CN102411367B - 大型风力发电机组主控测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型风力发电机组主控测试系统及方法，系统包括分别与路由器相连的主控系统、变流系统、变浆系统、模拟风机和风场监控系统，且主控系统、变浆系统、变流系统和风场监控系统相互连接构成通信系统网络，所述模拟风机与主控系统通讯连接，本发明建立了风电机组模型，模拟风场运行环境，实现了机组运行工况再现，使测试和调试不受风的随机性、间歇性等特性的影响，并制定了相应测试方案，总结了测试注意事项。该测试系统有效解决了风力发电机组控制系统全面动态测试难题，保证了主控系统的高可靠和高动态性能，缺陷得到提前暴露，缩短了研发周期，减少了现场调试时间，提高了风电机组主控系统研发、出厂质量。

Description

大型风力发电机组主控测试系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组测试技术领域，尤其涉及一种大型风力发电机组主控测试系统及方法。

背景技术

风力发电机组控制系统是国内风电设备中薄弱环节，风力发电机组测试及质量控制更是风电领域的难题，各个厂家风力发电机组控制差异大，相关IEC标准未得到实际采用，一致性测试无法开展，测试仅限于输入输出对点测试、全功率测试和现场调试，缺乏对主控系统全面测试手段和方法。若直接进入现场调试，成本高，易造成设备损坏；并且因风具有随机性、间歇性，无法在风场对风力发电机组进行全面实验，尤其是极限风况的实验。

目前一些研究院所搭建了测试平台，但是多是针对性试验系统，如针对性用于载荷计算、硬件测试或静态测试等，风电机组核心控制算法、策略等不能系统全面动态测试。如何建立一种全面动态的主控测试系统，提前暴露缺陷，方便测试和调试，保证风力发电机组安全稳定运行是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型风力发电机组主控测试系统及方法，以全面动态的对风力发电机组的各项性能进行测试，保证风力发电机组安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明的风力发电机组主控测试系统包括分别与路由器相连的

主控系统，是风力发电机组的控制中心，用于发电运行控制、优化机组功率输出和载荷优化控制；并用于协调指挥变流系统、变桨系统工作；

变流系统，用于将发电机发出的交流电整流为直流电，并把直流电逆变为工频交流电馈入电网；并接收执行主控系统的并网、拖网命令，向主控系统反馈电网、发电机转速信息；

变浆系统，用于接受主控系统的控制命令执行调节桨距角，同时作为机组气动刹车的驱动装置，用于在紧急情况下使机组可靠顺桨；

模拟风机，通过模拟开关量、温度量、脉冲量信号模拟风电机组的转速、温度、桨距角信号代替实际风电机组相应信息，供控制系统采集；

风场监控系统，用于接收主控系统采集的风场风电机组状态信息，并通过主控系统对风场每台风电机组进行启动、停机、限功率运行控制；

所述主控系统、变浆系统、变流系统和风场监控系统相互连接构成通信系统网络，所述模拟风机与主控系统通讯连接。

进一步的，所述主控系统的发电运行控制包括数据处理、故障检测处理、机组启停、并网、脱网、偏航、解缆。

进一步的，所述主控系统的优化机组功率输出性能包括最大功率的捕获、恒功率运行控制、低电压穿越。

进一步的，所述主控系统的载荷优化控制包括整机稳定性控制、疲劳载荷减缓和机组振动控制。

进一步的，所述变流系统采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电，通过网侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网。

