CN109782626A - 一种基于rt-lab的风电主控实时仿真测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电电气控制技术领域，具体的是一种基于RT‑LAB的风电主控实时仿真测试系统，包括上位机、测试机、主控控制系统和RT‑LAB风机仿真系统，上位机通过以太网与主控控制系统连接，用于对主控系统的主要变量进行监控，上位机通过以太网与RT‑LAB风机仿真系统连接，用于模型移植、修改及仿真运行操作；测试机通过以太网将主控算法的代码下载到主控控制系统，进行程序编译和调试；本申请利用RT‑LAB建立完整的实时风力发电模型来代替了真实的风电工况，快速的检测风机主控算法和变流器算法是否合理、可靠。仿真模型包括了完整的风力机模型：包括风速信号，风机传动模型，发电机模型；仿真模型更为完善、简洁和统一。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电电气控制技术领域，具体的是一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统。
背景技术
风能是一种清洁的可再生资源，近年来风力发电技术飞速发展，风电装机容量迅速攀升。随着风电行业的不断发展和竞争的加剧，一方面要求风电机组成本不断下降，另一方面要求风电机组可靠性不断提高。主控系统作为风电机组电控系统的重要子系统之一，其控制性能直接关系到风电机组的整体性能。
主控系统负责整个风电机组的总体控制,实现主控、变桨和变流三大子系统的协调运行。在风力发电机组实际运行中，主控系统要根据自身采集的信息和变桨系统以及变流系统传输
在自然条件下，风向和风速都是随机变化的，如果风力发电主控系统不能及时根据机组状态进行控制系统，极有可能造成系统的不稳定运行，还可能会导致风机脱网，甚至部件损坏，极端情况下还可能会威胁机组的安全。为了保证风电机组的稳定可靠运行，提升主控系统的控制性能和可靠性，需要对主控控制系统进行充分的测试，而不成熟的控制系统如果用于真实风机系统上测试，可能发生系统损坏，甚至更为严重的后果。建立一种模拟真实风机特性的仿真测试平台，不仅可以系统全面的对主控算法进行验证，还可以大幅降低测试成本，缩短测试周期。
RT-LAB是一种全新的基于模型的工程设计应用平台，工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计，实时仿真，快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案发明内容。通过RT-LAB，工程师可以直接将利用MATLAB/Simulink或者其他第三方例如：StateFlow，Simscape，CarSimRT，PLECS，AMESim，Dymola 等建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。
现有专利如专利申请号为CN201810252579.9，申请日为2018.3.26，名称为“基于RT-Lab双馈型风电虚拟同步发电机性能测试方法及系统”的发明专利，其技术方案如下：本发明提供一种基于RT-Lab双馈型风电虚拟同步发电机性能测试方法及系统，其中，系统包括：在RT-Lab仿真机中搭建的数字模型、双馈风机主控制器、变流器控制器及观测设备，其中，所述数字模型包括异步电机、变压器、变流器及电网。变压器设置在异步电机定子与电网之间；变流器设置在异步电机转子与异步电机定子之间；双馈风机主控制器安装有风机本体及传动轴系的模拟程序，连接变流器控制器及所述RT-Lab仿真机；变流器控制器连接所述RT-Lab仿真机；观测设备连接双馈风机主控制器及变流器控制器。
上述专利中提及的仿真机中的数字模型不是完整的风机模型，而对风力和传动轴系的模型仿真，并不在数字模型中，其数字模型中关于风力机组的仿真并不完整，并且用主控制器模拟风力模型和传动轴系的方法不太合理，实时性不强。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，现在特别提出一种对风力发电主控算法进行测试得基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统及装置。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：包括上位机、测试机、主控控制系统和RT-LAB风机仿真系统，所述上位机通过以太网与主控控制系统连接，用于对主控系统的主要变量进行监控，所述上位机通过以太网与RT-LAB风机仿真系统连接，用于模型移植、修改及仿真运行操作；所述测试机通过以太网将主控算法的代码下载到主控控制系统，进行程序编译和调试；所述主控控制系统通过I/O板卡等外设设备与RT-LAB风机仿真系统连接，实现二者之间的电气信号连接。
