CN103760809A - 模拟风电机组运行的仿真方法、装置及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、装置及PLC系统，所述仿真方法包括：模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息；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；获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息。采用本发明所述仿真方法和系统不仅能够在不依靠硬件的情况下模拟实际风电机组的运行，有效降低仿真平台的搭建成本，而且能够根据与所述PLC系统连接的外部模块实现不同的仿真目的，以满足不同的研究分析需要。
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、装置及一种风电机组的PLC系统。
背景技术
随着风力发电风电机组的快速发展，控制系统软件硬件开发、风电机组测试、故障分析诊断、人员培训等各方面都对风力发电风电机组仿真平台提出了更高的要求。但是，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。另外，现有风力发电机仿真测试系统架构较松散、繁杂、不易理解，仿真系统中的部分程序模块分别存放在不同的计算机或PLC（Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器）系统中，需花大量的时间、人力、物力开发各独立程序、配置通信协议，操作人员需经过长时间的培训才能掌握测控系统的操作方法。因此，现有的风电机组仿真系统不够灵活、独立，其可移植性、可扩展性都很差，而且不能根据特定的仿真目的，搭建相应的风电机组模型，这在一定程度上影响了工作人员的对系统的体验，降低了研究效率。
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、装置及一种PLC系统。采用本发明所述仿真方法、装置及PLC系统不仅能够在不依靠硬件的情况下模拟实际风电机组的运行，有效降低仿真平台的搭建成本，而且能够根据与所述PLC系统连接的外部模块实现不同的仿真目的，以满足不同的研究分析需要。
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：模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息；对模拟的状态信息进行逆逻辑数据转换，以便PLC系统根据转换的结果切换至另一运行模式；获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的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步骤包括：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。
优选地，所述模拟风电机组在该运行模式下的状态信息的步骤包括：当获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；当获取的运行模式为启动模式时，模拟风电机组在启动模式下的状态信息；当获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；当获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；当获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
优选地，所述模拟风电机组在发电模式下的状态信息的步骤包括：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。
优选地，所述周围输入的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度。
优选地，所述风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比；或者，
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。
优选地，在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以前，所述仿真方法还包括：模拟风电机组周围的环境信息。
优选地，所述模拟风电机组周围的环境信息的步骤包括：通过读取PLC系统中预置的环境信息数据模拟风电机组周围的环境信息；或者，通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
优选地，所述模拟风电机组发电的转速的步骤包括：通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
优选地，所述仿真方法还包括：模拟风电机组响应的扭矩。
优选地，所述模拟风电机组响应的扭矩的步骤包括：通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
优选地，所述仿真方法还包括：模拟风电机组响应的桨距角。
优选地，所述模拟风电机组响应的桨距角的步骤包括：通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
据本发明的另一方面，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装置，所述仿真装置包括：模拟运行单元，用于模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息；信息转换单元，用于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；模拟控制单元，用于获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息。
优选地，所述信息转换单元通过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，所述模拟运行单元包括：待机模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；启动模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为启动模式时，模拟风电机组在启动模式下的状态信息；加速模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；发电模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；停机模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
优选地，所述发电模拟子单元包括：转速模拟子单元，用于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；扭矩响应模拟子单元，用于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，模拟风电机组响应的扭矩；桨距角响应模拟子单元，用于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，模拟风电机组响应的桨距角。
