CN113741218A - 一种大型风电机组综合实时仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型风电机组综合实时仿真平台，通过GH Bladed软件构建风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型并通过GH hardware test软件进行信号交互以实现仿真，通过RT‑lab软件构建风电机组的电气部分模型可实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算，可实现变流器控制器硬件在环实时仿真，主控制器PLC运行风电机组的主控算法，变流器控制器运行变流器控制算法，前述模型仿真与主控制器PLC、变流器控制器之间通过ADS通信IO接口进行信号交互，可以进行控制机组启动、并网、监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、变流器功率指令、停机、变流器网侧和机测控制、低穿和高穿控制等综合实时仿真测试。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电的仿真技术领域，具体地是涉及一种大型风电机组综合实时仿真平台。
背景技术
对于风力发电，是目前电力发展的重要研究方向，特别风能作为一种清洁再生能源，是现下最热门能源之一。
对于风电机组的仿真技术中，也出现了很多仿真平台，例如：
已有公开日为2012年10月24日，公开号为CN102749853A的中国专利文献，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。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，精确程度不够，且没有柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型。
已有公开日为2015年08月26日，公开号为CN104865845A的中国专利文献，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，该技术方案中采用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。
已有公开日为2017年07月25日，公开号为CN106980272A中国专利文献，公开了一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，该技术方案中采用Bladed和RTDS构建了风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，该平台采用与实际机组类似的分层、分布式控制系统架构，对物理控制器的硬件测试进行接口设计。但风机电气部分无法实现将高精度永磁同步PMSM模型、FPGA电子电路硬件解算器网表模型传输到FPGA仿真下位机的芯片中，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算。
结合现有的模拟仿真技术方案，可以看出，目前尚缺乏针对大型风电机组的综合实时仿真平台，没有完全对风电机组的机械、气动、电气等各系统实现综合控制系统硬件在环实时仿真，尤其没有风机电气部分采用纳秒级精细化仿真模型、高精度非线性电机本体模型等技术特点的仿真平台。
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大型风电机组综合实时仿真平台，在现有基础上设计了Bladed软件系统、RT-lab仿真机、风力发电机组主控制器、变流器控制器之间的硬件接口方式，风电机组电气部分模型采用高精度非线性本体模型技术，将高精度永磁同步PMSM模型、FPGA电子电路硬件解算器网表模型传输到FPGA仿真下位机的芯片中，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算，RT-lab仿真机FPGA 芯片与CPU核通过PCIe总线进行数据交互，从而构建一套基于RT-lab与Bladed的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综合控制系统硬件在环实时仿真平台。
本发明的技术方案如下：
一种大型风电机组综合实时仿真平台，实现仿真的构架如下：
通过GH Bladed软件构建风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型，所述风模型、机械部分模型和气动模型通过GH hardware test软件对外交互信号，从而实现风机整机机械部分仿真；
通过RT-lab软件构建风电机组的电气部分模型，所述电气部分模型和FPGA电子电路硬件解算器网表模型拓扑、赛灵思系统生成器XSG本体模型进行信号映射，利用高精度非线性本体模型技术，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算；所述电气部分模型通过配置的IO接口与外部控制器交互，从而实现变流器控制器硬件在环实时仿真；所述电气部分模型包括发电机模型、变流器模型、箱变模型、电网模型；
所述IO接口采用ADS通信实现：仿真的风机整机机械部分通过GH hardware test软件与配置的IO接口进行双向实时通信，变流器控制器硬件在环实时仿真与配置的IO接口进行实时通信，从而仿真的风机整机机械部分与变流器控制器硬件在环实时仿真实现实时通信；
