CN103344437B - 一种风力发电机组半物理实时仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于清洁能源技术领域的一种风力发电机组半物理实时仿真平台。该仿真平台主要由上位机监控界面、风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统、变流器控制器和变桨系统组成。其中，上位机通过以太网分别与风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统连接。本发明能够在实验室环境下快速的开发和验证控制算法，能够模拟真实风力发电机组的运行特性，使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试；节省测试成本，提高运行的安全性，从而能够控制风机的输出功率，平抑电网波动，为风电场优化调度提供基础研究平台。

Description

一种风力发电机组半物理实时仿真平台

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及一种风力发电机组半物理实时仿真平台。

背景技术

风能技术是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学等十几个学科和专业，是一项系统技术。恶劣的环境和环境的多变性都对大型风电技术的提出很高的要求。此外，大型风电发电并网的技术还在完善中，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。

风力发电目前最急需解决的问题是风电机组的安全性和稳定性问题。然而，自然界的风向和风速都是随时随机变化的，风机的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风机脱网，造成电网的不稳定，而且还有可能造成风机控制装置和机械部件的损坏烧毁。这对风电机组的控制系统提出了很高的要求，必须提高控制系统的可靠性。而提高控制系统的可靠性最有效的方法就是，控制器在设计完成后必须进行测试。然而，直接连接风机进行测试不仅可能损坏风机，而且无法测试极端工况下风机的状态。因此需要搭建一个能够模拟真实风机特性的仿真系统来验证控制器。

风力发电机组半物理仿真的研究，主要采用两种方法。一种方法是快速控制原型仿真(Rapidcontrolprototyping，RCP)，另外一种方法是硬件在环仿真(Hardware-in-the-loopSimulation，HILS)。

在快速控制原型仿真系统（RCP）中，控制算法采用实时仿真平台进行模拟，全部或部分真实的被控对象参与测试。此方法已经广泛地应用在系统设计初期阶段，由于开发方便，很容易验证开发方向的正确性，可以将控制算法开发中的错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。

在硬件在环仿真系统（HILS）中，将全部或部分被控对象用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则采用真实的控制器。仿真模型通过I/O接口与被测的真实控制器相连接，对被测的控制器进行全方面的、系统的测试，对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估，使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组半物理实时仿真平台，其特征在于，该仿真平台主要由上位机监控界面、风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统、变流控制器和变桨系统组成，其中，上位机通过以太网分别与风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统连接；风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统以及变流控制器之间均采用I/O接口连接，控制器仿真系统与变桨系统通过Profibus总线通讯，变桨系统中的变桨控制器和变桨电机也采用I/O接口连接。

所述风力发电机组仿真系统是风机硬件在环仿真系统，由风机的机械模型、电气模型和实时操作系统组成；其中，实时操作系统即嵌入式实时操作系统，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。

所述风机的机械模型主要包括风速、风涡轮和传动链。

所述电气模型包括发电机、背靠背变流器、变压器、输电线路和电网。

所述控制器仿真系统由主控模型和实时操作系统组成，该仿真系统是风机快速控制原型仿真系统，主要负责主控、偏航的建模和仿真，实现不同控制器模型的下载验证；控制器仿真系统通过I/O接口与风力发电机组仿真系统进行数据交换，从而实现整个风机系统的实时仿真；控制器模型仿真系统通过Profibus总线与实际的变桨控制器的PLC进行通讯，调节桨距角并且监控变桨系统运行状态。

所述风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统的硬件平台均支持低速、高速、总线板卡的多种灵活配置和选择，可以根据需求灵活调整仿真系统的功能及性能，发挥模块化、插件化、分布式设计的优势，使仿真系统能够极为灵活、满足不断变化的需求。

所述风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统支持Matlab/Simulink、LabView、StarSim等多种软件平台。

所述变流控制器通过对背靠背变流器的控制，实现风机的空载、并网、以及并网后的最大功率追踪、有功和无功的解耦控制。

所述变流控制器的硬件平台是一个CPU+FPGA的硬件架构，支持低速、高速板卡的多种灵活配置和选择，可以根据需求灵活调整变流控制器的功能及性能。

本发明的有益效果是提出的风力发电机组半物理实时仿真平台能够在实验室环境下快速的开发和验证控制算法，能够模拟真实风力发电机组的运行特性，使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试；节省测试成本，提高运行的安全性，并且可以优化风机的控制策略，从而能够控制风机的输出功率，平抑电网波动，为风电场优化调度提供基础研究平台。