优选地，所述周围的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度。
优选地，所述风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比；或者，
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。
优选地，所述发电模拟子单元还包括：环境信息模拟子单元：用于模拟风电机组周围的环境信息。
优选地，所述环境信息模拟子单元通过读取PLC系统中预置的环境信息数据模拟风电机组周围的环境信息；或者，通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
优选地，所述发电转速模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
优选地，所述扭矩响应模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
优选地，所述桨距角响应模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
据本发明的另一方面，提供一种风电机组的PLC系统，所述PLC系统包括：如前面所述的任意一种仿真装置。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明不仅能够在不依靠硬件的情况下模拟实际风电机组的运行，有效降低仿真平台的搭建成本，而且能够根据与所述PLC系统连接的外部模块实现不同的仿真目的，以满足不同的研究分析需要，从而提高了系统的可扩展性、可移植性，而且降低了仿真分析的成本，提高了工作人员对仿真系统的体验。
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装置的风电机组的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系统中模拟风电机组运行的仿真装置的结构框图；
图4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；
图5是示出根据本发明的示例性实施例的在风电机组的PLC系统中切换运行模式的流程图；
图6是示出根据本发明的示例性实施例的仿真装置构建闭环发电模型的示意图；
图7是示出根据本发明的示例性实施例的仿真装置根据预设的接口连接不同外部模块的流程图；
图8是示出根据本发明的示例性实施例的仿真装置根据预设的接口连接不同外部模块的结构框图。
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）系统中添加唯一独立的仿真装置（即仿真程序），用以模拟各种风电机组的运行。本发明的仿真装置可作为独立组件程序下载并集成至风电机组的PLC系统中。模拟的风电机组等同于现场真实的风电机组，同时还用于模拟现场风电机组的各种实际功能，比如与HMI、数据采集软件、SCADA的连接，以测试、辅助开发风电机组相关软件，因此无需开发专门的测试、监控软件，直接利用现场风电机组的专用软件进行测试操作与监控，熟悉实际风电机组操作的工作人员无需经过专门的培训即可在实验室操作仿真系统，进行学习、调试、测试工作。
图1是示出了包含本发明仿真装置的风电机组的PLC系统的结构示意图。从图中可以看出，本发明的仿真装置101被集成至图1所示的PLC系统103中，并与图中PLC系统的主控PLC软件（以下简称主控PLC）102进行数据交互，以实现风电机组的模拟运行。
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。图3示出的一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真装置可用于实现图1中所述的仿真方法。
参照图2，在210中，仿真装置模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息。
其中，模拟的状态信息可以是风电机组的各种信息，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。
为实现仿真装置和PLC系统之间的数据交互，在220中，仿真装置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，上述逆逻辑转换的方式仅仅只是示例性的，由于不同的PLC系统的逆逻辑转换过程会有不同（如：调用的接口会有不同），因此本发明并不受限于此，凡是能够实现逆逻辑转换的方式，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4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4，在410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420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℃，即仿真装置在PLC系统中模拟的温度值。
可以看出，仿真装置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获得仿真装置模拟的各种状态信息。
由于在PLC系统中，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，仿真装置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和仿真装置之间预设的全局变量通知仿真装置切换至相应的运行模式。
在230中，仿真装置获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息。
根据本发明的一个示例性实施例，仿真装置根据获取的运行模式模拟风电机组在该运行模式下的运行状态具体步骤为：当仿真装置获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；当仿真装获取的运行模式为启动模式时，置模拟风电机组在启动模式下的状态信息；当仿真装置获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；当仿真装置获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；当仿真装置获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
由于不同型号的风电机组的PLC系统中预置的运行模式会有所不同，除了在上述实施例中提到的运行模式外，还会可能有其他运行模式（如：紧急停机模式等）。因此，上述实施例中切换的运行模式仅仅只是示例性的，事实上本发明并不受限于此，具体实施时，可根据不同型号的风电机组配备的PLC系统中预定运行模式的切换逻辑，确定仿真装置需对相关模拟信息的赋值操作，即模拟风电机组在各个运行模式下的状态信息。
以下结合具体的实施例，对运行模式的切换过程作进一步的说明。
图5示出了本发明在风电机组的PLC系统中切换运行模式的流程图。
参照图5，仿真装置被集成至PLC系统中运行时，主控PLC在初始化操作下直接进入待机模式510，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下进入待机模式。
