CN110456662A - 一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台及仿真方法，包括：实时主机及实时数字仿真器RTDS；所述实时主机中运行有适用于实时操作系统的OpenFAST软件、运行在实时线程下的实时控制器以及开源实时网络协议栈RTnet；所述OpenFAST软件中建立风机相关的各种模型；所述RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其中采用RTDS模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态；OpenFAST软件与实时控制器两者之间采用共享内存变量方式进行数据交互，实时主机通过RTnet与RTDS之间进行实时双向通信，构成完整的闭环仿真。本公开使用开源的实时操作系统扩展、开源的已经通过GL认证的OpenFAST软件、开源的实时网络协议框架，能够在保证仿真精度的条件下极大的降低平台成本。

Description

一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台及仿真方法

技术领域

本公开涉及风能仿真技术领域，特别是涉及一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台及仿真方法。

背景技术

目前已存在的风能转换系统仿真技术中，仍缺乏一种采用硬实时操作系统和数字协议接口的具有硬实时性能的联合仿真平台。

已有中国专利CN102749853A，公开了一种风电机组整机控制半实物仿真平台。该平台基于dSPACE构建了风机气动模型，并通过与小功率样机相结合实现了一个小功率对拖平台。此半实物平台能够模拟电磁暂态对机械部分造成的动态影响，反之亦然。但此实验平台由于其小功率样机的限制，无法模拟大功率风电机组的运行工况。其风机气动模型部分通过dSPACE实现,不如OpenFAST软件精细，且未考虑塔架柔性以及叶片等机械部分模型。

已有中国专利CN106980272A，公开了一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台。该专利中基于GH Bladed与RTDS构建了实时联合仿真平台，该平台能够捕捉风能转换系统的完整动态。但是该专利中采用中间通信PLC作为GH Bladed和RTDS的接口。首先，Bladed与通信PLC采用异步通信协议进行通信，这容易导致平台间数据交互不能在一个采样步长内正确进行。其次GH Bladed和RTDS之间的交互数据需要经过通信PLC进行，这会导致两个仿真交互数据的延迟较高，容易对仿真精度产生影响。另外，此仿真平台采用商业软件GH Bladed，成本较高。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，采用开源的风机仿真软件OpenFAST，降低了建立平台的成本。采用运行于实时操作系统中的OpenFAST与RTDS进行联合仿真，并利用实时网络协议建立OpenFAST与RTDS之间直接数据交互的接口，降低数据交互延迟，增强仿真精度。

本说明书实施方式提供一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，通过以下技术方案实现：

包括：实时主机及实时数字仿真器RTDS；

所述实时主机中运行有适用于实时操作系统的OpenFAST软件、运行在实时线程下的实时控制器以及开源实时网络协议栈RTnet；

所述OpenFAST软件中建立风机相关的各种模型；

所述RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其中采用RTDS模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态；

OpenFAST软件与实时控制器两者之间采用共享内存变量方式进行数据交互，实时主机通过RTnet与RTDS之间进行实时双向通信，构成完整的闭环仿真。

进一步的技术方案，所述实时主机通过Xenomai实时扩展程序将原生的Linux操作系统扩展为硬实时操作系统，通过为OpenFAST软件编写实时调度代码来实现OpenFAST软件在实时主机上实时运行。

进一步的技术方案，通过在实时主机中开辟新的实时线程来调度风机控制器的运行，保证风机控制器运行在硬实时条件下。

进一步的技术方案，所述实时主机中加入RTnet，并以在RTnet下实现的UDP通讯协议作为实时主机与RTDS交互数据的通讯协议，实现两者的实时通信。

进一步的技术方案，所述OpenFAST软件中建立有湍流风模型、风机气动模型以及风机机械模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其中采用RTDS模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态。

进一步的技术方案，RTDS中建立有风电机组的电气部分模型包括：

发电机模型、背靠背变流器模型，以及大小步长中间采用的接口变压器；在RTDS中还包括机组升压变压器、三相线路、故障模拟电路、电网负载模型以及变流器控制模块、机组启停控制模块和与外部设备交互逻辑控制模块。

