CN103744341A - 模拟风电机组运行的仿真方法和风电机组的plc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法，所述仿真方法包括：第一仿真单元模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式；如果PLC系统切换的另一运行模式是第二运行模式，则第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。采用本发明所述仿真方法不仅能够实现风电机组的实时仿真，还能够进一步提高风电机组仿真的置信精度。
Description
技术领域
本申请涉及风力发电风电机组技术领域，尤其涉及一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法和风电机组的PLC系统。
背景技术
目前，大型风力发电机组都是强非线性刚柔耦合的周期时变多体系统，其结构和运动关系复杂，因此在风电机组的样机运行以前必须进行充分的仿真测试，以避免潜在的风险。但是现有的软件仿真技术大部分都是非实时仿真，其仿真的置信精度无法保证机组软/硬件子系统的安全可靠性。另外，在现有技术中多将风力发电风电机组系统与仿真平台分成两个独立的系统，中间以下位机或通讯模块连接，需要进行复杂的通信协议涉及才可搭建繁杂的风力发电风电机组仿真平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法。采用本发明所述仿真方法不仅能够在不依靠硬件的情况下实现风电机组的实时仿真，降低仿真平台的搭建成本，同时还能够进一步提高风电机组仿真的置信精度，以避免潜在的危险。
据本发明的一方面，提供一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法，所述仿真方法包括：第一仿真单元模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式；如果PLC系统切换的另一运行模式是第二运行模式，则第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
优选地，所述对模拟的状态信息进行逆逻辑转换的具体步骤为：通过PLC系统的LREAL_TO_INT接口对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
优选地，第一运行模式或第二运行模式分别为以下运行模式之一：待机模式、启动模式、加速模式、发电模式、停机模式。
优选地，当第二运行模式为发电模式时，所述第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息的具体步骤为：所述第二仿真单元根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组在发电模式下的转速、响应的扭矩和桨距角。
优选地，所述第一仿真单元和/或第二仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
优选地，所述在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
据本发明的另一方面，提供一种风电机组的PLC系统，包括：第一仿真单元，用于模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换；主控PLC，用于对逆逻辑转换后的信息进行逻辑转换，以便根据转换的结果切换至另一运行模式；第二仿真单元，用于如果切换的另一运行模式是第二运行模式，则模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
优选地，所述第二仿真单元，用于当第二运行模式为发电模式时，根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组在发电模式下的转速、响应的扭矩和桨距角。
优选地，所述第一仿真单元和/或第二仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
优选地，所述在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所述仿真方法不仅能够在不依靠硬件的情况下实现风电机组的实时仿真，而且还能够进一步提高风电机组仿真的置信精度，另外，还有效降低仿真平台的搭建成本，避免了潜在的危险。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的包含仿真单元的风电机组的PLC系统的结构示意图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法的流程图；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的在风电机组的PLC系统中对模拟的状态信息进行数据转换的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
本发明的主要构思是，在风电机组的PLC（Programmable LogicController，即可编程逻辑控制器）系统中添加多个独立的仿真程序，分别模拟风电机组在指定运行模式下的状态信息，此外，为进一步提高风电机组仿真的置信精度，还可以将在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型移植到风电机组的PLC系统中作为独立的仿真程序模拟风电机组在指定运行模式下的状态信息。具体实施时，可将这些独立的仿真程序分别下载并集成至风电机组的PLC系统中，用以现场真实的风电机组。
图1是示出了包含本发明仿真单元的风电机组的PLC系统的结构示意图。从图中可以看出，本发明的第一仿真单元101被集成至图1所示的PLC系统104中，并与图中PLC系统的主控PLC软件（以下简称主控PLC）103进行数据交互，用以模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，此外，本发明的第二仿真单元102被集成至图1所示的PLC系统104中，并与图中PLC系统的主控PLC103进行数据交互，用以模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息，从而实现风电机组在不同运行模式下的运行。
图2示出了本发明一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法的优选实施例的流程图。
参照图2，在210中，第一仿真单元模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式。
其中，模拟的状态信息可以是风电机组在运行过程中的各种信息，例如，风电机组运行的转速、响应的扭矩和桨矩角等，也可以是风电机组周围输入的各种环境信息，例如，温度、湿度、风信号、波浪、空气密度等，对此本发明不作限制，只要模拟的状态信息能反映风电机组当前的运行状态及周围的环境信息，则均可应用于本发明。
