CN107219776A - 一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统 - Google Patents

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杨阳
王俊
卜京
郑文哲
李�荣
周前
汪成根
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Abstract

本发明提供了一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，包括风机仿真和监控系统、PLC控制器、风机动态模拟系统；所述风机仿真和监控系统包括风机三维仿真系统、数据库、上位机，以及连接它们的以太网总线；所述风机动态模拟系统包括变频器、电动机、机械飞轮、连接轴、发电机、整流器、逆变器以及电网；所述PLC控制器通过以太网总线分别与数据库、上位机、变频器、整流器和逆变器连接。

Description

一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统
技术领域
本发明涉及一种基于硬件在环的实时仿真平台技术，特别是一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统。
背景技术
风能发电场是自然场景的一道靓丽风景线，是以辽阔的风能发电机为主体，对于风能发电机这种大型复杂产品，不可能通过预先生产一台风力机来实际测试其各方面性能。而且，风能发电场地域辽阔，由于受时间、空间、人力、经济、地域等因素的制约，很难将实地风电场实际状况如风机布局、风场运动状况、风能发电机各关键部件的运动以及其应力应变等情况真实的的表现出来。因此，研究一种风力发电虚拟现实实时仿真系统，对科研和培训具有重要的意义。
实际风力发电系统结构图如图1所示，包括风轮、齿轮箱、发电机、变频器以及风机控制器。目前，对于风电虚拟仿真系统的研究，多集中在风轮建模、机组建模等，这种全数字仿真系统重点在体现风轮动态特性，无法对变频器施加控制策略，对于风机发电并网策略研究较少。由于是全数字仿真，没有真实的发电设备，不能达到培训维护和检修技能的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，该系统将风机三维仿真系统与真实的风机动态模拟系统置于同一个仿真系统中，各设备之间通过数据库和PLC有机连接、灵活配置、营造了逼真的运行环境，适用于风力发电动态特性的研究，能够为维护检修人员进行全范围、全过程、全场景的仿真培训。
一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，包括风机仿真和监控系统、PLC控制器、风机动态模拟系统；所述风机仿真和监控系统包括风机三维仿真系统、数据库、上位机，以及连接它们的以太网总线；所述风机动态模拟系统包括变频器、电动机、机械飞轮、连接轴、发电机、整流器、逆变器以及电网；所述PLC控制器通过以太网总线分别与数据库、上位机、变频器、整流器和逆变器连接。
采用上述系统，所述风机动态模拟系统通过电动机拖动发电机发电来模拟实际风机发电情况。
采用上述系统，所述风机三维仿真系统通过以太网总线获取发电机参数。
采用上述系统，所述PLC控制器接收上位机的控制命令，并通过以太网总线传送给变频器，通过变频器进行电动机转速控制；所述PLC控制器通过以太网总线实时获取变频器、整流器和逆变器的数据。
采用上述系统，所述变频器通过电缆与电动机连接；所述电动机、机械飞轮和发电机依次同轴相连；所述发电机通过电缆与整流器连接；所述整流器和逆变器之间通过直流母线连接；所述逆变器与电网连接。
采用上述系统，所述上位机通过以太网总线监控风机三维仿真系统以及下达控制命令给PLC控制器，所述上位机读取PLC控制器的数据。
采用上述系统，所述数据库通过以太网总线实时接收PLC控制系统获得的数据，并通过以太网总线实时传送给风机三维仿真系统。
本发明所述的一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，风机侧采用数字化仿真，利用3D虚拟技术实现风力发电机风轮、机舱等设备结构的三维重现，并且能够逼真地模拟各天气和风速状况，形象地反映风机的正常、异常、事故状态及其动作过程，可以实现在场景中任意漫游，实现机舱内设备各种操作，方便机组检修维护人员进行相关培训。仿真系统实时接收实际风电动态模拟系统的参数，如风速、转速、电压等，通过PLC控制器可以对风机动态模拟系统下达不同的控制策略，模拟不同情况下风机运行状况，同时得到各种参数曲线，便于进行风电方向的科学研究。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是实际风力发电系统结构图。
图2是风电虚拟现实仿真系统结构图。
图3是基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统设备接线图。
具体实施方式
由图2所示可知，一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，包括：风机仿真和监控系统、PLC控制器以及风机动态模拟系统。
所述风机仿真和监控系统包括风机三维仿真系统、数据库、上位机以及连接它们的以太网总线；所述风机动态模拟系统包括变频器、电动机、机械飞轮、连接轴、发电机、整流器、逆变器以及电网。
所述风机三维仿真系统、上位机和数据库之间通过以太网总线连接；所述数据库和上位机与PLC控制器通过以太网总线连接；所述PLC控制器通过以太网总线分别与变频器、整流器和逆变器连接。
所述变频器通过电缆与电动机连接，并且控制电动机转速；所述电动机、机械飞轮和发电机依次同轴相连；所述发电机与整流器连接；所述整流器和逆变器之间通过直流母线连接；所述逆变器与电网连接；所述风机动态模拟系统通过电动机拖动发电机发电来模拟实际风机发电情况；所述发电机机发出的三相电经过整流器整流再经过逆变器逆变后并上电网。
所述上位机通过以太网总线监控风机三维仿真系统以及下达控制命令给PLC控制器，同时能够读取PLC控制器的数据。
所述PLC控制器接收上位机的控制命令，并通过以太网总线传送给变频器，通过变频器进行电动机转速控制；所述PLC控制器通过以太网总线实时获取变频器、整流器和逆变器的数据，包括发电机转速、电压等参数。
所述数据库通过以太网总线实时接收PLC控制系统获得的转速、电压等参数，并通过以太网总线实时传送给风机三维仿真系统。
本发明的具体工作过程为：先在风机三维仿真系统中进行相关配置，包括场景设置、风机参数选择、风况设置、通讯参数设置等；上位机读取风机三维仿真系统的配置信息，选择电机启动参数，并将启动命令下达给PLC控制器；PLC控制器通过控制变频器启动电动机，为保证安全，电机均为低速启动；通过电动机拖动发电机发电来模拟实际风机发电，同时PLC控制器通过变流器、整流器和逆变器获取电机转速、电压等数据，并实时上传给上位机和数据库；上位机根据上述参数，可以通过改变风况或者下达不同的风机控制策略给PLC控制器，让风机运行在不同的工作曲线上；数据库根据需求，将相关数据传送给风机三维仿真系统，在风机三维仿真系统中可以观察风轮及机舱内各个部件工作状况和工作曲线，通过设置故障场景，可以进行检修培训；风机动态模拟系统运行的数据存储在数据库中，研究人员随时可以通过上位机将数据调出来进行风电方面的科学研究。
图3是本发明的软硬件设备接线图，本发明所述的风机三维仿真系统的三维建模工具是UG和3ds Max，视景主要开发平台为Cyber Maker和VR-Platform。使用UG完成风能发电机组各零部件的建模，3ds Max完成虚拟场景的创建工作，Cyber Maker中完成虚拟场景的漫游，然后在VR-Platform中完成动力学数据的可视化以及场景的交互驱动。
本发明所述的上位机采用Labview图形化编程软件开发，它与所述风机三维仿真系统通过以太网连接，接口为常见的RJ45网口。
所述PLC控制器采用倍福CX5020，PLC控制器的编程软件采用twincat；所述PLC控制器与所述上位机之间采用Ethernet通讯协议，所述上位机通过调用TcAdsDll.dll动态链接库控制PLC控制器。
所述变流器、整流器和逆变器均采用Vacon NXPAIR cooled型号，与所述PLC控制器之间采用EtherCAT通讯协议。
所述变流器通过电缆控制电动机转速，电动机为异步电机，型号为YCP180M-4，额定功率为18.5KW。
所述机械飞轮转动惯量为0.72kg·m2，机械飞轮的作用是增大系统转动惯量从而能够真实地模拟大功率风机运行状况。
所述发电机为永磁同步发电机，型号为TYC 160M-4，额定功率为15KW。
所述数据库通过以太网与PLC控制器连接，两者之间通过twincat database通讯服务交互数据。
所述数据库采用SQL/SERVER数据库，数据刷新周期为100ms。
所述风机三维仿真系统通过微软提供的ADO数据库接口与所述数据库传输数据。