进一步的技术方案，所述RTDS通过GTNET在指定的时间内向外发送浮点数据，同时RTDS通过GTNET接收外部设备发送的数据。

进一步的技术方案，所述RTDS提供数模接口，通过数模接口直接控制变流器开关信号，从而进行设备级的硬件在环仿真。

进一步的技术方案，所述实时操作系统通过Xenomai修改原生非实时Linux内核，为原生Linux内核加入实时微内核扩展，此微内核通过进程优先级调度系统进程，从而保证用户定义实时应用程序运行过程中不会被任何低于其优先级的程序中断。

本申请说明书公开了一种精细化风能转换系统的实时联合仿真方法，通过以下技术方案实现：

包括：

风机桨距角控制步骤和风机最大功率跟踪控制步骤；

风机桨距角控制步骤：通过共享内存变量，将桨距角参考值传递到OpenFAST软件中；

具体的，桨距角控制器通过将高速轴转速与额定转速比较，若高速轴转速小于额定转速，则其输出的控制值为0，若高速轴转速大于额定转速，则其通过PI控制来计算其控制值。桨距角控制的目的是在风轮转速较低时不动作，在风轮转速较大时，调整风轮转速至额定值；

风机最大功率跟踪控制步骤：通过RTnet将电磁转矩参考值传递到RTDS中，在风轮转速低于额定值时，通过风机的静态气动特性，计算最优匹配功率，计算最优转矩，从而控制电气模块中的功率。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开使用开源的实时操作系统扩展、开源的已经通过GL认证的OpenFAST软件、开源的实时网络协议框架，能够在保证仿真精度的条件下极大的降低平台成本。

本公开采用数字通信协议作为OpenFAST与RTDS之间进行数据交互接口。相对于传统的采用数模转换模块进行通信的方式，所需交互的数据个数不再受数模转换模块的通道个数限制，能够方便的扩展数据量。另外，不需要额外购买数模转换模块、不需要特殊配备硬件网卡，能够进一步降低成本。

本公开能够捕捉风电机组中的气动、机械模型动态过程，也能捕获风力发电系统中的电磁暂态过程。并能够反映气动模型、机械模型与电磁模型的相互影响。

本公开通过在OpenFAST中建立详细的气动、机械模型，在RTDS中建立详细的电磁模型，并通过转子运动学方程建立两个仿真工具之间的接口。从而捕捉风电机组中气动、机械模型的动态响应，以及电磁暂态响应。此外，此平台能够用于研究气动、机械和电磁动态之间的耦合影响。

本公开为硬件在环仿真提供了平台，可以方便的接入包括但不限于实际的变流器硬件控制器、风机桨距角和最优功率控制器等。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的平台的总体结构框图；

图2为本公开实施例子的平台的数据交互方式。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，参见附图1、2所示，包括：包括运行实时操作系统的主机(以下简称实时主机)，此主机中运行经过修改的适用于实时操作系统的OpenFAST软件、运行在实时线程下的实时控制器以及开源实时网络协议栈(RTnet)。此平台还包括实时数字仿真器(Real-Time Digital Simulator,RTDS)。

具体实施例子中，实时主机通过Xenomai实时扩展程序将原生的Linux操作系统扩展为硬实时操作系统。通过为OpenFAST软件编写实时调度代码来实现本软件在实时主机上实时运行。通过在实时主机中开辟新的实时线程来调度实时控制器的运行，保证实时控制器运行在硬实时条件下。通过在实时主机中加入RTnet，并以在RTnet下实现的UDP通讯协议作为实时主机与RTDS交互数据的通讯协议，实现两者的实时通信。

OpenFAST软件中建立有湍流风模型、详细的风机气动模型以及风机机械模型。RTDS中建立有风电机组的详细的电气部分模型，其中采用RTDS独有的小步长模块模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态。

其中，湍流风模型：用于生成三维的湍流风；风机气动模型：基于叶素动量理论计算捕获到的气动功率；风机机械模型：计算各个元件在收到各种作用力之下的运动过程。

该实施例子中，模型之间是相互耦合的。

例如：风机气动模型读取湍流风中的风模型数据，从而计算作用在叶片上的气动负载。风机气动模型计算柔性叶片和柔性塔架上的负载，而机械模型通过已得到的负载和各个元件自身收到的重力、空气压力等来计算各个元件的运动情况。而此柔性叶片和柔性塔架的运动反过来作用于气动模型之上，一般来说是减小了叶片所捕获的气动功率。

