風力發電機控制系統半實物仿真平臺的設計與應用*

蔣登科

(湖南農業大學，湖南 長沙 410100)

0 引 言

風能作為一種無污染、可再生的能源，蘊藏量豐富，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約為10億kW。把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發電，風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組。

在近15年國家政策的支持下，風電產業進入高速發展時期，裝機數量飛速增長，隨之而來的是出現了較多的嚴重風機故障。由于風機在運行時的環境復雜，甚至相當惡劣，風況也變化相當快，如果風機的主控控制系統的控制策略存在問題，那將直接導致出現重大故障甚至是災難。

風機半實物仿真平臺為風機主控制模擬全面的風機運行環境，對主控控制程序進行各種風況下的功能、性能測試，對控制算法進行仿真，驗證控制策略的正確性，降低甚至避開風機實際運行風險，可以提供現場故障復現，為故障分析與解決方案的制定提供依據和解決方法。筆者通過對控制系統半實物仿真平臺整體設計方案、仿真平臺實現、主控控制器仿真運行測試及應用，得出控制半實物仿真平臺設計方案能夠系統的對風力發電主控程序進行仿真測試，能夠發現并解決主控程序在進入風力發電機實際運行前的邏輯錯誤、算法錯誤、故障碼問題等。

1 控制系統半實物仿真平臺設計方案

半實物仿真測試平臺由PC計算機、數據模擬系統、主控系統及人機交互系統組成，整體結構見圖1。通過數據模擬系統搭建主控系統與風機模型的數據交互橋梁，使主控系統與風機模型實現聯合仿真，可進行控制算法、控制邏輯、故障碼等多功能的仿真測試。

PC計算機：用于安裝和運行仿真軟件Bladed，并通過Hardware Test與數據模擬系統進行數據交互。

主控系統：用于運行主控程序、接收風機環境模擬信號、發送風機運行控制指令。

數據模擬系統：模擬風機部分環境變量，并將風機Bladed模型的運行數據轉化為主控系統可以接收的形式，為主控系統提AIO、DIO、CAN等提供輸入；接收主控控制指令，并轉化和傳遞給Bladed模型運行。

2 半實物仿真平臺實現

風力發電機控制系統半實物仿真平臺主要包括風機模型、主控控制器(包括控制程序)、數據交互系統、人機交互界面。

圖1 半實物仿真平臺結構圖

2.1 風機模型設計

平臺設計采用GH Bladed建模，風力發電機組分為葉片、傳動鏈、發電機、電力電子裝置和控制器。可以通過GH Bladed中的輸入參數來定義和建立模型，該軟件通過德國勞氏船級社的認證，被廣泛應用于風力發電機設計和認證過程中的載荷分析，是當前風電行業使用的標準軟件。在bladed軟件中，進行風機各部件參數設置，設置界面如圖2。

圖2 風機參數設置

2.2 主控控制器和控制程序

此次設計主控控制器和控制程序采用三一某型號風力發電機實際使用的控制器和控制程序，控制器為巴赫曼工業PLC，通過操作軟件solutioncenter對控制器進行相應的操作。此設計為全硬件在環設計，所以不需要修改I/O口參數，不需要對控制程序作任何修改。Bladed軟件的外部控制器DLL運行后和數據交互系統通訊，數據交互系統再將相應的I/O口數據與主控制控制器交換，主控程序運行狀況通過人機界面實時呈現。

2.3 數據交互系統

此次設計數據交互系統采用相應的PLC進行數據處理和發生，為主控制控制器I/O口提供風機模擬外部條件產生的數據，同時主控控制器運行發出的數據通過I/O口發送給數據交互系統，數據交互系統與Bladed進行數據交互。變流器及其他通過CAN通訊與主控控制器通訊的部件，這部分數據則通過數據交互系統與主控控器進行CAN通訊數據交換。

2.4 人機交互界面

此次設計人機交互系統采用三一某型號風力發電機實際使用的人機交互界面，通過以太網線進行通訊，將主控控制器實際運行的數據在人機界面上實時顯示，可以對主控程序進行相應的設置，如停機啟機、限功率、各部件的啟停等。

3 主控控制器仿真運行測試及應用

先在Hardware Test仿真系統中設置好運行工況，并啟動仿真。數據模擬系統將接收到的風機Bladed模型運行數據和環境模擬數據轉換成主控系統接收的信號，主控系統接收風機相應數據，按程序運行并發出控制指令反饋給數據模擬系統，模擬系統再將指令傳遞給PC，控制Bladed模型的運行。試驗人員可觀察風機模擬運行狀況，并對風機模擬運行數據進行錄波和分析。

圖3 主控程序在某工況下的運行曲線

通過對某型號風機主控程序運行測試，在設定特定的工況下，主控程序運行情況如圖3曲線記錄所示，圖示記錄主控程序的槳距角、偏航角度、轉矩萬分比、發電機轉速及發電功率等主要參數。仿真測試發現正常停機和緊急停機狀況下，存在槳距角設定和轉矩控制邏輯存在問題，如出現大于切出風速的陣風時，轉矩提前減小，則有飛車的風險。通過仿真測試極端工況下主控程序的運行情況，能夠對設計的缺陷進行及時修復完善，對收槳速度和轉鉅控制上進行優化，確保主控程序以最優狀態進入主機試運行。

4 結 語

此次設計是建立在三一重能有限公司的風力發電機控制系統半實物仿真平臺開發項目基礎上，風力發電機主控控制程序通過半實物仿真平臺測試，能夠清晰的掌握主控程序控制邏輯、控制算法是否符合設計要求，是否能夠達到國家標準要求。

風力發電機控制系統半實物仿真平臺的設計與應用，為風力發電機主控程序概念設計、新控制功能開發與驗證、縮短產品研發周期的重要設計手段，對于大型風力發電機組來說，運行工況復雜、惡劣，如何實現風機可靠性與安全性的仿真測試尤為重要。