Claims (7)

1.一种基于硬件在环的风电虚拟现实仿真系统，其特征在于，包括风机仿真和监控系统、PLC控制器、风机动态模拟系统；
所述风机仿真和监控系统包括风机三维仿真系统、数据库、上位机，以及连接它们的以太网总线；
所述风机动态模拟系统包括变频器、电动机、机械飞轮、连接轴、发电机、整流器、逆变器以及电网；
所述PLC控制器通过以太网总线分别与数据库、上位机、变频器、整流器和逆变器连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风机动态模拟系统通过电动机拖动发电机发电来模拟实际风机发电情况。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风机三维仿真系统通过以太网总线获取发电机参数。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PLC控制器接收上位机的控制命令，并通过以太网总线传送给变频器，通过变频器进行电动机转速控制；所述PLC控制器通过以太网总线实时获取变频器、整流器和逆变器的数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变频器通过电缆与电动机连接；所述电动机、机械飞轮和发电机依次同轴相连；所述发电机通过电缆与整流器连接；所述整流器和逆变器之间通过直流母线连接；所述逆变器与电网连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机通过以太网总线监控风机三维仿真系统以及下达控制命令给PLC控制器，所述上位机读取PLC控制器的数据。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据库通过以太网总线实时接收PLC控制系统获得的数据，并通过以太网总线实时传送给风机三维仿真系统。
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