电气部分模型其中一部分：升压变压器、三相线路、故障模拟电路、电网负载模型建立在大步长模块中。发电机、变流器建立在小步长模块中。

由于变流器频率较高，所以建立在微秒级的小步长模块中能够更准确的模拟变流器的开关动态。同样，也能增强发电机电磁暂态的准确度。

另外大步长模块与小步长模块之间区别在于仿真步长的大小，大步长模块仿真步长在50微秒至100微秒之间，小步长模块为4微秒左右。

OpenFAST软件与实时控制器均运行于实时主机之中，两者之间采用共享内存变量方式进行数据交互。实时主机通过RTnet与RTDS之间进行实时双向通信，构成完整的闭环仿真。

风机的实时控制器具有硬实时特性，可以发挥实际物理控制器相同的效用。此控制器采用通用的控制策略，构建了风机桨距角控制和风机最大功率跟踪控制。桨距角控制通过共享内存变量，将桨距角参考值传递到OpenFAST中。最大功率跟踪控制通过RTnet将电磁转矩参考值传递到RTDS中，从而控制电气模块中的功率。

上述关于电气模型的部分只是笼统的叙述了一下电气模型的大概内容，下面详细的列出了前面所述电气模型中包含的所有模型。

RTDS中构建的电磁模型包括小步长模块中的发电机模型、背靠背变流器模型，以及大小步长中间采用的接口变压器。同时，在RTDS中还包括机组升压变压器、三相线路、故障模拟电路、电网负载模型以及变流器控制模块、机组启停控制模块和与外部设备交互逻辑控制模块。

此处所述模型均为电气模型中包含的具体模型，此处所述模块均为控制器模块。例如：变流器控制模块，指的是控制变流器的控制器，此控制器在RTDS的大步长模块中实现。

信号传输关系实际上各个模型之间的传输可以参考图1中的RTDS部分。

RTDS中的小步长模块能够以微秒级步长进行仿真，以捕获精确的电磁暂态响应，相对于普通仿真软件能够更快速的、更完整的仿真电磁暂态。通过接口变压器可以耦合小步长模块中的发电机与大步长模块中的三相线路模型。通过RTDS与外部设备交互逻辑控制模块，RTDS可以通过GTNET在指定的时间内向外发送浮点数据，每次最多可以发送300个数据，同时RTDS通过GTNET接收外部设备发送的数据，每次最多可以接受300个数据。另外，RTDS提供数模接口，可通过数模接口直接控制小步长模块中的变流器开关信号，从而进行设备级的硬件在环仿真。

在RTDS中通过已有的模型搭建一个定时器，此定时器在每个指定的时间点产生一个脉冲，从而触发GTNET模块向外发送数据。

GTNET(Gigabit Transceiver NETwork Interface)是用于RTDS中的一款采用网络协议作为接口的板卡。RTDS可以使用GTNET板卡通过以太网与外部设备交互数据。

实时操作系统通过Xenomai修改原生非实时Linux内核，为原生Linux内核加入实时微内核扩展，此微内核通过进程优先级调度系统进程，从而保证用户定义实时应用程序运行过程中不会被任何低于其优先级的程序中断。通过这种方式，用户定义的实时应用程序在算力充足的情况下，能够在给定的时间限制内运行完毕。

通过开发与实时操作系统适配的OpenFAST的胶水代码，保证OpenFAST的实时性，从而保证气动模型与机械模型的实时计算。

开源实时网络(RTnet)协议栈提供了硬实时以太网协议栈，支持通用的以太网网卡硬件，适用于对实时性要求较高的工业自动化领域。一方面，RTnet通过采用时分多址(TDMA)技术，避免了由于多用户共同使用同一介质传输数据而造成冲突，且TDMA机制具有良好的确定性，较好的抗干扰能力。另一方面，RTnet通过实时操作系统中的实时驱动模块(RTDM)避免实时操作系统在实时域与非实时域之间的切换，从而避免在通信过程中降低应用程序的实时性能。

