主控系統的開發中可以大大地降低開發過程中的風險并提高開發效率，從而為開發高性能和高品質的風電主控系統奠定一個堅實的基礎，這種方式被越來越多的風機制造商所接受。

風電主控系統；開發模式；MATLAB/SIMULINK;PCC；自動代碼生成

1 引言

風能作為重要和目前人類掌握最成熟的可再生能源技術，具有蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，使之成為可再生能源發展的重要方向。

作為能源消耗和風能資源儲量大國，我國一直致力于風能領域的研究與探索。早在上世紀80年代末，風力發電的商業化模式就已經開始在國內運行，到目前為止，我們經歷了早期從國外引進技術和設備到現在我們自己的技術和設備銷往全球的轉型。特別是從2006年《可再生能源法》頒布實施以來，我國風電裝機容量迅速增長，產業鏈逐步形成。截止到2009年，我國風電年度新裝機量連續4年增幅達100%，平均裝機單機容量也在2011年超過了1500kW，呈現了高速發展的態勢。截止到2012年底，我國風電累計裝機容量為7532萬kW，名列全球第一。

2 風力發電機的基本工作原理和分類

在人們早期使用風力機的時候，就利用到了風力機的基本功能，即利用風輪捕獲空氣流動的能量，并將獲取的風能轉換成機械能，然后通過風輪軸傳輸出去是風力機的基本功能。與此同時，我們也可以知道風力機的基本工作原理：利用風輪捕獲氣流所獲得的阻力和升力，通過風輪把風能轉換成機械能，再經過主軸連接齒輪箱獲得合適的轉速之后帶動發電機發電。

目前為止，風力機主要分為水平軸與垂直軸兩大類，但是從應用規模和技術成熟度上來說，水平軸風力機擁有絕對的優勢。其中水平軸風力機以同步永磁直驅和雙饋異步兩種為主（見圖1），本文的探討主要圍繞著水平軸風力機來進行。

圖1 直驅和雙饋發電機

3 風電主控系統概述

3.1 風電主控系統的主要功能

MW級風機主控系統從根本上來講是基于計算機實時監控技術的本地控制、遠程監控系統和數據傳輸系統的集合。它的主要任務就是控制風電機組的運行，依據其特性自動檢測故障并根據實際情況采取相應的措施。

主要功能：

? 低于額定風速時，跟蹤最佳功率曲線；

? 高于額定風速時，保持功率輸出恒定；

? 記錄運行數據，產生功率曲線等各種圖表。

與一般工業控制過程不同，風力發電機組的控制系統是綜合性控制系統。它不僅要監視電網、風況和機組運行參數，對機組進行并網與脫網控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而且還要根據風速和風向的變化，對機組進行優化控制，以提高機組的運行效率和發電量。

3.2 國內風電主控系統的現狀

從2006年《可再生能源法》頒布實施開始，國內開始大規模的發展風電，為了追求進度、占領市場和先機，大部分國內的整機廠商都是從國外知名設計公司購買的技術，在起步階段主控的核心技術都被國外的相關機構所把持。

為了加強我國風電行業的技術創造力，加快行業的產業升級，國家相關部門在后續的風電項目招標中特地規定了風機整機的國產化比例，從而大大的加快了我國風電技術從購買到消化再到創新的速度。

目前來講，國內的眾多整機廠商都在吸收國外購買技術的基礎上開始研制自主的風電主控系統。

3.3 風電主控系統的研發背景和特點

對于風力發電的主控系統設計而言，意味著巨大的風險，因為風機基本都在偏遠的地方，這些在野外工作的控制器要在非常惡劣的環境下執行控制任務，而且，由于風場遠離城市，對主控系統的穩定性、可靠性要求特別高，否則相關的維護成本將極大增加，這就是風力發電需求中非常重要的一點。

