CN106980272B - 一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台 - Google Patents

一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,包括安装有GH Bladed软件的计算机、RTDS、通信PLC、风力发电机组的控制系统;其中:GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型;RTDS中建立有风电机组的电气部分模型,采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真;GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC实现双向实时通信;风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构,并采用物理控制器实现,包括主控PLC和变流器控制器,主控PLC运行风电机组的主控算法,发挥与实际机组主控制器相同的功能;所述变流器控制器运行变流器控制算法,并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲。所述平台可用于商用主控制器和变流器控制器的测试。

Description

一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域,具体地,涉及一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,尤其是一种基于RTDS与Bladed的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台。
背景技术
目前风电机组的仿真技术中,尚缺乏一种采用主控制器和变流器控制器硬件在环测试的详细风电机组模型。
已有中国专利CN102749853A,公开了一种基于dSPACE构建了风电机组整机控制半实物仿真平台,该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统,所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。该实验平台能够模拟环境、电网的变化、风轮机输出特性、变流和控制系统及偏航、变桨等其它关键零部件模型,可以模拟风力发电机组在不同环境和条件下的运行情况。
中国发明专利申请CN104865845A,公开了一种大型风电机组实时运行控制联合仿真平台及其构建方法,该专利中采用Bladed和RTDS构建了实时的联合仿真平台,该平台充分发挥了软件优势互补。但该发明中的控制系统作为仿真模型的一部分集成在RTDS中,该控制系统并未采用与实际机组类似的分层、分布式控制系统架构,也未对物理控制器的硬件测试进行接口设计,由于控制器采用仿真模型搭建,一些采集、控制延时被忽略。
上述CN102749853A中,实质是实现了小功率样机的实物对拖平台,无法作为大型风电机组的镜像模型。风电机组气动模型与大部分其他模型直接关联,该发明中气动模型通过dSPACE实现,精确程度不如专业软件Bladed,且没有柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,在现有发明的基础上设计物理控制器硬件测试接口,构建了一套可完整模拟风电机组整机动态的、现有最大程度接近实际风电机组的半实物实时模拟平台,该平台采用物理控制器进行硬件在环仿真,并可用于商用主控制器、变流器控制器的验证和测试。
本发明提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,所述平台包括安装有GH Bladed软件的计算机、实时数字仿真仪(Real Time Digtal Simulator,RTDS)、用于通信的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、风力发电机组的控制系统;其中:
GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型;
RTDS中建立有风电机组的电气部分模型,其采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真;
GH Bladed软件与RTDS之间通过用于通信的PLC(以下简称通信PLC)进行实时的变量交互和通信,实现完整的实时闭环仿真;
风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构,并采用物理控制器实现,所述风力发电机组的控制系统包括用于实现主控算法的PLC(以下简称主控PLC)和变流器控制器,所述主控PLC运行风电机组的主控算法,发挥与实际机组主控制器相同的功能;所述变流器控制器运行变流器控制算法,并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲。所述主控PLC为变流器控制器提供功率指令,同时为Bladed提供控制指令(包括变桨指令和偏航指令);变流器控制器根据从主控PLC接收到的功率指令和从RTDS检测得到的电信号控制RTDS中的变流器。