实时驱动模块的作用就是避免实时操作系统在实时域与非实时域之间的切换。

因为这个切换需要消耗比较多的时间，从而影响应用程序的实时性能。

RTDS仅需要配备一块GTNET板卡。

实时操作系统需要运行在一台普通PC机上，且需要配备一块千兆以太网网卡。

在一实施例中，可采用Linux下的抢占式实时调度内核PREEMPT_RT，以实现OpenFAST的实时运行

在另一实施例中，采用其他实时扩展内核，以实现OpenFAST实时运行。

在另一实施例中，采用其他实时扩展内核，并采用其他实时网络协议实现此仿真平台中的数据交互方式。

实施例子二

本申请说明书公开了一种精细化风能转换系统的实时联合仿真方法，通过以下技术方案实现：

首先开启RTDS的仿真器，此时RTDS中的电机模型使用默认设定的转速值。且此时RTDS不向外发送数据。

然后开启实时主机中的OpenFAST(此步骤同时开启了控制器)，OpenFAST仿真开始后，向RTDS发送第一个数据之后，RTDS开始向实时主机发送数据。

以上两步即可开启稳定的仿真，然后就等仿真完毕就行了。

包括：

风机桨距角控制步骤和风机最大功率跟踪控制步骤；

风机桨距角控制步骤：通过共享内存变量，将桨距角参考值传递到OpenFAST软件中；

具体的，桨距角控制器通过将高速轴转速与额定转速比较，若高速轴转速小于额定转速，则其输出的控制值为0，若高速轴转速大于额定转速，则其通过PI控制来计算其控制值。桨距角控制的目的是在风轮转速较低时不动作，在风轮转速较大时，调整风轮转速至额定值；

风机最大功率跟踪控制步骤：通过RTnet将电磁转矩参考值传递到RTDS中，在风轮转速低于额定值时，通过风机的静态气动特性，计算最优匹配功率，计算最优转矩，从而控制电气模块中的功率。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，包括：实时主机及实时数字仿真器RTDS；

所述实时主机中运行有适用于实时操作系统的OpenFAST软件、运行在实时线程下的实时控制器以及开源实时网络协议栈RTnet；

所述OpenFAST软件中建立风机气动与机械部分的模型；

所述RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其中采用RTDS模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态；

OpenFAST软件与实时控制器两者之间采用共享内存变量方式进行数据交互，实时主机通过RTnet与RTDS之间进行实时双向通信，构成完整的闭环仿真。

2.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述实时主机通过Xenomai实时扩展程序将原生的Linux操作系统扩展为硬实时操作系统，通过为OpenFAST软件编写实时调度代码来实现OpenFAST软件在实时主机上实时运行。

3.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，通过在实时主机中开辟新的实时线程来调度实时控制器的运行，保证风机控制器运行在硬实时条件下。

4.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述实时主机中加入RTnet，并以在RTnet下实现的UDP通讯协议作为实时主机与RTDS交互数据的通讯协议，实现两者的实时通信。

5.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述OpenFAST软件中建立有湍流风模型、风机气动模型以及风机机械模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其中采用RTDS模拟变流器的开关动态与发电机的电磁暂态。

6.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，RTDS中建立有风电机组的电气部分模型包括：

发电机模型、背靠背变流器模型，以及大小步长中间采用的接口变压器；在RTDS中还包括机组升压变压器、三相线路、故障模拟电路、电网负载模型以及变流器控制模块、机组启停控制模块和与外部设备交互逻辑控制模块。

7.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述RTDS通过GTNET在指定的时间内向外发送浮点数据，同时RTDS通过GTNET接收外部设备发送的数据。

8.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述RTDS提供数模接口，通过数模接口直接控制变流器开关信号，从而进行设备级的硬件在环仿真。

9.如权利要求1所述的一种精细化风能转换系统的实时联合仿真平台，其特征是，所述实时操作系统通过Xenomai修改原生非实时Linux内核，为原生Linux内核加入实时微内核扩展，此微内核通过进程优先级调度系统进程，从而保证用户定义实时应用程序运行过程中不会被任何低于其优先级的程序中断。

10.一种精细化风能转换系统的实时联合仿真方法，其特征是，包括：

风机桨距角控制步骤和风机最大功率跟踪控制步骤；

风机桨距角控制步骤：通过共享内存变量，将桨距角参考值传递到OpenFAST软件中；

具体的，桨距角控制器通过将高速轴转速与额定转速比较，若高速轴转速小于额定转速，则其输出的控制值为0，若高速轴转速大于额定转速，则其通过PI控制来计算其控制值。桨距角控制的目的是在风轮转速较低时不动作，在风轮转速较大时，调整风轮转速至额定值；

风机最大功率跟踪控制步骤：通过RTnet将电磁转矩参考值传递到RTDS中，在风轮转速低于额定值时，通过风机的静态气动特性，计算最优匹配功率，计算最优转矩，从而控制电气模块中的功率。