CN102385377B - 一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法 - Google Patents

一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法 Download PDF

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本发明公开一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法,该系统包括通过RS-232、RS-485连接的上位机和下位机,且该上位机、下位机分别通过RS-485、以太网和CAN总线与风电机组主控器进行连接,实现和待测风电机组主控器输入输出点一对一的连接通讯,风电机组主控器的输出信号通过一执行和负载模拟模块反馈到下位机;上位机承担该风力发电机仿真系统的搭建与参数设置,借助图形化界面实现参数的选取,仿真数据的存储,读取功能,同时编写通讯接口程序。本发明具开发周期短、无损和安全的极限测试和破坏性试验,并降低了开发成本,提高了主控系统运行安全性与可靠性等优点。

Description

—种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法。
背景技术
[0002] 随着风电机组控制系统的日趋复杂化对仿真系统的实时性、灵活性提出了更高的要求。目前主控系统的测试主要采用如下路线:离线算法仿真平台一>全功率拖动平台一>现场风电机组测试。不足之处在于:离线仿真与实际运行工况存在失真和脱节,在实时性上的局限性导致仿真结果的置信度低。同时离线仿真平台也不适合用作故障模式分析。
[0003] 全功率拖动平台虽然可对齿轮箱,发电机、变流器等各部件进行电气系统的可操作性的测试,但是拖动平台对软件和核心算法性能缺乏检测,极限工况的测试过程存在风险,可能引起大电气元件的损伤,同时占地面积大,花费高。
[0004] 真实风场的缺点是:由于气象条件的不定性,对主控各功能的测试会造成高昂的风场测试费用、大量的时间和人力资源耗费(比如对极端风况的测试可能需要等待一个月以上的时间),发生事故的风险性也较高。
[0005]目前硬件在环仿真在汽车领域已是相对成熟的技术,该技术可以将被测控制器连接到模型或者台架实车上进行大量重复的快速原型设计、在环测试仿真以及标定,但是该技术在风电机领域的应用还属于空白。
[0006] 因为风电机组控制器的仿真和测试更依赖于模型的精确程度,和实时性的保障。硬件在环仿真系统需要具备随机风载荷信号,涵盖风电机组各部件的复杂的空气动力学、结构动力学模型,如塔架、叶片、传动链、电机和电网模型。在计算各个子模型的动力学响应后,由控制算法实时给出控制的策略。因此既要尽可能反应真实的风电机组响应,又要保证实时性(如风电机组主控制器的最小响应时间是10ms),是硬件在环实验平台需要面临的巨大挑战。
发明内容
[0007] 由于现有技术存在的上述问题.,本发明的目的是提出一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统,通过该系统可以有效减低风电控制器的调试和维护成本,大大缩短开发时间周期,提高测试效率,在尽可能反应真实的风电机组响应的同时,又保证了实时性问题;且本发明还提出了通过该系统实现的硬件在环实验方法。
[0008] 根据本发明的目的,本发明提出了一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统,其包括通过RS-232、RS-485连接的上位机和下位机,且该上位机、下位机分别通过RS-485、以太网和CAN总线与风电机组主控器进行连接,实现和该待测风电机组主控器输入输出点一对一的连接通讯,且该风电机组主控器的输出信号通过一执行和负载模拟模块反馈到所述下位机;所述上位机承担该风力发电机仿真系统的搭建与参数设置,借助图形化界面实现参数的选取,仿真数据的存储,读取功能,同时编写通讯接口程序。
[0009] 作为本发明的进一步特征,本发明所述上位机包括Simulink环境下相互连接的监测模块、风载荷生成模块和仿真模块,该仿真模块包括连接的风电机组气动模块、风电机组结构动力特性模块、变桨模块、发电机模块及电网模块。
[0010] 作为本发明的进一步特征,本发明所述执行和负载模拟模块包括变流器模块、伺服电机和传感器模块。
