基于ADS通訊的風電控制算法仿真

摘 要 近年來風力發電機組不斷巨型化，變速變槳風力發電機組應用最為廣泛，進而對變速變槳整機運行的穩定性、可靠性提出了更高要求。文章采用權威風力發電機組仿真軟件GH bladed獲取風力發電機組的數學模型，通過ADS通訊協議，實現風電機組的數學模型與PLC的實時數據交換，形成系統的閉環仿真，驗證控制策略對風機變槳、變速控制的穩定性、可靠性。文章將風機的控制算法直接運行在PLC中，采用ADS通訊協議，與Bladed軟件中的風機模型直接進行數據交換，實現控制算法與模型的閉環實時仿真。

關鍵詞 Bladed模型；ADS通訊；風電控制算法

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0198-03

1 設計中心思想

大型風力發電機組是一個連續隨機的非線性多變量系統，直接模型建立比較困難。通常風機技術人員采用GH bladed軟件對風機進行建模，同時運用C，C++等高級語言編寫控制算法，在運行bladed軟件時加載外部控制算法文件，然后給變速風力發電機組風力機輸入模擬變速風速進行仿真研究。這種方法，要求風機控制開發人員具有一定的高級語言編程能力，更要求工作人員有較高的調試水平。本文采用ADS通訊協議的硬件閉環仿真方法建立了完整的仿真模型，并且簡化了風機現場調試階段對PID控制參數的整定過程，該系統的整體設計如圖1所示。

1.1 GH Bladed軟件

GH Bladed軟件的功能如下：①提供多種外部控制器接口，可以使用戶自定義*.dll或*.exe文件；②提供多種電網連接模型，可以模擬各種風況、外界環境等；③軟件功能強大：可以進行模態分析、穩態性能和載荷計算、各種工況下的時域動態載荷和響應等等的分析；④完善的硬件測試模塊，通過物理接口，對控制器硬件和其他執行機構的硬件進行測試和試運行。

Bladed軟件共提供了13個部分的相關選項，其中參數設置分為風機參數和外部環境參數二部分。在進行閉環仿真之前需要對風機進行建模，同時設置相應的仿真參數，通過調用、自定義或修改模型參數后，選擇計算內容并進行計算，之后通過數據觀察分析進行數據處理。

1.2 Hardware Test

在采用GH bladed軟件對風機進行建模時通過Control選項按鈕加載外部控制算法文件，通過Bladed軟件的Wind選項建立不同的風速模型，然后給變速風力發電機組風力機輸入模擬變速風速進行仿真研究。同時，通過軟件Hardware TEST選項可進行風機控制系統的硬件閉環仿真，Hardware Test包含了計算和仿真兩部分，通過系統的批處理任務對仿真結果進行統計處理、圖表輸出。通過圖表輸出可以直觀的對控制算法的穩態性能和動態響應特性進行分析。本文采用GH Bladed軟件提供的2MW雙饋異步風機為模型進行系統的硬件閉環系統仿真。

1.3 ADS通訊協議說明

ADS（Automation Device Specification）即自動化設備規范，它為設備之間的通訊提供路由。在整個仿真系統中，各個軟件模塊，如PLC、在Windows操作系統上運行的GH Bladed應用程序等的工作模式類似于硬件設備，它們能夠獨立工作。各個軟件模塊之間的信息交換通過ADS完成。在PC和PLC控制器中都包含信息路由器，因此各個ADS設備之間都能夠交換數據和信息。

2 風機整體控制策略設計

本文采用變槳變速控制，將整個過程分為額定風速以下和額定風速以上兩個部分，采用扭矩控制和變槳控制耦合的方式，即在額定風速以上到達拐點時，如果風速波動很大，那么就要通過適當的變槳來實現平滑的過渡。本文中重點討論在額定風速以上階段，變速和變槳控制器同時發揮作用，通過變速即控制發電機的扭矩使其恒定，從而恒定功率。通過變槳來調整發電機的轉速，使得其始終跟蹤轉速設置點。

變速變槳控制結構如圖2所示，在變速（扭矩）控制中，輸入參數為發電機實際轉速以及目標轉速（目標轉速根據發電機的不同狀態進行設定），輸出為發電機扭矩指令；在變槳控制（耦合了變速控制）中，輸入為扭矩指令（由變速控制得到）和實際槳距角，輸出為變槳系統槳距角。

圖2 變速變槳風機控制策略框圖

對于風機主控PLC的功能主要體現在以下幾個方面：①與機艙柜通訊，接收機艙信號，并根據實際情況進行判斷發出偏航或液壓站工作信號；②與3個變槳柜進行通訊，接收變槳控制器的信號，對變槳系統發送實時的控制信號控制槳葉動作；③與變流系統通訊，根據不同的風況對變流系統輸出扭矩要求，使發電機輸出功率保持最佳；④與中央監控系統通訊，傳遞本機信息，并接收遠程指令。