进一步的,所述RTDS中构建的电气部分模型包括发电机、变流器及其保护电路、网侧滤波器、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网;RTDS采用用户友好的编程方式,电气部分模型进行灵活编程,包括对电网环境、变流器新型拓扑、不同机组类型、不同滤波器、不同电网故障模拟位置的灵活编程;变流器主电路采用电力电子开关模型以支持物理变流器控制器的硬件在环测试,变流器保护电路采用主动式转子Crowbar保护电路配合直流母线Chopper保护电路;电气部分模型包含以下特征:1.发电机和变流器拓扑根据机组类型选取;2.故障模拟电路位于风场升压变压器低压母线上,用于模拟故障发生进行低电压穿越测试。3.发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变压器建立在小步长模型中,线路、风场升压变压器、电网建立在大步长模型中。
进一步的,所述Bladed软件中包含硬件测试模块(GH Hardware Test模块)、Bladed计算主模块,硬件测试模块能够调用计算机的以太网网口,实现Bladed计算主模块与通信PLC进行通信。
进一步的,所述RTD配备至少一个RTDS工作站接口卡(GTWIF)、若干块RTDS计算板卡(GPC卡)、一块RTDS专用模拟信号输入板卡(GTAI)、一块RTDS专用模拟信号输出板卡(GTAO)、一块RTDS专用数字信号输入板卡(GTDI)。
进一步的,所述通信PLC配备有以太网组件、数字输入接口(DI)、模拟输入接口(AI)和模拟输出接口(AO)。通信PLC运行通信程序,实现计算机数据变量与电信号之间的转换,充当Windows计算机与RTDS、主控PLC之间的通信接口。
进一步的,所述主控PLC配备数字输出接口(DO)、模拟输入接口和模拟输出接口。
进一步的,所述变流器控制器是以DSP为核心处理单元的物理控制器,由模拟信号调理电路及A/D转换、DSP构成,其中模拟信号调理电路及A/D转换充当整个变流器控制器模块的模拟输入接口,DSP运行变流器控制算法并作为变流器控制器模块的数字输出接口,其输出变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制(PWM)脉冲。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明更接近实际风电机组的架构,尤其是具有了主控PLC和变流器控制器的外部接口,可以对二者同时进行硬件在环仿真,且采样延时、控制延时的影响均可以计及。
当Bladed中的风机模型采用商用风机的镜像模型,且RTDS中的电气部分模型采用实际发电机、变流器及电网的镜像模型时,在所开发的半实物硬件在环实时模拟平台上,可对商用机组的主控制器、变流器控制器进行硬件在环验证和测试。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明平台的总体构成框图;
图2为本发明平台RTDS中的模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明一实施例中风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台的结构框图,包括一台安装有GH Bladed软件的Windows操作系统计算机、一台RTDS、一台通信PLC、一台主控可编程逻辑控制器、一套变流器控制器。
在一优选实施例中,Windows操作系统计算机要求双核3.0GHz以上主频CPU配置,并带有正确安装驱动的以太网网口。该计算机中安装的Bladed软件包括两部分:Bladed计算主程序和Bladed自带的与之配套的硬件测试模块,二者之间的通信接口由Bladed开发提供,实现方式是计算机内部软件之间的数据交换,具体参考Bladed软件使用手册。GHHardware Test模块能够调用计算机的以太网网口,以基于TCP/IP的协议实现Bladed计算主程序与通信PLC进行通信。如采用倍福PLC作为通信PLC时可以采用基于TCP/IP的TwincatADS协议。需要说明的是计算机以太网网口与PLC的以太网网口之间通过网线和交换机连接。硬件在环模拟及测试平台中为了兼顾Bladed的实时运行和运算精度,建议安装Bladed软件的计算机采用多核CPU,且主频大于3.0GHz,仿真步长建议选取为0.005~0.01s,通信时间间隔建议取为0.005~0.01s。
RTDS需要配备至少一个RTDS工作站接口卡(GTWIF)、若干块RTDS计算板卡(GPC卡)、一块RTDS专用模拟信号输入板卡(GTAI)、一块RTDS专用模拟信号输出板卡(GTAO)、一块RTDS专用数字信号输入板卡(GTDI)。
通信PLC需要配备有以太网组件、数字输入接口(DI)、模拟输入接口(AI)和模拟输出接口(AO)。通信PLC运行通信程序,实现Windows计算机数据变量与电信号之间的转换,充当Windows计算机与RTDS、主控PLC之间的通信接口。
主控PLC需要配备数字输出接口(DO)、模拟输入接口和模拟输出接口,其运行风电机组的主控算法,发挥与实际机组主控制器相同的功能。
变流器控制器是以DSP为核心处理单元的物理控制器,由模拟信号调理电路及A/D转换、DSP构成,其中模拟信号调理电路及A/D转换充当整个变流器控制器模块的模拟输入接口,DSP运行变流器控制算法并作为变流器控制器模块的数字输出接口,其输出变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制(PWM)脉冲。
本发明所述平台的总体构建思想是:在安装有Bladed软件的Windows计算机中建立风电机组风速模型、机械部分和气动模型;在RTDS中建立风电机组电气部分的模型;各控制器采用实际风电机组的控制系统架构,包括用于实现主控算法的PLC(以下简称主控PLC)、以DSP为核心的变流器控制器;Windows计算机与RTDS、主控PLC之间通过一个专门用于通信的PLC进行通信(以下简称通信PLC),该通信PLC实现了Bladed软件与RTDS、及Bladed软件与主控PLC之间的变量实时交换。