所述上位机为安装有Windows或者Linux操作系统的计算机，加载有风机监控界面、风机模型和RT-LAB应用软件。所述风机监控界面可用Labview、力控等多种软件实现，所述风机模型可为MATLAB/Simulink，StateFlow，Simscape，CarSimRT，PLECS，AMESim，Dymola等风机模型；这里提到RT-LAB应用软件就特指RT-LAB仿真器的配套软件。
所述测试机为加载有主控控制系统编程软件和主控算法代码的计算机，用于检测主控算法是否合理，并可实时在线编辑与调试。这里的主控系统只要器接口满足与上位机与风机仿真系统的接口形式均可进行测试。
所述主控控制系统包括控制器和I/O模块，所述控制器为用于实现主控算法代码的编译与真实运行的PLC控制器或者嵌入式控制器，所述I/O模块为I/O板卡接口，所述主控控制系统通过I/O板卡接口与RT-LAB风机仿真系统连接。
所述RT-LAB风机仿真系统为风机硬件的环仿真系统，所述RT-LAB风机仿真系统包括风力发电机组的机组机械模型、机组电气模型、实时操作系统、实时仿真器。实时仿真器是一个实体设备，其加载了实时操作系统，机组机械模型和电气模型，在实时操作系统中运行；实时仿真器是实时操作系统的载体，而实时操作系统又是风机模型（包含了机械模型，电气模型）的运行环境。
所述机组机械模型包含风速模型、风机模型和传动链。
所述机组电气模型包含发电机、变流器、变压器、电网和变桨电气系统。
所述实时操作系统为嵌入式操作系统。具体为QNX实时操作系统，当外界事件与数据发生时，可以最快的时间接受数据并处理，并在规定时间内做出及时的响应反馈给外部系统，保证所有实时任务协调一致的操作系统。
所述实时仿真器为RT-LAB仿真器，为分布式实时平台，它能够在很短的时间内、以很低的花费，通过对进行工程仿真或者是对实物在回路的实时系统建立动态模型，外部设置有I/O板卡，用于与主控控制系统进行I/O信号连接。
本申请的优点在于：
1、本申请利用RT-LAB建立完整的实时风力发电模型（包含风速信号、风机、传动链、发电机、变流器、变压器、变桨系统等，注意：强调其实时性，完整性，适应性）来代替了真实的风电工况，用这个模型来快速的检测风机主控算法和变流器算法是否合理，是否可靠。仿真模型包括了完整的风力机模型：包括风速信号，风机传动模型，发电机模型；仿真模型更为完善，更为简洁和统一。
2、本发明提出的一种基于RT-LAB风电主控仿真系统可以在实验室环境下快速开发和验证风机主控系统，可真实的模拟风力发电机组的运行特性，使主控系统在挂机前就得到全面的测试，提前发现控制策略缺陷，优化控制算法，降低测试成本，提高系统安全可靠性，缩短真机调试时间。
3、这种风电主控实时仿真系统是基于RT-LAB建立的，系统开发周期短、开发成本低、使用便捷。测试者只需要根据实际情况略微调整风机模型，然后将主控算法的代码通过以太网下载至主控系统，即可开始进行仿真操作和验证。
4、仿真模型的可移植性强。完全集成 MATLAB/Simulink；支持StateFlow，Simscape，CarSimRT，PLECS，AMESim，Dymola的模型，以及 C，C++的合法代码。
5、丰富的 API 为开发自己的在线应用，使用诸如LabVIEW、C、C++、Visual Basic、TestStand、Python and 3D virtual reality等工具可以轻松的创建定制的功能和自动测试界面。
6、RT-LAB 提供的工具能够方便的把系统模型分割成子系统，使得在目标机上能够并行处理。通过这种方法，如果模型过于复杂不能在单处理器上运行时，可提供多个处理器共享一个负载的方法来实现的。
7、避免实际调试过程中的安全问题。如果直接将主控系统用于实际风电机组进行调试，极有可能会因主控控制系统性能不完善导致机组的不稳定运行，甚至损坏机组。