进一步的，所述模拟风机由PT100、电流源、电压源、Blade及相关测试软件组成，分别用来模拟风力发电机组的风轮、齿轮箱、发电机、冷却系统的输出信号。

本发明的风力发电机组主控测试方法步骤如下：

（1）对风力发电机组主控测试系统进行启动功能检测；

（2）选择根据IEC标准生成的风文件或现场录制的风文件，作为测试文件；

（3）根据风文件模拟风电机组相应实际运行工况；

（4）观测风力发电机组主控测试系统中主控系统测得的桨距角、转速、转矩、风速变化曲线，检测主控控制功能实现情况，性能是否达标，完成测试。

所述步骤（1）中风力发电机组主控测试系统的启动功能测试包括：

1）风力发电机组的各种启动方式是否有效，包括自动启动、面板人工启动、机舱柜人工启动和远程启动；

2) 检测风力发电机组启动条件是否有效，这些条件包括系统压力、温度、风速、电网电压、频率；

3) 启动过程中发生故障时响应是否正确有效；

4) 启动过程中温控、泵控、偏航等是否能根据需要有效；

5) 是否限制风力发电机组每天自动启动次数；

6) 启动过程中发生风向变化对启动的影响；

7) 额定风速以下风力发电机组启动过程，观测调桨、调速、调距过程；

8）额定风速以上启动过程，观测调桨、调速、调矩过程。

 本发明的大型风力发电机组主控测试系统及方法优点如下：

1） 把现场调试工作搬进了实验室，节约了大量测试成本；

2） 使测试工作摆脱了自然风的各种限制，不再受风的随机性、间歇性、易受影响等特性的影响，节约了数倍的测试时间，缩短了产品的开发周期；

3） 测试过程中发现问题，适时对控制程序进行更改，做到了在测试中完善产品的研发模式；

总之，本测试方法经大型项目的检验，能够有效发现系统的不足，做到程序化、标准化、科学化测试。

附图说明

图1是风力发电机组主控测试系统组成示意图；

图2是系统数据流示意图；

图3是湍流风况下风力发电机组启动过程图；

图4是风力发电机组工况示意图；

图5是风力发电机组测试项目分类图；

图6是风力发电机组并网运行时功率控制跳变示意图。

具体实施方式

风力发电机组主控系统需测试的功能主要有远程通讯、桨距控制、温度控制、偏航控制、功率控制、状态转换等，测试时可依照功能模块先单步测试，然后进行连续测试。为了保证能够对主控系统进行测试的全面性、高效性，在测试中以现场运行需求为测试出发点，在白盒测试的基础上进行黑盒测试。测试将依据详细设计文档，保证编程的正确性；依据风力发电机组相关标准、厂家设计思路、现场经验等，保证功能不缺失，性能满足使用要求；使用行业通用的风力发电机组仿真软件进行工况测试，保证功率控制策略的可行与高效。

一、测试系统

风力发电机组主控测试系统包括分别与路由器相连的

主控系统，是风电机组的控制中心，协调指挥变流器、变桨系统安全、高效工作；以发电运行控制功能为目标，确保机组安全可靠运行，包括数据处理、故障检测处理、机组启停、并网、脱网、偏航、解缆等；以优化机组功率输出性能为目标，包括最大功率的捕获、恒功率运行控制、低电压穿越等；实现载荷优化控制，主要包括整机稳定性控制、疲劳载荷减缓和机组振动控制；

变流系统，采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电，通过网侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网；接收执行主控并网拖网命令，向主控系统反馈电网、发电机转速等信息；

变浆系统，是风力发电机组调节中桨距控制的执行机构，接受主控控制命令执行调节桨距角，其调节特性的优劣直接影响发电机组并网冲击和快速性、发电机组输出功率的平稳性，从而影响整个风力发电系统的发电效率和电能质量；同时作为机组气动刹车的驱动装置，能在紧急情况下使机组安全可靠顺桨，保证机组安全；

模拟风机，通过模拟开关量、温度量、脉冲量等信号模拟风电机组的转速、温度、桨距角等信号代替实际风电机组相应信息，供控制系统采集；

风场监控，软件装载在台式机上，接收主控采集的风场风电机组状态信息，并通过主控对风场每台风电机组进行启动、停机、限功率运行等控制；

所述主控系统、变浆系统、变流系统和风场监控相互连接构成通信系统网络，所述模拟风机与主控系统通讯连接。

本着模拟现场运行情况的原则，搭建测试系统，研制测试工具，使风力发电机组主控测试系统能够模拟现场工况，使得主控系统运行状态之间能顺利切换，可方便观测分析各种工况，模拟各种故障。

搭建的测试系统如图1，由通信系统、模拟风机、风场监控系统、变流系统、外部风况模拟系统等组成。风电机组的风速信号通过传感器采集后为4-20mA信号，有些信息传感器采集后为0-10V信号，则用相应电流源、电压源代替机组相应信号，许多温度采集多为PT100，则直接可用其或阻值代替机组温度信号。变流系统、变浆系统可采用实际的系统连接，也可采用相应通讯子站和相应开关量模拟实。外部风况模拟系统根据IEC标准要求生成或采集现场实际风况。通信系统网路（虚线部分）为主控对外接口网络，其主要通讯接口有变桨系统、变流系统、风场监控系统等，通过该通讯系统连接主控及物理或模拟系统（变流系统、变浆系统通讯模拟子站，用于模拟温度的PT100以及模拟传感器的信号的电流源电压源等）；模拟风机系统可以模拟风机运行参数，使主控正常工作，动态检测其功能及性能。黑色线条表示的网络检测、分析各个接口信息是否正常，系统功能、性能的是否正常等，是故障分析定位的网络，测试时的人机接口。点划线连接的代表主控需要和风力发电机组交互的信息。