由于风力发电机组半物理实时仿真平台采用HILS与RCP结合的方式进行搭建，故平台还具有以下优点：

1）缩短开发周期，减小开发成本；

2)较为全面、系统地评价控制策略、优化控制算法；

3）安全性较高，可无损地进行极端条件下的风机、控制器的测试；

4）开放的硬件平台，可灵活配置硬件设备。

附图说明

图1为风力发电机组半物理实时仿真平台组成示意图。

具体实施方式

本发明提供一种风力发电机组半物理实时仿真平台。下面结合附图对本发明进行更加详尽的阐述。

如图1所示，该仿真平台主要由上位机监控界面、风力发电机组仿真系统（即风机硬件在环仿真系统，WT-HILS）、控制器仿真系统(即风机快速控制原型仿真系统，WT-RCP)、变流器控制器和变桨系统组成，其中，上位机通过以太网分别与风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统连接；风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统以及变流控制器之间均采用I/O接口连接，控制器仿真系统与变桨系统通过Profibus总线通讯，变桨系统中的变桨控制器和变桨电机也采用I/O接口连接。变桨系统采用真实的变桨控制器和变桨电机。变桨控制器与主控通过Profibus总线通讯，同时，它通过PWM驱动变桨电机进行动作，实现桨距角变化。下面分别对各个部分进行具体说明如下：

1.上位机及其监控界面

采用LabView、Veristand等图形化软件进行开发，可以实时监视风机运行参数，包括：风速、风向、转子转速、电网电压、发电机转子电流等，也可以对风速、风向进行实时修改。用户还可以通过监控界面修改风机的参数，用于模拟不同规格的风力发电机组的运行状态。

2.风力发电机组仿真系统

2.1风机机械模型

风机初期建模过程中，风速模型首先采用恒风速变风向模型。风速大小由上述上位机的监控界面中的风速值确定，用户可通过风速值改变风速大小。风向则由监控界面中的风向操作旋钮确定，用户可通过风向操作旋钮改变风向。用于测试控制器阶段时，风速模型一方面可采用的组合风速建模方法来模拟风速变化，另一方面可采用风电场SIS数据，采用实际的风况来测试系统。风涡轮是整个风力发电系统能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能。传动链一般由与轮毂相连的低速轴、齿轮箱和驱动发电机的高速轴组成。对于传动链的建模主要有两种方式：一是考虑传动轴的柔性；一是假设轴是刚性的。在仿真机传动系统仿真模型中应考虑到低速轴的柔性和阻尼特性，而高速轴则假设为刚性的。

2.2风机电气模型

电气模型按照双馈风机的电气拓扑搭建，包括发电机（感应电机），背靠背的2电平变流桥，变压器，输电线路，远端电网。模型能通过I/O与变流控制器接口构成闭环系统：模型能够接收变流控制器发送的高速PWM脉冲，根据脉冲决定变流桥的开通、关断状态，同时实时更新数学模型，然后反馈系统的电压、电流、电机转子位置等状态量给控制器。

2.3实时操作系统

实时操作系统，即嵌入式实时操作系统（EmbeddedReal-timeOperationSystem，简称RTOS)，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。简而言之，实时操作系统要求在规定时间内必须完成相应的操作。因此，实时操作系统可以提供及时响应，具有高可靠性。

风力发电机组仿真系统采用具有英特尔Corei7处理器和实时操作系统的硬件平台，风机模型在实时操作系统中按照真实的时间运行，可以保证模型运行结果的真实性，增加系统的可靠性，提高仿真系统的可信度。

3.控制器仿真系统

所述控制器仿真系统包括主控模型和实时操作系统，该仿真系统是风机快速控制原型仿真系统，主要负责主控、偏航的建模和仿真，实现不同控制器模型的下载验证；控制器仿真系统通过I/O接口与风力发电机组仿真系统进行数据交换，从而实现整个风机系统的实时仿真；控制器模型仿真系统通过Profibus总线与实际的变桨控制器的PLC进行通讯，调节桨距角并且监控变桨系统运行状态。