8、由于采用的硬件在环实时仿真，能够真实模拟机组的实际运行，有利于对主控控制系统进行全面仿真测试，通过仿真测试后主控系统更成熟，更能适应实际工况。
附图说明
图1是一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统的组成示意图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
该系统中，其中上位机一般为一台搭载了风机模型和监控系统的计算机，主要承担两部分功能，一部分为用于需要测试风机模型的搭建与编辑，一部分为主控第二部分为系统实时数据监控。
RT-LAB风机仿真系统是包含有实时操作系统的RALAB仿真器，加载了机组机械模型和电气模型以及与硬件实物的电气连接的外部I/O板卡。
测试机一般为一台装有主控编程软件的计算机，主要用于主控算法代码编写，编译，程序下载与调试，一般与主控控制器通过以太网或者调试电缆连接。
主控控制系统为要测试的主控系统真实的控制器一般为PLC或者嵌入式控制器。
上位机可以修改要测试的风机模型，使其更接近需要测试的真实的风机特性，然后通过以太网将模型下载至RT-LAB实时风机仿真系统，改系统模拟真实风力发电机组真实运行特性，并将其输入输出信号通过I/O接口板卡与主控控制器连接，测试机编写好要测试主控算法后，将其编译后下载至控制器中，通过上位机的监控数据，风机模型的运行情况和关键指标参数来快速判断算法是否合理，是否可靠。
实施例2
一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统包括上位机、测试机、主控控制系统和RT-LAB风机仿真系统，所述上位机通过以太网与主控控制系统连接，用于对主控系统的主要变量进行监控，所述上位机通过以太网与RT-LAB风机仿真系统连接，用于模型移植、修改及仿真运行操作；所述测试机通过以太网将主控算法的代码下载到主控控制系统，进行程序编译和调试；所述主控控制系统通过I/O板卡等外设设备与RT-LAB风机仿真系统连接，实现二者之间的电气信号连接。
所述上位机为安装有Windows或者Linux操作系统的计算机，加载有风机监控界面、风机模型和RT-LAB应用软件。所述风机监控界面可用Labview、力控等多种软件实现，所述风机模型可为MATLAB/Simulink，StateFlow，Simscape，CarSimRT，PLECS，AMESim，Dymola等风机模型；这里提到RT-LAB应用软件就特指RT-LAB仿真器的配套软件。
所述测试机为加载有主控控制系统编程软件和主控算法代码的计算机，用于检测主控算法是否合理，并可实时在线编辑与调试。这里的主控系统只要器接口满足与上位机与风机仿真系统的接口形式均可进行测试。
所述主控控制系统包括控制器和I/O模块，所述控制器为用于实现主控算法代码的编译与真实运行的PLC控制器或者嵌入式控制器，所述I/O模块为I/O板卡接口，所述主控控制系统通过I/O板卡接口与RT-LAB风机仿真系统连接。
所述RT-LAB风机仿真系统为风机硬件的环仿真系统，所述RT-LAB风机仿真系统包括风力发电机组的机组机械模型、机组电气模型、实时操作系统、实时仿真器。实时仿真器是一个实体设备，其加载了实时操作系统，机组机械模型和电气模型，在实时操作系统中运行；实时仿真器是实时操作系统的载体，而实时操作系统又是风机模型（包含了机械模型，电气模型）的运行环境。
所述机组机械模型包含风速模型、风机模型和传动链。
所述机组电气模型包含发电机、变流器、变压器、电网和变桨电气系统。
所述实时操作系统为嵌入式操作系统。具体为QNX实时操作系统，当外界事件与数据发生时，可以最快的时间接受数据并处理，并在规定时间内做出及时的响应反馈给外部系统，保证所有实时任务协调一致的操作系统。
所述实时仿真器为RT-LAB仿真器，为分布式实时平台，它能够在很短的时间内、以很低的花费，通过对进行工程仿真或者是对实物在回路的实时系统建立动态模型，外部设置有I/O板卡，用于与主控控制系统进行I/O信号连接。
本申请利用RT-LAB建立完整的实时风力发电模型（包含风速信号、风机、传动链、发电机、变流器、变压器、变桨系统等，注意：强调其实时性，完整性，适应性）来代替了真实的风电工况，用这个模型来快速的检测风机主控算法和变流器算法是否合理，是否可靠。仿真模型包括了完整的风力机模型：包括风速信号，风机传动模型，发电机模型；仿真模型更为完善，更为简洁和统一。