為了保證所設計的控制系統有效可用，就需要在發電機組正式運行之前做大量的現場測試，一方面，現場測試就意味著巨大的投入；另一方面，業主也不會允許你將一套不成熟的控制系統拿到現場反反復復的測試。業主想要采購的是一套能直接投入使用的控制系統，而不是一個半成品，當你在開發新的控制系統的時候，以前的經驗是可以借鑒的，但是最好是在被運到現場之前，控制系統已經經過了大量的仿真測試，被驗證是可靠且可用的，只需要在現場進行相關的參數的調試之即可運行。而且，有時候需要做的測試是無法搭建現實條件的，例如風輪超速和一些需要進行風險極高的臨界和超限的測試，這些巨大的風險如何科學地進行規避？

4 基于建模的風電控制系統設計

4.1 開發流程

4.1.1 V模型

V-model是一種軟件生存期模型，在瀑布模型的基礎上做了優化改進，使得在軟件開發的生存期，開發活動和測試活動幾乎同時開始，這兩個并行的動態過程極大的降低了BUG和ERROR的出現幾率。在V-model中，并行是核心，即開發和測試過程為同步進行V-model包含了三個等級，分別是生存期模型，分配模型，功能性工具需求模型，分別回答了“Whathastobedone?”-闡述了應當實施哪些活動，應該產生哪些結果；分配模型回答了“Howisitbedone”-決定了在實施活動的時候應該使用什么樣的方法；功能性工具需求模型回答了“Whatisusedtodoit”，采用什么樣的工具來實現這些活動。所有這些等級中又是由4個子模塊組成，分別是項目管理模塊(PM)，系統開發模塊(SD)，品質保證模塊(QA)，配置管理模塊(CM)，這些模塊的功能就顯而易見了。

4.1.2 客戶需求作為應用開發的中心

在實際使用中，將客戶需求作為開發的中心，圍繞著客戶需求的實現進行項目的需求定義、設計規范、以及系統設計、實現設計、軟件規范以及實現幾個部分，而對應的有最終客戶認同的測試規范、系統測試、功能測試、軟件集成測試、軟件模塊測試，這兩個部分是并行實施的。如圖2所示。

圖2 客戶需求作為應用開發的中心

4.2 系統定義

根據系統設計要求，完成機組整個控制的設計需求分析、設計規范，如功率控制算法軟件模塊、變槳伺服控制算法、機組邏輯、控制對象參數等。這些建立在深刻的理解行業需求和深度的客戶溝通基礎上來實現，因此Customer是這個V形的關鍵環節。

綜合預警結果中的狀態預警結果，是對影響工作面突出危險性大小的各因素的集中表現，反映了采掘工作面當前狀態下的突出危險程度，因此各工作面掘進過程中不同等級預警結果所占比例的不同，從整體上反映了各工作面突出危險性的大小。

4.3 SIMULINK的電力應用分析能力

SIMULINK里包含了柔性輸電系統向量模型、風力渦輪的向量模型、電機的直接轉矩控制和磁場定向控制模型等。SIMULINK為電力系統網絡提供了三種解決方案，以及一種理想的切換算法，可通過高頻切換提升系統的仿真性能。在SIMULINK中使用變步積分算法來執行高度精確的電力系統模型仿真。其中一些積分算法可處理在實際電力系統建模中常遇到的數值剛性系統。

SIMULINK提供的零點穿越檢測功能，能以十分精確的機器精度檢測并求解不連續過程。離散仿真采用固定步長梯形積分法來仿真系統，特別適合帶電力電子設備的電力系統模型。該模式還有助于實現模型的實時執行。向量仿真則采用一組固定頻率代數。

4.4 建模與仿真

風能利用是一個系統工程，涉及到了氣象學、流體力學、固體力學、電力電子、機械工程、材料工程等多種學科和專業，許多部件都可以建立起相應的數學模型，同時控制系統設計是基于數學建模的，這是所有工程應用的目標和基礎理論，在這個技術的應用中，MATLAB/SIMULINK成為了必要的工具，MATLAB正是提供了建模設計架構上的系統仿真和分析；SIMULINK的仿真將整個系統的各個物理組件都能夠成為系統的仿真對象，并建立控制器模型，測試每個輸入及其反饋來獲得系統影響因素的最佳控制器參數。