图1中箭头表示通信数据流,各物理部分内部的通信可查阅各个部分的使用手册或使用说明。下面将按照编号分开叙述各物理部分之间的通信数据流。
D1是硬件测试模块和通信PLC之间的通信,为双向数据通信,实现方式为Bladed通过其计算机载体的以太网网口与PLC的以太网组件以TCP/IP协议进行通信,二者之间通过网线连接。由硬件测试模块流向通信PLC的通信的信号主要包括:1.风速信号;2.发电机转速信号;3.发电机功率信号;由通信PLC流向硬件测试模块的通信的信号主要包括:1.桨叶1的桨距角;2.桨叶2的桨距角;3.桨叶3的桨距角;4.发电机的电磁转矩。
D2是通信PLC与RTDS之间的通信:为单向通信,方向从通信PLC流向RTDS。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的信号为发电机转速。
D3是通信PLC与主控PLC之间的通信:为单向通信,方向从通信PLC流向主控PLC。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.风速信号;2.发电机转速信号;3.发电机功率信号。
D4是主控PLC与变流器控制器之间的通信:为单向通信,方向从主控PLC流向变流器控制器。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.定子有功功率;2.定子无功功率。
D5是主控PLC与通信PLC之间的通信:为单向通信,方向从主控PLC流向通信PLC。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.桨叶1的桨距角指令;2.桨叶2的桨距角指令;3.桨叶3的桨距角指令。
D6是主控PLC与通信PLC之间的通信:为单向通信,方向从主控PLC流向RTDS。通信方式为数字通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号为主轴制动状态。
D7是主控PLC与RTDS之间的通信:为单向通信,方向从主控PLC流向RTDS。通信方式为数字通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.主断路器状态;2.定子断路器状态。
D8是RTDS与变流器控制器之间的通信:为单向通信,方向从RTDS流向变流器控制器。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.发电机a相端电压;2.发电机b相端电压;3.发电机c相端电压;4.定子a相电流;5.定子b相电流;6.定子c相电流;7.直流母线电压;8.网侧变换器a相电流;9.网侧变换器b相电流;10.网侧变换器c相电流;应当理解的是,对于双馈机组的实施例,还包括发电机转子三相电流。
D9是变流器控制器与RTDS之间的通信:为单向通信,方向从变流器控制器流向RTDS。通信方式为数字通信,二者之间通过导线连接。通信的主要信号包括:1.机侧变换器a相上桥臂PWM脉冲;2.机侧变换器a相下桥臂PWM脉冲;3.机侧变换器b相上桥臂PWM脉冲;4.机侧变换器b相下桥臂PWM脉冲;5.机侧变换器c相上桥臂PWM脉冲;6.机侧变换器c相下桥臂PWM脉冲;7.网侧变换器a相上桥臂PWM脉冲;8.网侧变换器a相下桥臂PWM脉冲;9.网侧变换器b相上桥臂PWM脉冲;10.网侧变换器b相下桥臂PWM脉冲;11.网侧变换器c相上桥臂PWM脉冲;12.网侧变换器c相下桥臂PWM脉冲;13.Crowbar控制脉冲;14.直流母线Chopper控制脉冲。注:上述通信变量以背靠背两电平电压源型变流器为例,其中Crowbar采用不控整流配合IGBT阀控制电阻支路投切的主动式Crowbar技术。实际通信变量可根据RTDS中采用的变流器及其保护电路的拓扑允许变更。
D10是RTDS与通信PLC之间的通信:为单向通信,方向从RTDS流向通信PLC。通信方式为模拟通信,二者之间通过导线连接。通信的信号为发电机的电磁转矩。
需要说明的是,以上变量是实现设计功能所需的基本变量,在其他实施例中,必要时可以扩展增加其他的通信变量。另外,主控PLC与各个桨叶变桨控制器PLC及偏航控制器PLC之间的通信可以采用现场总线,或Modbus协议等,具体通信方式不影响本发明的实质内容。
作为一个实施方式,RTDS中构建的电气部分模型包括发电机(以转速作为外输入)、变流器(含crowbar和chopper保护电路)、网侧滤波器、机组升压变、线路、风场升压变、故障模拟电路、电网。RTDS采用用户友好的编程方式,电气部分模型可灵活编程,包括对电网环境、变流器新型拓扑、不同机组类型(对于不同种类的发电机)、不同滤波器、不同电网故障模拟位置的灵活编程。变流器主电路采用电力电子开关模型以支持物理变流器控制器的硬件在环测试,变流器保护电路建议采用主动式转子Crowbar保护电路配合直流母线Chopper保护电路。
电气部分模型包含以下特征:
1.发电机和变流器拓扑根据机组类型选取,如双馈机组可选取绕线式异步电机和背靠背式电压源型双PWM变流器;永磁直驱机组发电机可选取永磁同步电机,变流器既可采用背靠背式电压源型双PWM变流器,也可以采用不控整流+Boost+PWM变流器。
2.故障模拟电路位于升压变低压母线上,用于模拟故障发生进行低电压穿越测试。
3.发电机、变流器、网侧滤波器及箱式变压器建立在小步长(步长2微秒)模型中,线路、升压变、理想电网建立在大步长(步长50微秒)模型中。
主控PLC运行风电机组的主控算法,实现机组变速变桨运行,其主要输出包括各个桨叶桨距角指令信号、Bladed传动系统主轴刹车状态、RTDS中的主断路器与定子断路器状态,并为变流器控制器提供功率指令。
