風機變槳控制系統虛擬仿真實驗教學研究

唐 影，張春富，陳 健

（鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

隨著新能源并網技術的發展和產業制造成本的下降，風電已逐漸發展成為一種成熟的可再生能源［1］。據統計，2019 年1-6 月，我國風電新增容量達9 000MW，其中海上風電達400MW。截至目前，我國風電累計并網容量已近2 億kW，位居世界第一，風電作為新能源發電主力軍發展前景良好［2-3］。變槳距系統能夠實時調節風輪從風中捕獲的能量大小，從而使風機獲取最大能量，同時能減少風力對整個風電機組的沖擊，是風電機組最為關鍵的控制裝置［4-5］，已成為風力發電技術發展趨勢。變槳距系統廣泛用于單機容量大于1MW 的風電機組中，目前我國單個風電機組容量均朝著大容量方向發展，海上風電機組已向單機容量10MW 邁進［6］，因此變槳距技術必將應用廣泛，其研究與教學具有一定的實際意義。

本科階段實驗課程應把培養更多高專業素養人才作為教學目標［7］。風電機組變槳距控制系統的控制策略較為復雜，理論教學授課效果一般，實踐授課一定程度上能夠幫助學生了解風電場運行方式，但學習內容簡單膚淺，無法深入對風電機組變槳距控制系統的結構組成、運行特性、控制策略等核心內容進行深入學習，同時普通實驗教學因實驗儀器本身問題很難達到教學效果。因此，研究適合風電機組變槳距技術實驗教學的新手段、新方式具有重要意義。

風機控制及虛擬仿真實驗研究有：張崇文等［8］基于ANSYS 進行風機葉片建模與仿真實驗研究，研究成果可為風機葉片的安裝與優化提供參考；張建良等［9］進行雙饋感應風機虛擬慣量控制器設計及仿真實驗研究，利用電力系統仿真軟件PowerFactory 搭建系統仿真平臺，實現虛擬慣量控制器應用；劉小花等［10］開展虛擬仿真技術在電子類課程教學中應用研究，指出應用虛擬仿真實驗教學是提高教學效果的必備途徑之一。但是目前對風機變槳控制虛擬仿真實驗系統的應用研究還鮮有報道。

本文結合風電實驗教學實際需要，在現有風機控制策略研究基礎上推出一套適合風電實驗教學的風機變槳控制虛擬仿真實驗系統，有效彌補了理論教學、實踐教學及普通實驗教學的不足，取得了很好的教學效果。

1 風機變槳虛擬仿真系統教學必要性分析

1.1 傳統實驗教學局限性

風電機組運行實驗旨在幫助學生了解風電機組運行特性、控制策略，加深對理論知識的領會，是新能源學科教學的重要形式。傳統的實驗教學因設備昂貴、易損壞、實驗平臺集成度高等原因，在實際教學中很難達到教學目的［11］。

（1）實驗設備昂貴。風電機組運行實驗是一種高投入實驗，很多高校因為經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，難以保證每個學生都動手操作。同時，實驗設備更新換代較快，及時更換新儀器設備將造成老設備利用率不足、經費使用超限，不更換新設備又難以開展先進技術、先進理論教學。

（2）設備易損壞。實驗設備因頻繁操作或不當使用部件極易損壞，維修、調試過程復雜，耗費較大的人力成本及時間，對后續教學造成不同程度的影響。

（3）平臺集成度高。以系統能源并網實驗平臺為例，平臺使用高集成化實驗設備，學生只需輸入相應的參數即可得到相應結果，接觸不到實驗設備核心部件，不能參與實驗核心流程。風電機組變槳是通過風輪機械電氣聯動實現的，過程及控制策略復雜，傳統實驗方式導致學生不能充分了解及掌握變槳原理及控制策略。

1.2 風機變槳虛擬仿真實驗教學優勢

虛擬仿真實驗系統是一種較新的實驗形式，它具有不受時間、空間限制，實施機動靈活、實驗過程可視化等優點，能夠有效解決傳統實驗設備數量不足、設備易損壞等問題。目前，虛擬仿真系統實驗教學得到較好應用，特別是在醫學教育、物理學及化學實驗教學等領域中［12］。教育部2013 年《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》提出要分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，國家已經把虛擬仿真教學納入教學重點［13］。