为实现仿真单元和PLC系统之间的数据交互，在210中，第一仿真单元对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式。
根据本发明的一个示例性实施例，仿真装置对模拟的状态信息进行逆逻辑转换的具体步骤为：仿真装置通过PLC系统的LREAL_TO_INT接口对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
需要指出的是，由于不同PLC系统的逆逻辑转换的函数接口会略有不同，因此本发明给出的LREAL_TO_INT接口仅仅只是示例性的，事实上本发明并不受限于此，只要能够对仿真单元模拟的状态信息进行逆逻辑转换，则均可应用于本发明。
以下结合具体的实施例，对逆逻辑转换的过程作进一步的说明。
图3示出了本发明在风电机组的PLC系统中对模拟的状态信息进行数据转换的流程图。
参照图3，在310中，仿真装置对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
根据本发明模拟信息为温度的示例性实施例，仿真装置可通过PLC系统的逆逻辑转换的接口函数：
LREAL_TO_INT(10*sim_temperature_nacelle)
对模拟的温度sim_temperature_nacelle：20.0℃进行数据转换，相应的数据转换结果为profi_in_temperature_nacelle：2#0000000011001000。
在320中，PLC系统的主控PLC获取逆逻辑转换的结果，并对获取的转换结果继续进行逻辑转换。根据本发明模拟信息为温度的示例性实施例，主控PLC可通过PLC系统的逻辑转换的接口函数：
INT_TO_REAL(profi_in_temperature_nacelle)*0.1
对温度的转换结果profi_in_temperature_nacelle：2#0000000011001000进行数据还原，相应的数据还原结果为nacelle_temperature：20.0℃，即仿真单元在PLC系统中模拟的温度值。
可以看出，仿真单元模拟的各种状态信息均可按照前面所述的逆逻辑转换方法进行转换，以便PLC系统的主控PLC获得仿真单元模拟的各种状态信息。
当风电机组的各种状态信息满足PLC系统中预设的各种运行模式的切换条件时，PLC系统将切换至相应的运行模式，并通知风电机组切换至相应的运行模式。利用这一特点，仿真单元可将模拟的各种状态信息通过上述逆逻辑转换方法传递给主控PLC，当模拟的各种状态信息满足PLC系统中预设的各种运行模式的切换条件时，PLC系统将切换至相应的运行模式，并通过主控PLC和仿真单元之间预设的全局变量通知仿真单元切换至相应的运行模式。例如，当PLC系统的主控PLC的运行模式的全局变量main_loop_mode_number=5时，则PLC系统切换至发电模式，并通过该变量通知相应的仿真单元模拟发电模式下的状态信息。
在220中，如果PLC系统切换的另一运行模式是第二运行模式，则第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
需要说明的是，第一运行模式和第二运行模式分别为风电机组在运行过程中两个不同的运行模式，也就是说，当第一仿真单元在第一运行模式下模拟的状态信息满足PLC切换至第二运行模式的条件时，第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。根据本发明的一个示例性实施例，第一运行模式可以为以下运行模式之一：待机模式、启动模式、加速模式、发电模式、停机模式；相应地，第二运行模式也可以为以下运行模式之一：待机模式、启动模式、加速模式、发电模式、停机模式。
但是，由于不同型号的风机对应的运行模式会略有不同，因此第二运行模式还可以是上述模式以外的其它运行模式（如：紧急停机模式等），因此本发明并不受限于上述运行模式，只要是风电机组的运行模式，均可应用于本发明。
应该理解的是，前面所述的各种实施过程同样适用于第二仿真单元，因此第二仿真单元同样可以按照前面所述的方法将风电机组在第二运行模式下模拟的状态信息进行逆逻辑转换后传递给PLC系统，以便PLC系统根据转换的结果切换运行模式。
由于实际风电机组在发电模式下的输入为风电机组周围的环境信息（如：风速、波浪）以及主控PLC的给定需求值，其输出为响应的扭矩、桨距角以及有动力学特性决定的转速、功率。根据本发明第二运行模式为发电模式的一个示例性实施例，所述第二仿真单元根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组发电的转速、响应的扭矩和桨距角。除此之外，第二仿真单元还可以模拟风电机组在其他运行模式下的状态信息。
考虑到Simulink环境构建的模型具有强大的数据处理和建模能力，而发电模式下，仿真单元需要构建的机械模型以及涉及到的数据处理量是所有待模拟的运行模式中最多的，因此可以将风电机组的部分重要的运行模式分配给Simulink构建的模型来完成，也可以将风电机组所有的运行模式都分配给Simulink构建的模型来完成，对此本发明不作限制，只要有助于仿真单元模拟风电机组在各个运行模式下的状态信息，则均可应用于本发明。
具体地，根据本发明的一个示例性实施例，第一仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。具体实施时，可根据PLC系统的主控PLC提供的Simulink接口，将在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型作为真程序移植到PLC系统中。
根据本发明的另一示例性实施例，第二仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
具体实施时，可单独实施上述两个示例性实施例的任意一种方法，也可以将上述两个示例性实施例组合在一起实施。
为了使得在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型能够按照PLC系统的主控PLC的任务周期执行，根据本发明的一个示例性实施例，在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
从上述实施过程中可以看出，通过将Simulink环境中构建的风电机组的机械模型移植到PLC系统中，不仅可以模拟风电机组的部分或者全部的运行模式，实现风电机组的实时仿真，同时还能够提高风电机组的仿真置信精度。
为模拟出风电机组完整的运行过程，根据本发明的另一可选实施例，在图2所示的实施例中，所述仿真方法还包括：如果PLC系统切换的另一运行模式不是第二运行模式，则由第一仿真单元模拟风电机组在另一运行模式下的状态信息。
此外，图2还示出了一种包含本发明仿真单元的风电机组的PLC系统的结构示意图。
参照图2，PLC系统104至少包括第一仿真单元101、第二仿真单元102以及主控PLC103。
其中，第一仿真单元101，用于模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
主控PLC103，用于对逆逻辑转换后的信息进行逻辑转换，以便根据转换的结果切换至另一运行模式。