用PT100、电流源、电压源、Blade及相关测试软件等组成模拟风机模拟风力发电机组的风轮、齿轮箱、发电机、冷却系统等。风电机组的风速信号通过传感器采集后为4-20mA信号，有些信息传感器采集后为0-10V信号，则用相应电流源、电压源代替机组相应信号，许多温度采集多为PT100，则直接可用其或阻值代替机组温度信号，Blade为一种专业软件，可实现对风机的建模预仿真。风力发电机组中温度测量常用PT100，在模拟温度类故障和控制功能测试时可使用电阻箱及普通电阻代替（该测试系统中PT100或电阻箱、电阻都可以用）；风速、风向等传感器输出为电流信号，在测试过程中使用电流源（风电机组的风速信号通过传感器采集后为4-20mA信号，改变电流信号即可模拟改变风速大小）代替，可方便模拟风向、风速等值的改变，完成测试；根据通讯需要如CAN子站模拟变桨、变流相关信息代替实际变桨和变流仿真变桨、变流、监控系统实际功能，并建立其与主控的通讯，从而来检测主控系统功能和性能；测试系统搭建完成后应保证（根据相应通讯规约机制判断通讯是否正常来实现）与主控系统之间通讯正常，无故障激活，可通过监控软件观察。

表1 模拟风机主要模块及功能

表1中模拟风机的主要模块通过软件控制电流源、电压源、Blade输出，从而模拟发风电机组状态。

测试系统还面临两个问题：风速一定时如何根据实际情况模拟桨距角变化时发电机转速的变化；发电运行状态桨距角、转矩变化时功率的变化。本系统利用行业内比较成熟的Blade软件，根据风力发电机组参数建立模拟风机模型，根据风速、风向、桨距角、转矩给出发电机转速和发电功率值。模拟风机模型主要模块及参数如表1所示，系统之间数据流动如图2所示。

测试时不但考虑恒定风速风况，更要考虑湍流等情况，对正常湍流模型，湍流标准偏差的代表值σ₁，90%情况下由轮毂高度处的风速给出。对标准风机等级，这个值由下式给出：

σ₁=0.2I_ref（0.75V_hub+b），b=5.6m/s，I_ref的值由表2给出。

表2风力机等级的基本参数

表中： Iref 表示在15m/s时湍流密度的期望值；Vref表示参考风速10分钟的平均值；A表示较高湍流特性级；B表示中等湍流特性级；C表示较低湍流的性级。

符合高斯分布的有一定方差的白噪声，通过karman滤波，得到在该风况下的karman湍流分布形状，再与一个该风况下的权值作乘积，得到湍流波动模型型。利用Blade软件生成国际规定风况的实际风速，如图3，Hub wind speed曲线既为V_hub=13m/s的湍流风，驱动图2所示的数据流，以此来检验使系统动态运行各项功能和指标。

二、测试方法

系统搭建完成后，首先对系统间通讯进行测试，如对变桨、变流上送信息进行变位，在监控软件和本机人机界面观察上送信息是否正确，并依照电气原理图纸对DI/AI信息进行验证；启动风力发电机组观察桨距角、转速是否变化，检验正常后，模拟各种工况，展开功能性测试。

风力发电机组主控测试方法步骤如下：

（1）对风力发电机组主控测试系统进行启动功能检测；

（2）选择根据IEC标准生成的风文件或现场录制的风文件，作为测试文件；

（3）根据风文件模拟风电机组相应实际运行工况；

（4）观测风力发电机组主控测试系统中主控系统测得的桨距角、转速、转矩、风速变化曲线，检测主控控制功能实现情况，性能是否达标，完成测试。

依据IEC 61400-1规定工况，以及中国的风场现场经验进行工况模拟，如图4风力发电机组工况分类所示，在此基础上根据图5 风力发电机组测试项目分类组织开展测试。现具体以测试第一项功能逻辑中的启动功能测试为例，说明风力发电机组不同湍流风速下控制系统能否正确控制。