进入待机模式510后，主控PLC判断启动条件是否满足521，如果主控PLC判断出仿真装置给出模拟的启机指令或者人工给出启机指令使得启动条件得到满足，则主控PLC进入启动模式520，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下进入启动模式。
进入启动模式520后，主控PLC判断加速条件是否满足531，如果主控PLC判断出仿真装置模拟的相关状态变量（如：模拟风电机组提升转速的速率）使得加速条件得到满足，则主控PLC进入加速模式530，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下进入加速模式。
进入加速模式530后，主控PLC判断发电条件是否满足541，如果主控PLC判断出仿真装置模拟的相关状态变量（如：继续模拟风电机组提升转速的速率）使得发电条件得到满足，则主控PLC进入发电模式540，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下进入发电模式。
进入发电模式540后，仿真装置模拟风电机组发电时的相关状态变量（如：模拟风电机组发电时的转速及响应的扭矩和桨距角）。
在前面所述的任何一个运行模式中，主控PLC同时还判断停机条件是否满足551，如果主控PLC判断出仿真装置模拟的故障信号（或者停机信号）使得停机条件得到满足，则主控PLC进入停机模式550，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下进入停机模式。
由于待机模式是风电机组开始运行的必要条件，因此即便进入停机模式550后，主控PLC判断待机条件是否满足511，如果主控PLC判断出仿真装置模拟的相关状态变量（如：设置出桨距角在安全位置、叶轮未被锁定等模拟信息）使得待机条件得到满足，则主控PLC再次进入待机模式510，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下再次进入待机模式510，并再次准备运行。
再次进入待机模式510后，如果仿真装置没有参与模拟活动，则模拟的相关状态变量为低电平，则主控PLC判断出仿真装置模拟的相关状态变量使得停机条件得到满足，则主控PLC进入停机模式550，此时，仿真装置在主控PLC全局变量的指示下又一次进入停机模式。
更为具体地，根据本发明的一个可选实施例，仿真装置模拟风电机组在发电模式下的状态信息的具体步骤为：仿真装置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。也就是说，构建闭环发电模型模拟风电机组发电的转速、响应的扭矩和桨距角。
当风电机组周围的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度时，根据本发明的一个示例性实施例，风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比。
此外，根据本发明的另一示例性实施例，风电机组的机械特性方程还可以包括：
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。具体实施时，仿真装置通过比较气动功率Pa和电磁功率Pe（注：Pe=Tω/9549.3）两种功率计算值，以差值大小作为转速上升或下降的依据，可实现转速的动态调整。
另外，由于发电模式下需要获取风电机组周围的环境信息，根据本发明的一个可选实施例，在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以前，所述仿真方法还包括：仿真装置模拟风电机组周围的环境信息。
根据本发明一个模拟环境信息的示例性实施例，仿真装置模拟风电机组周围的环境信息的具体步骤为：仿真装置通过读取PLC系统中预置的环境信息数据模拟风电机组周围的环境信息。
根据本发明一个模拟转速的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组发电的转速的具体步骤为：仿真装置通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
根据本发明一个模拟响应的扭矩的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的扭矩的具体步骤为：仿真装置通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明一个模拟响应的桨距角的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的桨距角的具体步骤为：仿真装置通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
以下给出一个具体的实施例，构建闭环发电模型的过程作进一步的说明。
图6示出了本发明的仿真装置构建闭环发电模型的示意图。其中，图中所示加粗框610为PLC系统的主控PLC，加粗框以外由仿真装置实现。风速V的向量表、机组功率系数Cp值表预先被拷贝至PLC系统的硬盘中（或其他存储器）。仿真装置在初始化过程中，读入风速V及机组功率系数Cp值表中的数据。机组功率系数Cp值表为叶尖速比λ及桨距角θ的二元函数。在特定的λ与θ下，仿真装置从机组功率系数Cp值表中获得与特定的λ与θ相应的Cp值，进而计算出风电机组的气动扭矩Ta。仿真装置获得主控PLC输出的扭矩给定Tedemand后，模拟风电机组的机械特性，对获得的扭矩给定延迟响应后，获得模拟的电动扭矩Te，仿真装置将气动扭矩和电动扭矩的差除以叶轮转动惯量J可以得到转速微分dω，经过积分环节即可获得风电机组发电时的模拟转速ω。仿真装置获得主控PLC输出的桨距角给定θdemand，模拟风电机组的机械特性，对获得的桨距角给定延迟响应后，获得模拟的桨距角θ。模拟转速ω及桨距角θ参与PLC系统下一个扫描周期的查表操作，并作为主控PLC中控制器的输入来建立风电机组运行参数的闭环发电模拟。
可以看出，本发明的仿真装置在不依靠硬件运行的情况下，通过将风电机组的机械特性方程移植至仿真装置中，不仅实现了在PLC系统内的闭环仿真运行，而且提高了软件的核心控制策略的可靠性，进而有效降低了软件直接上机带来的潜在风险以及仿真平台的搭建成本。
除此之外，仿真装置还可以预设的不同接口，以连接不同的外部模块，从而满足不同的仿真分析需要，这些外部模块可以是在其他平台中构建好的机械模型，也可以是环境变量的输入模块、变桨实验台、变流试验台、电网模块等，对此本发明不作限制，只要有助于仿真装置构建的风电机组模型能够满足不同的仿真分析的需要，则均可应用于本发明。
根据本发明另一模拟获取环境信息的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组周围的环境信息的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
根据本发明另一模拟转速的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组发电的转速的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