通常PLC作為風機的核心控制單元，除了對風機各種運行狀態的監控外，還需通過核心的控制算法對變槳系統和變流系統進行數據交換，實時控制發電機的轉速，保證風機安全高效運行。因此，本文將前面提到的控制算法采用ST高級文本結構語言將變速變槳控制策略固化到PLC硬件中，結合GH Bladed提供的風機模型和ADS通訊接口插件，實現整個系統的閉環仿真。

3 基于ADS通訊的控制算法閉環仿真

本文通過Bladed軟件模擬出風力發電機環境，對本文中的風力發電機組的變速變槳性能進行測試。為了驗證風力發電機仿真模型對風速變化的動態相應，取漸變風作為風力發電機仿真模型風速的輸入值。漸變風分別取5～10米/秒漸變和10～23米/秒漸變。通過設置相應的參數可以直接接入硬件設備進行控制。該仿真系統，驗證了在不同工況下控制軟件流程的正確性。仿真圖形如圖3～圖6所示。

1）額定風速以下：

圖3 額定風速以下的風速模型

圖4 額定風速以下仿真系統運行結果endprint

對于變速風力發電機而言，在額定風速以下通過變流器可以控制發電機的電磁轉矩，以實現對風力機的轉速控制。通過對主控PLC輸出的最小和最大發電機扭矩值的限定可以對發電機的電磁轉矩進行限制。在圖4所示湍流風條件下，在扭矩控制中，輸入為發電機實際轉速和希望轉速（最大允許轉速為額定轉速），輸出為發電機轉矩，并由轉速和轉矩計算發電機當前給定的功率值，通過ADS通訊對GH Bladed中的風機模型進行轉速控制。從仿真結果圖形中我們可以看出，風機的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發電機的電磁轉矩隨著風速的變化而變化，實現了對風能最大捕獲的控制。

2）額定風速以上：

圖5 額定風速以上的風速模型

圖6 額定風速以上仿真系統運行結果

為了滿足風機穩定性、降低載荷等要求，延長風機壽命、提高發電質量，需要不斷的優化轉矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數，同時兼顧發電機在額定轉速到滿功率過度階段的耦合關系，使用功率波動更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動也減小。在圖6所示湍流風條件下，本文所采用的硬件閉環仿真方法通過對PLC控制器中的控制參數不斷調整和優化，均能將發電機轉速控制在額定轉速附件，同時輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結束語

本文設計了基于ADS通訊的硬件閉環控制仿真系統，通過GH Bladed軟件建立了2 MW的風力發電機數學模型，設計了風機變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風力發電機仿真模型中，通過GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計算結果，驗證設計的風力發電機仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過程中，通過輸入不同大小不斷變化的風速值，在高于額定風速時進而使輸出的功率保持在一個額定功率，在低于額定風速實現風能最大功率追蹤控制，仿真過程通過反復調試并整定控制器的參數，使控制器的控制性能達到最優化。

參考文獻

[1]謝賜戩.基于Bladed的大型風力發電機組控制器優化設計[D].沈陽工業大學，2008.

[2]張磊、孫映光、呂翔宙.基于Bladed軟件的風電機組變槳距控制系統設計[J].河北工業大學學報，2011（6）.

[3]敬維.基于GH Bladed和MATLAB的交互軟件及風機的變槳控制研究[D].哈爾濱工業大學，2011.

[4]何玉林、黃帥、蘇東旭，等.變速風力發電機組最大風能追蹤與槳距控制[J].控制工程，2012（3）.

[5]喻連喜、張金環、趙靜.風電機組主控仿真測試系統的設計[J].華電技術，2012（04）.

[6]孫國霞、李嘯驄、蔡義明.大型變速恒頻風電系統的建模與仿真[J].電力自動化設備，2007（10）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，助講，研究生，研究方向：供用電技術、風電控制。endprint

對于變速風力發電機而言，在額定風速以下通過變流器可以控制發電機的電磁轉矩，以實現對風力機的轉速控制。通過對主控PLC輸出的最小和最大發電機扭矩值的限定可以對發電機的電磁轉矩進行限制。在圖4所示湍流風條件下，在扭矩控制中，輸入為發電機實際轉速和希望轉速（最大允許轉速為額定轉速），輸出為發電機轉矩，并由轉速和轉矩計算發電機當前給定的功率值，通過ADS通訊對GH Bladed中的風機模型進行轉速控制。從仿真結果圖形中我們可以看出，風機的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發電機的電磁轉矩隨著風速的變化而變化，實現了對風能最大捕獲的控制。