風機變槳原理、控制策略較為復雜［14］，學生從理論教學及普通實驗中很難掌握風機變槳的核心知識點。同時，風機變槳是在風輪箱內實現的，普通實驗不能直觀全面展示。通過搭建三維立體可視化風機變槳虛擬仿真系統，學生可直觀學習到風機變槳過程及動作原理，在實驗過程中能夠模擬多種運行方式，創設運行情景，引發學生深入思考，對全面培養學生能力具有重要作用。

2 風機變槳控制虛擬仿真系統搭建

為得到較好的實驗教學效果，本文基于互聯網、物聯網技術搭建了三維可視化風機變槳虛擬控制仿真系統，系統高效、便捷，能準確實現風機變槳全過程可視化。平臺可實現遠程編程控制，通過智能網關、云服務器構建虛擬局域網環境并接入互聯網，在遠程控制端實現對設備的遠程監控。

2.1 三維可視化模塊搭建

風機變槳系統三維可視化模塊具有實時顯示風電機組變槳全過程功能，能夠進行風速、風向等參數設置，實時實現風電機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，能顯示風電機組的運行動畫。界面切換可查看風電機組變槳過程中風輪箱內各變槳機構運動情況，變槳機構三維動畫如圖2 所示。繼續進行界面切換，可實時查看變槳齒輪箱動作情況。

風速調節系統能設置一段時間的風速曲線，設置界面如圖3 所示。仿真系統具有多界面同時顯示功能，學生可在實驗過程中實現多狀態同時查看，即實現調節風速參數、實時查看三維動畫、實時查看實驗數據變化等功能。

2.2 教學功能組成

風機變槳虛擬仿真實驗系統設置學習模塊、訓練模塊、考核模塊，在教學各階段都能得到有效應用。學習模塊提供風電機組變槳的基本理論知識，包括變槳運動原理、氣動原理、變槳分類及應用等，幫助學生掌握實驗所需的基本理論知識，該模塊可進行簡單的實驗操作，了解風電機組變槳基本過程；訓練模塊包含變槳系統控制實驗和變槳系統編程實驗兩部分，是學生實驗課的主要內容；考核模塊用于實驗課程的考核工作。此外，該仿真系統還配置其它常用的教學功能。圖4 為仿真系統考核界面。

目前，美國的 Civil 平臺已經展開了區塊鏈技術在傳媒行業的應用實踐。Civil 平臺是基于區塊鏈技術打造的新聞出版發行平臺，一個去中心化的新聞市場。其創始人馬修·埃爾斯說，該平臺旨在為新聞業擺脫假新聞和其他外部的影響，利用區塊鏈永遠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歷史的可能性，并讓讀者可以通過 Civil 的虛擬貨幣搜尋優質內容［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，回歸新聞專業主義被推上日程。

Fig.2 Three-dimensional animation of pitch mechanism圖2 變槳機構三維動畫

Fig.3 Wind speed setting interface圖3 風速設置界面

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

2.3 風機變槳控制仿真系統實驗教學應用

變槳控制實驗分為維護模式手動變槳實驗、運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機變槳虛擬仿真控制系統應用。

2.3.1 實驗過程

在現場調試過程中，需要根據風機自動運行模式下的變槳特征，在維護模式下進行手動變槳測試，檢驗變槳系統控制功能是否正確，檢測變槳電機、編碼器、限位開關等零部件功能是否正常。

（1）風機啟動過程開槳調試。目的是檢測機組開槳功能是否正常。5MW 機組開槳速度為5°/s，調試過程分為以下兩個階段：

第一階段是測試機組從啟動至并網前處于迎風狀態的變槳過程。在變槳調試界面選擇葉片1，設定變槳速度為5°/s，設定變槳角度為30°，點擊手動變槳按鈕，使葉片從90°位置開槳至30°位置。

第二階段是測試機組從迎風狀態至并網狀態的變槳過程。繼續設定葉片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“變槳調試界面”實時數據監控或實時曲線監控，觀察變槳方向及變槳角度反饋值、變槳速度反饋值等參數變化，判斷變槳機構是否正常。