风力发电机组启动功能主要测试项目：

1）风力发电机组的各种启动方式是否有效，包括自动启动、面板人工启动、机舱柜人工启动和远程启动等；

在控制系统上电后，系统应对电网及系统安全链进行检测，在无故障情况下，使系统处于待机状态，此时只能手动启动（就地手动、远方手动）；

2) 检测风力发电机组启动条件是否有效，这些条件包括系统压力、温度、风速、电网电压、频率等；

3) 启动过程中发生故障时响应是否正确有效；

4) 启动过程中其他控制如温控、泵控、偏航等是否能根据需要有效；

5) 是否限制风力发电机组每天自动启动次数；

6) 启动过程中发生风向变化对启动的影响；

7)额定风速以下风力发电机组启动过程，观测调桨、调速、调距等过程；

8）额定风速以上启动过程，观测调桨、调速、调矩等过程。

注：启动过程中调桨、调速、调矩等过程观测见图3湍流风况下风力发电机组启动过程，相应曲线。

测试项目

构建本测试系统，按照测试方案，目前已完成国家科技攻关重点项目3MW风力发电机组主控等系统全面动态测试验证，有效提前暴露了状态转换、启动、停机、通讯、控制策略、算法等多方面的缺陷，如并网运行时功率控制跳变（见图6）、因系统间协调配合缺陷不能正常停机、故障监测不全面、停机时风机不能及时脱网、稳定风速下持续调桨幅度过大、状态码误激活、判据不合适、参数不合理、状态码激活后策略未分级、停机过程与文档不一致、不能识别与变桨通讯中断、在高风速下不能发电运行等，风力发电机组主控系统的得到了有效完善，通过修改完善这些缺陷，在室内研发阶段得到了解决，有效保证了风力发电机组稳定运行。

Claims (7)

1.一种风力发电机组主控测试系统，其特征在于，包括分别与路由器相连的主控系统，是风力发电机组的控制中心，用于发电运行控制、优化机组功率输出和载荷优化控制；并用于协调指挥变流系统、变桨系统工作；

变流系统，用于将发电机发出的交流电整流为直流电，并把直流电逆变为工频交流电馈入电网；并接收执行主控系统的并网、拖网命令，向主控系统反馈电网、发电机转速信息；

变桨系统，用于接受主控系统的控制命令执行调节桨距角，同时作为机组气动刹车的驱动装置，用于在紧急情况下使机组可靠顺桨；

模拟风机，通过模拟开关量、温度量、脉冲量信号模拟风力发电机组的转速、温度、桨距角信号代替实际风电机组相应信息，供控制系统采集；

风场监控系统，用于接收主控系统采集的风场风电机组状态信息，并通过主控系统对风场每台风电机组进行启动、停机、限功率运行控制；

所述主控系统、变桨系统、变流系统和风场监控系统相互连接构成通信系统网络，所述模拟风机与主控系统通讯连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组主控测试系统，其特征在于：所述主控系统的发电运行控制包括数据处理、故障检测处理、机组启停、并网、脱网、偏航、解缆。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组主控测试系统，其特征在于：所述主控系统的优化机组功率输出性能包括最大功率的捕获、恒功率运行控制、低电压穿越。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组主控测试系统，其特征在于：所述主控系统的载荷优化控制包括整机稳定性控制、疲劳载荷减缓和机组振动控制。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电机组主控测试系统，其特征在于：所述变流系统采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电，通过网侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组主控测试系统，其特征在于：所述模拟风机由PT100、电流源、电压源、Blade及相关测试软件组成，分别用来模拟风力发电机组的风轮、齿轮箱、发电机、冷却系统的输出信号。

7.一种风力发电机组主控测试方法，其特征在于,该测试方法的步骤如下：

（1）对风力发电机组主控测试系统进行启动功能检测；

（2）选择根据IEC标准生成的风文件或现场录制的风文件，作为测试文件；

（3）根据风文件模拟风电机组相应实际运行工况；

（4）观测风力发电机组主控测试系统中主控系统测得的桨距角、转速、转矩、风速变化曲线，检测主控控制功能实现情况，性能是否达标，完成测试；

所述步骤（1）中风力发电机组主控测试系统的启动功能测试包括：

1）风力发电机组的各种启动方式是否有效，包括自动启动、面板人工启动、机舱柜人工启动和远程启动；

2)检测风力发电机组启动条件是否有效，这些条件包括系统压力、温度、风速、电网电压、频率；

3)启动过程中发生故障时响应是否正确有效；

4)启动过程中温控、泵控、偏航是否能根据需要有效；

5)是否限制风力发电机组每天自动启动次数；

6)启动过程中发生风向变化对启动的影响；

7)额定风速以下风力发电机组启动过程，观测调桨、调速、调距过程；

8）额定风速以上启动过程，观测调桨、调速、调矩过程。

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