2）額定風速以上：

圖5 額定風速以上的風速模型

圖6 額定風速以上仿真系統運行結果

為了滿足風機穩定性、降低載荷等要求，延長風機壽命、提高發電質量，需要不斷的優化轉矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數，同時兼顧發電機在額定轉速到滿功率過度階段的耦合關系，使用功率波動更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動也減小。在圖6所示湍流風條件下，本文所采用的硬件閉環仿真方法通過對PLC控制器中的控制參數不斷調整和優化，均能將發電機轉速控制在額定轉速附件，同時輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結束語

本文設計了基于ADS通訊的硬件閉環控制仿真系統，通過GH Bladed軟件建立了2 MW的風力發電機數學模型，設計了風機變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風力發電機仿真模型中，通過GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計算結果，驗證設計的風力發電機仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過程中，通過輸入不同大小不斷變化的風速值，在高于額定風速時進而使輸出的功率保持在一個額定功率，在低于額定風速實現風能最大功率追蹤控制，仿真過程通過反復調試并整定控制器的參數，使控制器的控制性能達到最優化。

參考文獻

[1]謝賜戩.基于Bladed的大型風力發電機組控制器優化設計[D].沈陽工業大學，2008.

[2]張磊、孫映光、呂翔宙.基于Bladed軟件的風電機組變槳距控制系統設計[J].河北工業大學學報，2011（6）.

[3]敬維.基于GH Bladed和MATLAB的交互軟件及風機的變槳控制研究[D].哈爾濱工業大學，2011.

[4]何玉林、黃帥、蘇東旭，等.變速風力發電機組最大風能追蹤與槳距控制[J].控制工程，2012（3）.

[5]喻連喜、張金環、趙靜.風電機組主控仿真測試系統的設計[J].華電技術，2012（04）.

[6]孫國霞、李嘯驄、蔡義明.大型變速恒頻風電系統的建模與仿真[J].電力自動化設備，2007（10）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，助講，研究生，研究方向：供用電技術、風電控制。endprint

對于變速風力發電機而言，在額定風速以下通過變流器可以控制發電機的電磁轉矩，以實現對風力機的轉速控制。通過對主控PLC輸出的最小和最大發電機扭矩值的限定可以對發電機的電磁轉矩進行限制。在圖4所示湍流風條件下，在扭矩控制中，輸入為發電機實際轉速和希望轉速（最大允許轉速為額定轉速），輸出為發電機轉矩，并由轉速和轉矩計算發電機當前給定的功率值，通過ADS通訊對GH Bladed中的風機模型進行轉速控制。從仿真結果圖形中我們可以看出，風機的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發電機的電磁轉矩隨著風速的變化而變化，實現了對風能最大捕獲的控制。

2）額定風速以上：

圖5 額定風速以上的風速模型

圖6 額定風速以上仿真系統運行結果

為了滿足風機穩定性、降低載荷等要求，延長風機壽命、提高發電質量，需要不斷的優化轉矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數，同時兼顧發電機在額定轉速到滿功率過度階段的耦合關系，使用功率波動更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動也減小。在圖6所示湍流風條件下，本文所采用的硬件閉環仿真方法通過對PLC控制器中的控制參數不斷調整和優化，均能將發電機轉速控制在額定轉速附件，同時輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結束語

本文設計了基于ADS通訊的硬件閉環控制仿真系統，通過GH Bladed軟件建立了2 MW的風力發電機數學模型，設計了風機變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風力發電機仿真模型中，通過GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計算結果，驗證設計的風力發電機仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過程中，通過輸入不同大小不斷變化的風速值，在高于額定風速時進而使輸出的功率保持在一個額定功率，在低于額定風速實現風能最大功率追蹤控制，仿真過程通過反復調試并整定控制器的參數，使控制器的控制性能達到最優化。

參考文獻

[1]謝賜戩.基于Bladed的大型風力發電機組控制器優化設計[D].沈陽工業大學，2008.

[2]張磊、孫映光、呂翔宙.基于Bladed軟件的風電機組變槳距控制系統設計[J].河北工業大學學報，2011（6）.

[3]敬維.基于GH Bladed和MATLAB的交互軟件及風機的變槳控制研究[D].哈爾濱工業大學，2011.

[4]何玉林、黃帥、蘇東旭，等.變速風力發電機組最大風能追蹤與槳距控制[J].控制工程，2012（3）.

[5]喻連喜、張金環、趙靜.風電機組主控仿真測試系統的設計[J].華電技術，2012（04）.

[6]孫國霞、李嘯驄、蔡義明.大型變速恒頻風電系統的建模與仿真[J].電力自動化設備，2007（10）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，助講，研究生，研究方向：供用電技術、風電控制。endprint