貝加萊公司從2008年開始就與Mathworks建立了深度的合作關系，在貝加萊職能開發平臺AutomationStudio中集成了MATLAB/SIMULINK的接口（如圖3所示），提供針對機械設備的模型構建、仿真分析與代碼的自動生成設計，這將大大減少工程設計人員的編程調試時間，節約現場調試費用。

圖3 集成MATLAB/SIMULINK的AutomationStudio

通過SIMULINK建立模型就如同裝配物理系統的本身一樣，模型中各個組件就像實際的物理線路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導路徑，通過這個方法，可描述系統的物理結構，而無需推導和實現用于系統的方程。模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動構造描述系統運行的微分代數方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線路的模型，勵磁、液壓和風力渦輪機組，以及電力電子單元的GTO、IGBT模型，對于控制和測量單元的電壓、電流、阻抗測量，RMS測量，有功和無功功率的計算，以及abc-todq0及dq0到abc的轉換，三相單元的RPL負載、同步或異步發電機，電動機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過SIMULINK來連接(如圖4所示)。

圖4 利用SIMULINK可以為風力發電機組建立控制系統模型

4.5 自動源代碼生成

在MATLABSIMULINK中成功的起風力發電機組控制系統模型之后，可以一鍵自動的生成源代碼，下面就以風電主控中用到的溫度控制為例做詳細說明。

首先要建立起被控對象的數學模型，一般為一階：

G(s)=Ke-ts/(Ts+1)

在此基礎上，以PI系統為例，SIMULINK的仿真模型如圖5所示。

圖5 PI系統的仿真模型

該模型在SIMULINK中的仿真結果如圖6所示。KP=4;KI=0.1

圖6 仿真結果

要想在AS中實現自動生成代碼的功能，首先要將SIMULINK模型分為控制和模型兩部分，并使用B&R工具箱中的組件替換輸入輸出和中間變量（名字需和AS項目中對應任務名一致）。

? 控制部分temp_ctrl（如圖7所示）。

圖7 控制部分Temp_ctrl

? 模型部分temp_plant（如圖8所示）。

圖8 模型部分Temp_plant

雙擊Config模塊設置為代碼生成模式，如圖9所示。

圖9 設置代碼生成模式

在設置好代碼生成模式之后需要再配置生成參數，如圖10所示。

圖10 配置生成參數

與此同時還需要設置循環周期和生成路徑，完成以上步驟之后再添加相應的AS必須庫，就可以一鍵生成C代碼了，并且在AS中以任務的形勢出現，如圖11、圖12所示。

在一鍵生成在AS中的代碼之后，會發現所生成的代碼的循環周期和在SIMULINK中配置的循環周期是一致的，如圖13所示。

圖11 添加AS必須庫

圖12 自動生成源代碼

圖13 AS中生成的代碼

在經過從模型到一鍵生成AS中的代碼之后，可以直接下載到貝加萊公司的PCC中進行在環測試并進行軌跡跟蹤，如圖14所示。

圖14 軌跡跟蹤

5 效果反饋

5.1 能夠仿真難于實現測試的應用

對于風電的很多測試而言，現實直接測試的成本非常高昂的。例如在風力發電的模型設計中，一些極端的風力條件是無法在現實中隨時獲取的，而且，為了避免機器系統需要昂貴的測試成本和部分測試條件的不確定性，從而采用仿真技術，可以在接近最佳模型時進行針對性的測試，而這個過程將會大大縮短測試所需的時間，提高開發的效率，使得所開發的風電主控系統更加的高效，如圖15所示，在風速是10m/s，還沒有達到風機額定風速的情況下，所發的電要比以往高出10%左右。

Study on Development Mode of Wind Power Master Control System Based on Modeling

TThe development of modeling based system becomes a trend. It can be implemented via quick prototype design, automatic code generatingand downloading the code into the practical PCC to realize hardware-in-the-loop test. The risk of development process can be immensely reduced in thedevelopment of the wind power master control system and promoting the efficiency of development. Thereby, it will be able to establish a solid foundation for developing the wind power master control system of highperformance and quality. And it ismore and more accepted by wind turbine manufactories.

Wind powerMaster control system; Develop mode; MATLAB/ SIMULINK; PCC; Automatic code generating

B

1003-0492(2014)01-0092-04

TP273