根据本发明另一模拟响应的扭矩的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的扭矩的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明又一模拟响应的扭矩的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的扭矩的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明另一模拟响应的桨距角的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的桨距角的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角。
根据本发明又一模拟响应的桨距角的示例性实施例，所述仿真装置模拟风电机组响应的桨距角的具体步骤为：仿真装置通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
具体实施时，仿真装置可在PLC系统中设置若干个布尔量开关，工作人员可根据仿真设计目的及已有的仿真条件人为设置布尔量开关，以开发出对外部模块的接口，不同的外部模块对应仿真装置中不同的布尔量开关，这样工作人员可根据仿真设计的目的构建满足特定仿真设计目的的硬件在环仿真平台。
以下给出一个具体的实施例，对本发明外部模块的接口作进一步的说明。
图7示出了本发明的仿真装置根据预设的接口连接不同外部模块的流程图。从图中可以看出，仿真装置可通过预设的布尔量init_sim_envir_para 710确定是否通过连接到PLC系统的环境信息传感器711模拟风电机组周围的环境信息，该传感器可以是温度传感器，也可以是风速传感器，还可以是其他环境信息传感器，如果布尔量init_sim_envir_para 710被设置为FALSE，则仿真装置通过连接到PLC系统的环境信息传感器711获得风电机组周围的环境信息；否则，仿真装置通过读取PLC系统中预置的环境信息文件模拟风电机组周围的环境信息。
仿真装置可通过预设的布尔量init_sim_mech_model 720确定是否通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型721模拟风电机组发电的转速，如果布尔量init_sim_mech_model720被设置为FALSE，则该仿真装置通过连接到PLC系统的PC中闭环发电模型721模拟风电机组发电的转速；否则，仿真装置在PLC系统中构建闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。具体实施时，仿真装置可将在PC机中运行的闭环发电模型通过接口插件连接至PLC系统，以实现和主控PLC之间的数据交互；在一个具体的实施例中，运行有Bladed风电机组模型的计算机与PLC系统通过以太网协议连接，二者通过开放的Bladed hardware test插件连接，实现了Bladed风电机组模型与该仿真装置的数据实时共享，该Bladed hardware test插件与Bladed风电机组模型位于同一台计算机，可以看出，本发明不仅去除了Bladed风电机组模型与PLC该仿真系统之间的“下位机”或“通讯模块”，而且降低了硬件的复杂程度，降低了成本。
仿真装置可通过预设的布尔量init_sim_pitch_sys 730确定是否通过变桨加载试验台731实现变桨响应，如果布尔量init_sim_pitch_sys 730被设置为FALSE，则仿真装置通过连接到PLC系统的变桨加载试验台731模拟响应的桨距角；否则，仿真装置通过在PLC系统中构建的闭环发电模型或者外接的闭环发电模型（如：PC中运行的风机机组模型）模拟响应的桨距角。具体实施时，变桨加载试验台731的加载扭矩可来自机械模型的叶根扭矩的输出，同时根据PLC系统实时发送的给定桨距角执行变桨动作，并将桨距角反馈值反馈至PLC系统。
仿真装置可通过预设的布尔量init_sim_converter_sys 740确定是否通过变流器试验台741实现扭矩响应，如果布尔量init_sim_converter_sys 740被设置为FALSE，则该仿真装置通过连接到PLC系统的变流器试验台741模拟响应的扭矩；否则，仿真装置通过在PLC系统中构建的闭环发电模型或者外接的闭环发电模型（如：PC中运行的风机机组模型）模拟响应的扭矩。具体实施时，变流器试验台741可连接实际的发电机，其扭矩给定来自外接机械模型，其扭矩反馈被传递回该仿真装置。
图8是示出了本发明的仿真装置根据预设的接口连接不同外部模块的结构框图。从图中可以看出，当图7中的布尔量init_sim_envir_para 710被设置为FALSE，则仿真装置810通过连接到PLC系统的环境信息传感器820获得风电机组周围的环境参数，该传感器可以是温度传感器，也可以是风速传感器，还可以是其他环境参数的传感器。
当图7中的布尔量init_sim_mech_model 720被设置为FALSE，则仿真装置810通过连接到PLC系统的PC的闭环发电模型830，并实现该机械模型和PLC系统之间的数据交互。
当图7中的布尔量init_sim_pitch_sys 730被设置为FALSE，则仿真装置810通过连接到PLC系统的变桨加载试验台840实现变桨响应。
当图7中的布尔量init_sim_converter_sys 740被设置为FALSE，则仿真装置810通过连接到PLC系统的变流器试验台850实现扭矩响应。
从图7和图8的实施过程可以看出，本发明在有效降低仿真平台的搭建成本的同时，还能够根据与PLC系统连接的外部模块实现不同的仿真目的，以满足不同的研究分析需要。
应该理解的是，上述发电模式下的实施过程同样适用于仿真装置在其他运行模式（如：启动模式、加速模式等）下的实施过程，对此本发明不再赘述。
图3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装置的结构框图。
参照图3，仿真装置至少包括：模拟运行单元301、信息转换单元302以及模拟控制单元303。
其中，模拟运行单元301，用于模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息。
信息转换单元302，用于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。
模拟控制单元303，用于获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息。
其中，模拟的状态信息可以是风电机组的各种信息，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。
为实现仿真装置和PLC系统之间的数据交互，仿真装置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，信息转换单元302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，上述逆逻辑转换的方式仅仅只是示例性的，由于不同的PLC系统的逆逻辑转换过程会有不同（如：调用的接口会有不同），因此本发明并不受限于此，凡是能够实现逆逻辑转换的方式，则均可应用于本发明。
由于在PLC系统中，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，仿真装置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和仿真装置之间预设的全局变量通知仿真装置切换至相应的运行模式。