第二仿真单元102，用于如果切换的另一运行模式是第二运行模式，则模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
由于实际风电机组在发电模式下的输入为风电机组周围的环境信息（如：风速、波浪）以及主控PLC的给定需求值，其输出为响应的扭矩、桨距角以及有动力学特性决定的转速、功率。根据本发明第二运行模式为发电模式的一个示例性实施例，第二仿真单元102根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组发电的转速、响应的扭矩和桨距角。除此之外，第二仿真单元102还可以模拟风电机组在其他运行模式下的状态信息。
考虑到Simulink环境构建的模型具有强大的数据处理和建模能力，而发电模式下，仿真单元需要构建的机械模型以及涉及到的数据处理量是所有待模拟的运行模式中最多的，因此可以将风电机组的部分重要的运行模式分配给Simulink构建的模型来完成，也可以将风电机组所有的运行模式都分配给Simulink构建的模型来完成，对此本发明不作限制，只要有助于仿真单元模拟风电机组在各个运行模式下的状态信息，则均可应用于本发明。
具体地，根据本发明的一个示例性实施例，第一仿真单元101为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。具体实施时，可根据PLC系统的主控PLC提供的Simulink接口，将在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型作为真程序移植到PLC系统中。
根据本发明的另一示例性实施例，第二仿真单元102为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
具体实施时，可单独实施上述两个示例性实施例的任意一种方法，也可以将上述两个示例性实施例组合在一起实施。
为了使得在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型能够按照PLC系统的主控PLC的任务周期执行，根据本发明的一个示例性实施例，在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
从上述实施过程中可以看出，通过将Simulink环境中构建的风电机组的机械模型移植到PLC系统中，不仅可以模拟风电机组的部分或者全部的运行模式，实现风电机组的实时仿真，同时还能够提高风电机组的仿真置信精度。
另外，为模拟出风电机组完整的运行过程，根据本发明的另一可选实施例，如果PLC系统切换的另一运行模式不是第二运行模式，则第一仿真单元101模拟风电机组在另一运行模式下的状态信息。
由此可见，本发明所述仿真方法不仅能够在不依靠硬件的情况下实现风电机组的实时仿真，而且还能够进一步提高风电机组仿真的置信精度，另外，还有效降低仿真平台的搭建成本，避免了潜在的危险。本发明可以根据需求自定义变桨、偏航、水冷、传动等单个或多个物理子系统的测试验证工作，对被测试子系统进行充分的验证。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤拆分为更多步骤，也可将两个或多个步骤或者步骤的部分操作组合成新的步骤，以实现本发明的目的。
上述根据本发明的仿真方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质（诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘）中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的仿真方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件（诸如ASIC或FPGA）的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件（例如，RAM、ROM、闪存等），当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理仿真方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。
Claims (10)
1.一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真方法，其特征在于，包括：
第一仿真单元模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式；
如果PLC系统切换的另一运行模式是第二运行模式，则第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述对模拟的状态信息进行逆逻辑转换，包括：
通过PLC系统的LREAL_TO_INT接口对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，第一运行模式或第二运行模式分别为以下运行模式之一：
待机模式、启动模式、加速模式、发电模式、停机模式。
4.如权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，当第二运行模式为发电模式时，所述第二仿真单元模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息，包括：
所述第二仿真单元根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组在发电模式下的转速、响应的扭矩和桨距角。
5.如权利要求1～4任一项所述的仿真方法，其特征在于，所述第一仿真单元和/或第二仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
6.如权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
7.一种风电机组的PLC系统，其特征在于，包括：
第一仿真单元，用于模拟风电机组在第一运行模式下的状态信息，并对模拟的状态信息进行逆逻辑转换；
主控PLC，用于对逆逻辑转换后的信息进行逻辑转换，以便根据转换的结果切换至另一运行模式；
第二仿真单元，用于如果切换的另一运行模式是第二运行模式，则模拟风电机组在第二运行模式下的状态信息。
8.根据权利要求7所述的风电机组的PLC系统，其特征在于，
所述第二仿真单元，用于当第二运行模式为发电模式时，根据风电机组的机组功率系数、机械特性方程、周围的环境信息以及PLC系统给定的扭矩和桨距角，模拟风电机组在发电模式下的转速、响应的扭矩和桨距角。
9.根据权利要求7或8所述的风电机组的PLC系统，其特征在于，
所述第一仿真单元和/或第二仿真单元为在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型。
10.根据权利要求9所述的风电机组的PLC系统，其特征在于，
所述在Simulink环境中构建的风电机组的机械模型的仿真步长与PLC系统的主控PLC同步。
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