[0011] 作为本发明的进一步特征,本发明所述下位机包括实时内核系统和通讯接口,与风电机组主控器采用双PLC构架进行数据交互。
[0012] 作为本发明的进一步特征,本发明所述下位机与一示波器相连。
[0013] 根据本发明的目的,本发明还提出一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验方法,包括以下步骤:
[0014] I)用户设计风电机组参数,如叶片的长度、翼型和塔筒质量和刚度分布;
[0015] 2)用户设计风谱参数和风载荷类型,由风载荷生成模块产生湍流风载荷数据,如极端风速、阵风、顺风、逆风和斜坡风;
[0016] 3)用户设定风电机组结构动力特性模块的参数,如自由度、刚体数目;
[0017] 4)上位机依次运行所述风电机组气动模块、变桨模块、发电机模块和风电机组结构动力特性模块和电网模块,采用柔性多体动力学方法得到风电机组的动力学特性参数,如固有频率和振型,之后与采用有限元方法计算得到的结果进行比较,判断是否需要重新设定风电机组结构动力特性模块的参数;
[0018] 5)然后生成C语言实时代码,并把所述仿真模块下载到下位机的实时内核系统下运行;
[0019] 6)用户设定测试项目;
[0020] 7)在下位机上运行仿真模块,输出的参数作为风电机组主控器端的模拟和数据输入,并输入到所述监测模块;
[0021] 8)风电机组主控器通过控制算法,对输入信号做出响应,并输出控制参数,发出控制指令,该控制参数输入到所述监测模块;
[0022] 9)控制指令通过执行和负载模拟器,对执行和负载模拟器中的伺服电机进行转速和加速度控制,相应参数反馈到下位机的仿真模块;
[0023] 10)下位机重新运行仿真模块,得到风电机组结构在控制指令下的动力状态;
[0024] 11)通过示波器观测风电机组主控器的输出信号,判断控制信号的正确性和有效性,输出检测报告。
[0025] 作为本发明的进一步特征,本发明所述步骤4)中,要对风电机组结构动力特性模块的结果进行评估,以评价仿真结果是否满足要求,如Abs (fmbd-ffem) /fmbd < 0.2,则无需重新设定风电机组结构动力特性模块的参数,如Abs(fmbd-ffeJ/fmbd >= 0.2,则需重新设定风电机组结构动力特性模块的参数,其中fmbd代表多体动力学方法计算的固有频率,ffCT1代表有限元方法计算的固有频率,Abs指取绝对值。
[0026] 由于采用以上技术方案,本发明的用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法,具有以下优点:
[0027] I)实验系统同步开发,缩短开发周期;[0028] 2)可快速重复再现,系统地评价控制策略;
[0029] 3)无损和安全的极限测试和破坏性试验;
[0030] 4)开放性平台,具有可扩展性;
[0031] 5)降低开发成本,提高主控系统上机运行的安全性与可靠性;
[0032] 6)辅助主控系统开发:完善主控系统附加功能,如低电压穿越、功率预估算法的开发;
[0033] 7)辅助主控系统优化:建设变浆和发电机试验平台,利用精确采样设备和复杂数据分析设备,进行数据比对和分析,对控制算法进行优化。
附图说明
[0034] 下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步说明:
[0035] 图1为本发明的连接框图
[0036] 图2为本发明中上位机中各模块之间的连接框图
[0037] 图3为本发明中风电机组结构动力特性模块采用的物理模型
[0038] 图4为本发明的硬件在环实验方法的流程图
具体实施方式
[0039] 如图1所示,本发明的用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统,其包括通过RS-232、RS-485连接的上位机I和下位机2,且该上位机1、下位机2分别通过RS-485、以太网和CAN总线与风电机组主控器3进行连接实现和该待测风电机组主控器输入输出点一对一的连接通讯,且该风电机组主控器3的输出信号通过一执行和负载模拟模块4反馈到下位机2 ;上位机I承担该风力发电机仿真系统的搭建与参数设置,借助图形化界面实现参数的选取,仿真数据的存储,读取功能;同时编写通讯接口程序,实现上下位机的数据交换,上下位机之间采用CAN连接交换数据。下位机2是包括实时内核系统和通讯接口,其与风电机组主控器3采用双PLC构架进行数据交互,完成硬件在环的实时仿真,利用软PLC技术将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能,通过一个多任务控制内核,提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开发式结构。