根据本发明的一个示例性实施例，模拟运行单元301包括：待机模拟子单元（图中未示出），用于当模拟控制单元303获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；启动模拟子单元（图中未示出），用于当模拟控制单元303获取的运行模式为启动模式时，模拟风电机组在启动模式下的状态信息；加速模拟子单元（图中未示出），用于当模拟控制单元303获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；发电模拟子单元（图中未示出），用于当模拟控制单元303获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；停机模拟子单元（图中未示出），用于当模拟控制单元303获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
由于不同型号的风电机组的PLC系统中预置的运行模式会有所不同，除了在上述实施例中提到的运行模式外，还会可能有其他运行模式（如：紧急停机模式等）。因此，上述实施例中切换的运行模式仅仅只是示例性的，事实上本发明并不受限于此，具体实施时，可根据不同型号的风电机组配备的PLC系统中预定运行模式的切换逻辑，确定仿真装置需对相关模拟信息的赋值操作，即模拟风电机组在各个运行模式下的状态信息。
根据本发明的一个可选实施例，发电模拟子单元包括：转速模拟子单元（图中未示出），用于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；扭矩响应模拟子单元（图中未示出），用于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，模拟风电机组响应的扭矩；桨距角响应模拟子单元（图中未示出），用于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，模拟风电机组响应的桨距角。
当周围的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度的示例性时，根据本发明的一个示例性实施例，风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比。
根据本发明的另一个示例性实施例，风电机组的机械特性方程包括：
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。
另外，由于发电模式下需要获取风电机组周围的环境信息，根据本发明的一个示例性实施例，发电模拟子单元还包括：环境信息模拟子单元（图中未示出）：用于模拟风电机组周围的环境信息。
根据本发明一个模拟转速的示例性实施例，环境信息模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
根据本发明一个模拟响应的扭矩的示例性实施例，扭矩响应模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明一个模拟响应的桨距角的示例性实施例，桨距角模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
除此之外，仿真装置还可以预设的不同接口，以连接不同的外部模块，从而满足不同的仿真分析需要，这些外部模块可以是在其他平台中构建好的机械模型，也可以是环境变量的输入模块、变桨实验台、变流试验台、电网模块等，对此本发明不作限制，只要有助于仿真装置构建的风电机组模型能够满足不同的仿真分析的需要，则均可应用于本发明。
根据本发明另一模拟获取环境信息的示例性实施例，环境信息模拟子单元通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
根据本发明另一模拟转速的示例性实施例，转速模拟子单元通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
根据本发明另一模拟响应的扭矩的示例性实施例，扭矩响应模拟子单元通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明又一模拟响应的扭矩的示例性实施例，扭矩响应模拟子单元通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
根据本发明另一模拟响应的桨距角的示例性实施例，桨距角模拟子单元通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角。
根据本发明又一模拟响应的桨距角的示例性实施例，桨距角模拟子单元通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
此外，还需要说明的是，本发明该仿真方法和系统既可以通过软件实现，也可以通过硬件（如：可编程的控制器）实现，对此本发明不作限制，凡在本发明该方法和系统的基础上做的实施例变形，都应在本发明保护范围内。
由此可见，本发明不仅能够在不依靠硬件的情况下模拟实际风电机组的运行，有效降低仿真平台的搭建成本，而且能够根据与该PLC系统连接的外部模块实现不同的仿真目的，以满足不同的研究分析需要，从而提高了系统的可扩展性、可移植性，而且降低了仿真分析的成本，提高了工作人员对仿真系统的体验。进一步地，还通过在PLC内进行闭环仿真测试，提高软件，尤其是核心控制策略的可靠性，降低软件直接上机带来的潜在风险以及人员维护成本。此外，本发明还通过预留接口的方式，对传动系统、变桨系统、变流系统以及并网系统的物理子系统进行充分验证，保证其上机前的可靠性，同时硬件系统的接入，可以有效提高仿真测试置信精度。这些使得本发明相对现有技术更加灵活、易懂、成本低、可移植性高、可扩展性高、实时性高等特点。
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 (23)
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：
模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息；
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；
获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的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，所述根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息，包括：
当获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；
当获取的运行模式为启动模式时，模拟风电机组在启动模式下的状态信息；
当获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；
当获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；
当获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
4.如权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟风电机组在发电模式下的状态信息，包括：
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。