变流器控制器是以DSP为核心处理单元的物理控制器,由模拟信号调理电路及A/D转换、DSP构成,其中模拟信号调理电路及A/D转换充当整个变流器控制器模块的模拟输入接口,DSP运行变流器控制算法并作为变流器控制器模块的数字输出接口,其输出变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制(PWM)脉冲。
本发明核心部分经过模拟证明是可行的。模拟过程中通信PLC和主控PLC均采用Beckhoff CX1010型号的PLC,Bladed仿真步长选取为0.01s,变流器控制器采用C6000系列DSP作为核心单元。
本发明提供了一套最大程度逼真模拟实际风电机组的,尤其是能对包括主控控制器(主控PLC)、变流器控制器进行硬件在环测试的风电机组实时模拟平台,所建立的风电机组半实物实时模拟平台可以模拟3D湍流风、具有详细的气动模型(由专业软件Bladed保证)、机械部分模型(包括传动系统和柔性塔架、柔性桨叶)、精细化的电气部分模型(考虑电磁暂态并采用变流器开关模型,采用完整的控制环路),模型的详细程度保证了该平台可最大程度的展现机组动态。
本发明平台架构可用于电网发生故障时的机组高/低电压穿越试验、可用于不同机组类型、不同电路拓扑结构及不同控制策略的测试。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,其特征在于,所述平台包括安装有GH Bladed软件的计算机、实时数字仿真仪RTDS、通信PLC、风力发电机组的控制系统;其中:
GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型;
RTDS中建立有风电机组的电气部分模型,其采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真;
GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信,实现完整的实时闭环仿真;
风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构,并采用物理控制器实现;所述风力发电机组的控制系统包括主控PLC和变流器控制器,所述主控PLC运行风电机组的主控算法,发挥与实际机组主控制器相同的功能;所述变流器控制器运行变流器控制算法,并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲;所述主控PLC为变流器控制器提供功率指令,同时为Bladed提供控制指令;所述变流器控制器根据从主控PLC接收到的功率指令和从RTDS检测得到的电信号控制RTDS中的变流器;
所述通信PLC配备有以太网组件、数字输入接口(DI)、模拟输入接口(AI)和模拟输出接口(AO),通信PLC运行通信程序,实现计算机数据变量与电信号之间的转换,充当Windows计算机与RTDS、主控PLC之间的通信接口;
所述变流器控制器是以DSP为核心处理单元的物理控制器,由模拟信号调理电路及A/D转换、DSP构成,其中模拟信号调理电路及A/D转换充当整个变流器控制器模块的模拟输入接口,DSP运行变流器控制算法并作为变流器控制器模块的数字输出接口,其输出变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制脉冲。
2.根据权利要求1所述的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,其特征在于,所述RTDS中构建的电气部分模型包括发电机、变流器及其保护电路、网侧滤波器、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网;电气部分模型进行灵活编程,包括对电网环境、变流器新型拓扑、不同机组类型、不同滤波器、不同电网故障模拟位置;变流器主电路采用电力电子开关模型以支持物理变流器控制器的硬件在环测试,变流器保护电路采用主动式转子Crowbar保护电路配合直流母线Chopper保护电路;电气部分模型包含以下特征:发电机和变流器拓扑根据机组类型选取;故障模拟电路位于风场升压变压器低压母线上,用于模拟故障发生进行低电压穿越测试;发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变压器建立在小步长模型中,线路、风场升压变压器、电网建立在大步长模型中。
3.根据权利要求1所述的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,其特征在于,所述Bladed软件中包含硬件测试模块、Bladed计算主模块,硬件测试模块能够调用计算机的以太网网口,实现Bladed计算主模块与通信PLC进行通信。
4.根据权利要求1所述的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,其特征在于,所述RTD配备至少一个RTDS工作站接口卡(GTWIF)、若干块RTDS计算板卡(GPC卡)、一块RTDS专用模拟信号输入板卡(GTAI)、一块RTDS专用模拟信号输出板卡(GTAO)、一块RTDS专用数字信号输入板卡(GTDI)。
5.根据权利要求1所述的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,其特征在于,所述主控PLC配备数字输出接口(DO)、模拟输入接口和模拟输出接口。
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