[0040] 本发明的执行和负载模拟模块4包括变流器模块、伺服电机和传感器模块;下位机2与一示波器相连,通过示波器观测风电机组主控器3的输出信号,判断控制信号的正确性和有效性。
[0041] 本发明的上位机I包括在Simulink环境下相互连接的监测模块、风载荷生成模块和仿真模块,该仿真模块包括连接的风电机组气动模块5、风电机组结构动力特性模块6、变桨模块7、发电机模块8以及电网模块9,如图2所示,为上位机中各模块间的连接框图。各模块主要输入输出参数如下表:
[0042]
Figure CN102385377BD00061
[0043] 其中风电机组结构动力特性模块6采用的动力学模型如图3所示,10表示基体,11表示塔架,12表示发电机,13表示机舱,14表示叶片,15表示轮毂。16表示刚体之间的铰接。分为两种可选:带轴向扭转刚度和阻尼的万向铰接、或者带外部力矩激励的开阖铰接。铰接的形式选取依据风电机组的自由度数目(13-18),施加合理的约束和边界条件。首先对叶片14和塔架11进行有限元模态分析,然后通过改变铰接16的位置、和类型(阻尼及刚度)参数,对模态分析结果进行拟合。这里给出一个算例,主要参数如下:
Figure CN102385377BD00062
[0045] 给出算例的拟合结果如下表:
[0046]
Figure CN102385377BD00071
[0047] 结构动力特性模块求解方法是:建立如图3所示的风电机组树形结构,采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法求解。模块的运行包括三个递归循环:首先从基体10开始,由已知位移和铰接的位置及速度,依次计算刚体11、12、13、15和14的位置和速度;然后从叶片14最外面的部分(叶尖处)开始积分,考虑质量和载荷的分布,计算铰接16处的质量矩阵和载荷向量;最后再从基体14开始,根据上一步得到的质量矩阵和载荷向量,计算所有铰接的加速度,然后积分得到速度和位移。在Pentium4处理器,1024ΜΒ内存的PC上,上述算例的结构动力特性计算时间<650is。
[0048] 这个硬件系统的主要特点是高效的实时内核,通过引导启动高性能的实时内核,把标准的IPC机变成了实时快速原型和硬件在回路仿真的目标机,实时内核支持中断处理和查询模式,中断模式的模型采样率可以达到50KHZ,查询模式的模型采样率可以达到ΙΟΟΚΗζ。这个硬件系统,仿真模型以实时形式运行,与风电机组主控系统通过一个硬件接口交换数据。通过输入/输出模块化技术,系统的整体架构为后续的开发和扩展具有很大的灵活性。客户可以根据需要指定或者扩展风电机组主控制系统和控制测试环境之间的硬件接口。
[0049] 本发明的用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统,主要完成如下三个功能:
[0050] (1)硬件测试:对控制柜,控制器以及元件的关键参数检测可以评价此硬件系统是否可以适应风场的极端工作环境;
[0051] (2)软件和核心算法检测:发现和分析软件所引起的潜在问题,比如通讯异常处理,信号采集滤波功能等;
[0052] (3)针对核心算法,可以半实物仿真形式模拟实际的发电效率和稳定性,并对其控制性能进行预测性评估。
[0053] 本发明还提出一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验方法,如图4所示,包括以下步骤:
[0054] 1)用户设计风电机组参数,如叶片的长度、翼型和塔筒质量和刚度分布等;
[0055] 2)用户设计风谱参数和风载荷类型,由风载荷生成模块产生湍流风载荷数据,如极端风速、阵风、顺风、逆风和斜坡风等;
[0056] 3)用户设定风电机组结构动力特性模块6的参数,如自由度、刚体数目等;
[0057] 4)上位机I依次运行所述风电机组气动模块5、变桨模块7、发电机模块8和风电机组结构动力特性模块6,采用柔性多体动力学方法得到风电机组的动力学特性参数,如固有频率和振型,之后与采用有限元方法计算得到的结果进行比较,判断是否需要重新设定风电机组结构动力特性模块6的参数,如Abs (fmbd-ffem) /fmbd < 0.2,则无需重新设定风电机组结构动力特性模块6的参数,如Abs (fmbd-ffem) /fmbd > = 0.2,则需重新设定风电机组结构动力特征模块6的参数,其中fmbd代表多体动力学方法计算的固有频率,ffCT1代表有限元方法计算的固有频率,Abs指取绝对值。