本发明提出的一种基于RT-LAB风电主控仿真系统可以在实验室环境下快速开发和验证风机主控系统，可真实的模拟风力发电机组的运行特性，使主控系统在挂机前就得到全面的测试，提前发现控制策略缺陷，优化控制算法，降低测试成本，提高系统安全可靠性，缩短真机调试时间。
这种风电主控实时仿真系统是基于RT-LAB建立的，系统开发周期短、开发成本低、使用便捷。测试者只需要根据实际情况略微调整风机模型，然后将主控算法的代码通过以太网下载至主控系统，即可开始进行仿真操作和验证。仿真模型的可移植性强。完全集成MATLAB/Simulink；支持StateFlow，Simscape，CarSimRT，PLECS，AMESim，Dymola的模型，以及 C，C++的合法代码。
丰富的 API 为开发自己的在线应用，使用诸如LabVIEW、C、C++、Visual Basic、TestStand、Python and 3D virtual reality等工具可以轻松的创建定制的功能和自动测试界面。RT-LAB 提供的工具能够方便的把系统模型分割成子系统，使得在目标机上能够并行处理。通过这种方法，如果模型过于复杂不能在单处理器上运行时，可提供多个处理器共享一个负载的方法来实现的。
避免实际调试过程中的安全问题。如果直接将主控系统用于实际风电机组进行调试，极有可能会因主控控制系统性能不完善导致机组的不稳定运行，甚至损坏机组。由于采用的硬件在环实时仿真，能够真实模拟机组的实际运行，有利于对主控控制系统进行全面仿真测试，通过仿真测试后主控系统更成熟，更能适应实际工况。
Claims (9)
1.一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：包括上位机、测试机、主控控制系统和RT-LAB风机仿真系统，所述上位机通过以太网与主控控制系统连接，用于对主控系统的主要变量进行监控，所述上位机通过以太网与RT-LAB风机仿真系统连接，用于模型移植、修改及仿真运行操作；所述测试机通过以太网将主控算法的代码下载到主控控制系统，进行程序编译和调试；所述主控控制系统外设设备与RT-LAB风机仿真系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述上位机为安装有Windows或者Linux操作系统的计算机，加载有风机监控界面、风机模型和RT-LAB应用软件。
3.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述测试机为加载有主控控制系统编程软件和主控算法代码的计算机，用于检测主控算法是否合理，并可实时在线编辑与调试。
4.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述主控控制系统包括控制器和I/O模块，所述控制器为用于实现主控算法代码的编译与真实运行的PLC控制器或者嵌入式控制器，所述I/O模块为I/O板卡接口，所述主控控制系统通过I/O板卡接口与RT-LAB风机仿真系统连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述RT-LAB风机仿真系统为风机硬件的环仿真系统，所述RT-LAB风机仿真系统包括风力发电机组的机组机械模型、机组电气模型、实时操作系统、实时仿真器。
6.根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述机组机械模型包含风速模型、风机模型和传动链。
7.根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述机组电气模型包含发电机、变流器、变压器、电网和变桨电气系统。
8.根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述实时操作系统为嵌入式操作系统。
9.根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于：所述实时仿真器为RT-LAB仿真器，为分布式实时平台，通过对进行工程仿真或者是对实物在回路的实时系统建立动态模型，外部设置有I/O板卡，用于与主控控制系统进行I/O信号连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190521 |