3.1主控模型

风机主控制器的主要功能有：采集风况变化，如风速、风向的改变；监控风机的运行状态，优化机组的功率输出；根据优化控制算法结果，对变桨、变流进行协调控制；偏航控制；故障检测。偏航控制功能在主控中实现，主控根据风向计算出机舱位置，然后正反转驱动偏航电机运转，自动解除电缆缠绕。

3.2实时操作系统

实时操作系统，即嵌入式实时操作系统（EmbeddedReal-timeOperationSystem，简称RTOS)，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。简而言之，实时操作系统要求在规定时间内必须完成相应的操作。因此，实时操作系统可以提供及时响应，具有高可靠性。

控制器仿真系统采用具有英特尔Corei7处理器和实时操作系统的硬件平台，主控模型在实时操作系统中按照真实的时间运行，可以保证模型运行结果的真实性，增加系统的可靠性，提高仿真系统的可信度。

4.变流控制器

风力发电变流控制系统可以实现空载，并网，以及通过矢量控制的方法实现并网后的最大功率追踪，有功无功解耦控制等功能。具体方法是：

a)并网后，通过对机侧（感应电机转子侧）的变流器的控制来实现对电机转矩（有功功率的控制），和最大功率追踪。

b)并网后，通过对网侧的变流器的控制来实现直流母线电压的控制，以及网侧变流器和电网的无功功率交换。

变流控制器内有两个控制循环，一个为主控循环，负责最大功率追踪，具有有功无功解耦控制的功能；另一个为高速的脉冲发生循环，主要负责控制电力电子变流桥的PWM脉冲的产生。

由于对电力电子变流器的控制需要有FPGA产生的高速的PWM脉冲，变流控制器的硬件平台是一个CPU+FPGA的硬件架构，所有I/O通过FPGA进行数据传递。

5.变桨控制器

变桨控制器采用华电天仁电力控制技术有限公司的TR-1.5MW变桨控制系统。变桨控制器与主控通讯采用ProfibusDP通讯，通讯速率1.5Mbps。主控为DP主站，变桨控制器为从站。主控发送给变桨为7WORD的数据包，包括控制字（复位，心跳，辅助控制），位置给定，速度给定等。主控收到变桨为17WORD的数据包，包括本桨叶实际位置反馈以及变桨温度、电压、电机电流、速度等一些监视量。

Claims (2)

1.一种风力发电机组半物理实时仿真平台，该仿真平台包括上位机监控界面、风力发电机组仿真系统；还包括控制器仿真系统、变流控制器和变桨系统，其中，上位机通过以太网分别与风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统连接；风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统以及变流控制器两两之间均采用I/O接口连接，控制器仿真系统与变桨系统通过Profibus总线通讯，变桨系统采用真实的变桨控制器和变桨电机，变桨系统中的变桨控制器和变桨电机也采用I/O接口连接；所述风力发电机组仿真系统是风机硬件在环仿真系统，由风机的机械模型、电气模型和实时操作系统组成；其中，实时操作系统即嵌入式实时操作系统，是当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统；其风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统支持Matlab、LabView和StarSim多种软件平台；其特征在于，

所述控制器仿真系统由主控模型和实时操作系统组成，该控制器仿真系统是风机快速控制原型仿真系统，主要负责主控、偏航的建模和仿真，实现不同控制器模型的下载验证；控制器仿真系统通过I/O接口与风力发电机组仿真系统进行数据交换，从而实现整个风力发电机组仿真系统的实时仿真；控制器仿真系统通过Profibus总线与真实的变桨控制器的PLC进行通讯，调节桨距角并且监控变桨系统运行状态；

所述风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统的硬件平台均支持低速板卡、高速板卡的多种灵活配置和选择，实时灵活调整仿真系统的功能及性能，发挥模块化、插件化、分布式设计的优势，使仿真系统能够极为灵活、满足不断变化的需求。

2.根据权利要求1所述风力发电机组半物理实时仿真平台，其特征在于，所述变流控制器的硬件平台是一个CPU+FPGA的硬件架构，支持低速板卡、高速板卡的多种灵活配置和选择，具有灵活调整变流控制器的功能。