（2）風機停機過程順槳調試。目的是檢測風機在不同停機模式下順槳功能是否正常。風機順槳分為3 種模式，在每種狀態下分別進行實驗，通過“變槳調試界面”中實時數據監控或實時曲線監控，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變化，判斷變槳機構運行是否正常。

變槳調試操作界面如圖5 所示，在此界面中可進行變槳角度、速度等參數設置。

Fig.5 Parameter settings of pitch debugging operation interface圖5 變槳調試操作界面參數設置

2.3.2 實驗數據跟蹤

實驗參數設置后進行變槳實驗時，可實時跟蹤風機變槳情況，實時查看風機變槳角度、速度的反饋值曲線，并與設定值進行比較，監控風機運行情況。通過監控界面下方的“開啟攝像頭”按鈕可觀看風機變槳的三維動畫。仿真系統監控界面如圖6 所示。

Fig.6 Monitoring interface of simulation system圖6 仿真系統監控界面

2.3.3 歷史數據查詢功能

虛擬控制系統配置了數據保存、查詢功能，所有實驗數據都可根據時間進行查詢，歷史數據有利于實驗報告的撰寫與分析，同時便于教師在教學中對學生實驗過程進行考核，避免了傳統實驗只注重結果的不足。歷史數據監控界面如圖7 所示。

Fig.7 Data query interface of simulation system圖7 仿真系統數據查詢界面

3 虛擬仿真系統教學應用效果

為檢驗風機變槳控制虛擬仿真系統實驗教學效果，2019 年春季學期在風電機組變槳實驗課程中，以電氣工程學院參加風電基礎實驗課的某年級4 個班122 名學生為對象進行系統評測。評測按班級進行分組，1 班、3 班的學生按虛擬仿真系統學習，稱為“實驗組”，2 班、4 班學生選擇傳統新能源并網實驗平臺裝置授課，稱為“普通組”。2019 年6 月課程結束后對學習情況進行考核，考核分為理論考試和實操考核兩部分，理論主要考核風電機組變槳原理、發展概況、控制策略分析等方面，實操考核實驗過程的規范性、結果的正確性。表1 為實驗組與普通組學生的課程學習成績。

Table 1 Academic achievements of students in experimental group and general group表1 實驗組與普通組學生課程學習成績

由表1 可知，實驗組平均成績為88.09 分，普通組平均成績為82.92 分，兩者相差5.17 分。從成績數據可以看出，運用虛擬仿真實驗的學生實驗結果準確率更高，同時理論成績高出普通組學生6.23%，說明虛擬仿真實驗能夠加深學生對風電機組變槳理論的理解。

考評組還對利用虛擬仿真系統學習的61 名學生進行問卷調查，調查結果顯示，超80%的學生對虛擬仿真系統表示認同，認為其是一種較好的實驗形式，見表2。但系統界面設置等還存在不足，需要繼續加以完善。

Table 2 Analysis of questionnaire survey results表2 問卷調查結果分析

4 結語

本文探究了風電機組變槳控制虛擬仿真系統在實驗教學中的應用，分析了傳統實驗的局限性和推進現代虛擬仿真技術的必要性，搭建了基于物聯網、互聯網的風電變槳控制虛擬仿真平臺并應用于實際教學，取得了較好效果。

（1）風電產業發展良好，風機變槳技術已成為風機發展的基本趨勢，加快培養懂風機運行、變槳控制的高素質人才迫在眉睫。傳統實驗因設備昂貴、易損壞、實驗平臺集成度高等局限，很難滿足人才培養需要，在本科教學中推進風機變槳控制虛擬仿真實驗具有一定實際意義。

（2）本文搭建了一套風機變槳控制虛擬仿真實驗系統，能夠實現風機變槳全過程三維可視化，在遠程控端對設備進行遠程監控，同時配置學習、訓練、考核等模塊，還可對變槳控制進行手動實驗演示。

（3）在實際教學中對虛擬實驗仿真教學系統進行了效果檢驗，結果顯示運用虛擬仿真實驗的學生課程成績高出傳統實驗教學的6.23%，說明虛擬仿真實驗能夠加深學生對風電機組變槳理論的理解和知識點的融會貫通。相對于傳統實驗，學生更容易接受虛擬仿真實驗系統。

本文研究工作還存在不足，后續將加強對風電機組變槳控制實驗方式的研究與探索，以培養適合企業需求的優秀人才。