[0058] 5)然后生成C语言实时代码,并把所述仿真模块下载到下位机2的实时内核系统下运行;
[0059] 6)用户设定测试项目;
[0060] 7)在下位机2上运行仿真模块,输出的参数作为风电机组主控器3端的模拟和数据输入,并输入到所述监测模块;
[0061] 8)风电机组主控器3通过控制算法,对输入信号做出响应,并输出控制参数,发出控制指令,该控制参数输入到所述监测模块;
[0062] 9)控制指令通过执行和负载模拟器4,对执行和负载模拟器4中的伺服电机进行转速和加速度控制,相应参数反馈到下位机的仿真模块;
[0063] 10)下位机2重新运行仿真模块,得到风电机组结构在控制指令下的动力状态;
[0064] 11)通过示波器观测风电机组主控器3的输出信号,判断控制信号的正确性和有效性,输出检测报告。
[0065] 但是,上述的具体实施方式只是示例性的,是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利,不能理解为是对本专利包括范围的限制;只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰,均落入本专利包括的范围。

Claims (2)

1.一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统的方法,包括通过RS-232、RS-485连接的上位机和下位机,且该上位机、下位机分别通过RS-485、以太网和CAN总线与风电机组主控器进行连接,实现和待测风电机组主控器输入输出点一对一的连接通讯,且该风电机组主控器的输出信号通过一执行和负载模拟模块反馈到所述下位机;所述上位机承担该风力发电机仿真系统的搭建与参数设置,借助图形化界面实现参数的选取,仿真数据的存储,读取功能,同时编写通讯接口程序,所述上位机包括在Simulink环境下相互连接的监测模块、风载荷生成模块和仿真模块,该仿真模块包括连接的风电机组气动模块、风电机组结构动力特性模块、变桨模块、发电机模块和电网模块,所述下位机包括实时内核系统和通讯接口,与风电机组主控器采用双PLC构架进行数据交互,所述下位机与一示波器相连,其特征在于:包括以下步骤: 1)用户设计风电机组参数,叶片的长度、翼型和塔筒质量及刚度分布; 2)用户设计风谱参数和风载荷类型,由风载荷生成模块产生湍流风载荷数据,极端风速、阵风、顺风、逆风和斜坡风; 3)用户设定风电机组结构动力特性模块的参数,自由度、刚体数目; 4)上位机依次运行所述风电机组气动模块、变桨模块、发电机模块和风电机组结构动力特性模块以及电网模块,采用柔性多体动力学方法得到风电机组的动力学特性参数,固有频率和振型,之后与采用有限元方法计算得到的结果进行比较,判断是否需要重新设定风电机组动力特性模块的参数; 对所述风电机组结构动力特性模块的结果进行评估,以评价仿真结果是否满足要求; Abs (fmbd-ffem) / fmbd〈0.2,则无需重新设定风电机组结构动力特征模块的参数,Abs (fmbd-ffem) / fmbd>=0.2,则需重新设定风电机组结构动力特征模块的参数,其中fmbd代表多体动力学方法计算的固有频率,ffem代表有限元方法计算的固有频率,Abs指取绝对值; 5)然后生成C语言实时代码,并把所述仿真模块下载到下位机的实时内核系统下运行; 6)用户设定测试项目; 7)在下位机上运行仿真模块,输出的参数作为风电机组主控器端的模拟和数据输入,并输入到所述监测模块; 8)风电机组主控器通过控制算法,对输入信号做出响应,并输出控制参数,发出控制指令,该控制参数输入到所述监测模块; 9)控制指令通过执行和负载模拟器,对执行和负载模拟器中的伺服电机进行转速和加速度控制,相应参数反馈到下位机的仿真模块; 10)下位机重新运行仿真模块,得到风电机组结构在控制指令下的动力状态; 11)通过示波器观测风电机组主控器的输出信号,判断控制信号的正确性和有效性,输出检测报告。
2.根据权利要求1所述的硬件在环实验系统的方法,其特征在于:所述执行和负载模拟模块包括变流器模块、伺服电机和传感器模块。
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