5.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述周围的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度。
6.如权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比；或者，
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。
7.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，在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以前，还包括：
模拟风电机组周围的环境信息。
8.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟风电机组周围的环境信息，包括：
通过读取PLC系统中预置的环境信息数据模拟风电机组周围的环境信息；或者，
通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
9.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟风电机组发电的转速，包括：
通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速；或者，
通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
10.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟风电机组响应的扭矩，包括：
通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩；或者，
通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩；或者，
通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
11.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟风电机组响应的桨距角，包括：
通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角；或者，
通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角；或者，
通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
12.一种在风电机组的PLC系统中模拟风电机组运行的仿真装置，其特征在于，包括：
模拟运行单元，用于模拟风电机组在任一运行模式下的状态信息；
信息转换单元，用于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；
模拟控制单元，用于获取PLC系统切换的另一运行模式，并根据获取的运行模式模拟风电机组在获取的运行模式下的状态信息。
13.如权利要求12所述的仿真装置，其特征在于，所述信息转换单元通过PLC系统的LREAL_TO_INT接口对模拟的状态信息进行逆逻辑转换。
14.如权利要求12所述的仿真装置，其特征在于，所述模拟运行单元包括：
待机模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为待机模式时，模拟风电机组在待机模式下的状态信息；
启动模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为启动模式时，模拟风电机组在启动模式下的状态信息；
加速模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为加速模式时，模拟风电机组在加速模式下的状态信息；
发电模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为发电模式时，模拟风电机组在发电模式下的状态信息；
停机模拟子单元，用于当模拟控制单元获取的运行模式为停机模式时，模拟风电机组在停机模式下的状态信息。
15.如权利要求14所述的仿真装置，其特征在于，所述发电模拟子单元包括：
转速模拟子单元，用于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；
扭矩响应模拟子单元，用于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，模拟风电机组响应的扭矩；
桨距角响应模拟子单元，用于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，模拟风电机组响应的桨距角。
16.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述周围的环境信息为周围的风信号和周围的空气密度。
17.如权利要求16所述的仿真装置，其特征在于，所述风电机组的机械特性方程包括：
Ta=0.5ρCpπR3V2/λ
其中，Ta为风电机组的气动扭矩，ρ为周围的空气密度，R为风电机组的叶轮半径，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速，λ为风电机组的叶尖速比；或者，
Pa=0.5ρSCpV3
其中，Pa为风电机组的气动功率，ρ为周围的空气密度，S为风电机组的叶片扫风面积，Cp为风电机组的功率系数，V为周围的风信号的风速。
18.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述发电模拟子单元还包括：
环境信息模拟子单元：用于模拟风电机组周围的环境信息。
19.如权利要求18所述的仿真装置，其特征在于，所述环境信息模拟子单元通过读取PLC系统中预置的环境信息数据模拟风电机组周围的环境信息；或者，通过连接到PLC系统的环境信息传感器模拟风电机组周围的环境信息。
20.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述发电转速模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组发电的转速。
21.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述扭矩响应模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的变流器试验台模拟风电机组响应的扭矩；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的扭矩。
22.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述桨距角响应模拟子单元通过在PLC系统中构建的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的变桨加载试验台模拟风电机组响应的桨距角；或者，通过连接到PLC系统的PC中的闭环发电模型模拟风电机组响应的桨距角。
23.一种风电机组的PLC系统，其特征在于，包括：
如权利要求12～22所述的仿真装置。
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