所述主控制器PLC采用实际风力发电机组的控制系统架构，采用真实控制器接入，运行风力发电机组的主控算法，并控制风力发电机组执行启动、并网、监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、变流器功率指令、停机的一系列相应动作；
所述变流器控制器采用实际变流器控制器接入，运行变流器控制算法，进行变流器网侧和机测控制、低穿和高穿控制。
所述电气部分模型具体涉及发电机、变流器及变流器的保护电路、网侧滤波器、升压箱式变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网，所述电气部分模型通过编程模拟电网环境、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情况。
所述电气部分模型中的发电机模型是基于Xilinx System Generator 以及RT-XSG搭建的FPGA电子电路硬件解算器网表模型拓扑、永磁同步电机PMSM（Permanent MagnetSynchronous Motor）本体进行构建；所述发电机模型生成bin文件后，被CPU通用接口模型调用并被下载到RT-lab下位机中的FPGA板卡中实时运行。
所述RT-lab软件构建电气部分模型时，采用FPGA电子电路硬件解算器进行等效电机、三电平拓扑以及电网模型的搭建，搭建完成保存后进行离线运行自动生成网表文件；所搭建模型的电路拓扑和电路参数均为可修改状态，所述网表文件会自动更新。
通过RT-lab软件构建的电气部分模型中，CPU通用接口模型利用FPGA电子电路硬件解算器模块、电机模型参数配置模块对FPGA电子电路硬件解算器网表模型、风电机组FPGA电机模型进行调用和配置参数，CPU通用接口模型再将调用FPGA电子电路硬件解算器网表模型和风电机组FPGA电机模型时生成的bin文件传递到RT-lab下位机中的FPGA板卡中，进行RT-lab下位机中CPU与FPGA板卡之间的数据交互；同时，在CPU通用接口模型中搭建低电压穿越LVDT、高电压穿越HVDT控制算法以及微秒、毫秒步长级的箱变模型、电网模型，对FPGA电子电路硬件解算器模块、电机模型进行实时监测和参数配置；通过RT-lab软件可将整个电气部分模型编译下载到RT-lab下位机的CPU和FPGA板卡中。
所述大型风电机组综合实时仿真平台，包括有：安装有GH Bladed和GH hardwaretest软件的计算机、安装有RT-lab软件的计算机、RT-lab FPGA下位机、风力发电机组的主控制器PLC、风力发电机组的变流器控制器、各自配置的相应IO接口，通过分别配置的IO接口进行通信。
进一步的，所述GH Bladed软件中包含有硬件测试模块（hardware test）和Bladed计算主模块，硬件测试模块通过ADS通信，与IO接口的板卡系统进行内存共享，使Bladed计算主模块与IO接口实现毫秒级的信号实时交互。
进一步的，所述RT-lab下位机至少配备有一个Xilinx Virtex-7 FPGA板、一块信号调理板、一块RT-lab专用模拟信号输入板卡、一块RT-lab专用模拟信号输出板卡、一块RT-lab专用数字信号输入板卡、一块RT-lab专用数字信号输出板卡和一块两通道CAN总线接口卡。
进一步的，所述主控制PLC配备有数字输入、数字输出接口、模拟输入接口、模拟输出接口、CANopen通信接口、485串行通信接口，所述主控制器PLC配备的接口用于对风机变桨、变流器、振动监测模块的信号交互与信号控制。
进一步的，所述变流器控制器配备有数字输入、数字输出接口、模拟输入接口、模拟输出接口、CANopen通信接口，所述变流器控制器配备的接口用于对变流器功率部分的控制以及与主控PLC进行信号交互。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明是一种基于RT-lab与Bladed的风电机组综合控制系统硬件在环实时仿真平台，非常接近实际风电机组的架构，具有模型精度高的特点；该平台中，GH Bladed软件中建立的风机模型采用商用风机模型，且RT-lab软件中建立的电气部分模型采用高精度非线性本体模型技术特点，可以将高精度永磁同步PMSM模型、FPGA电子电路硬件解算器网表模型传输到FPGA仿真下位机的芯片中，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算；该平台非常适用于商用主控制器和变流器控制器的综合实时仿真，进行相应的验证和测试。
附图说明
图1为本发明的平台总体原理框图。
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，本发明设计的大型风电机组综合实时仿真平台，实现的仿真原理如下：
通过GH Bladed软件构建风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型，所述风模型、机械部分模型和气动模型通过GH hardware test软件对外交互信号，从而实现风机整机机械部分仿真；
通过RT-lab软件构建风电机组的电气部分模型，所述电气部分模型和FPGA电子电路硬件解算器网表模型拓扑、赛灵思系统生成器XSG本体模型进行信号映射，利用高精度非线性本体模型技术，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算；所述电气部分模型通过配置的IO接口与外部控制器交互，从而实现变流器控制器硬件在环实时仿真；所述电气部分模型包括发电机模型、变流器模型、箱变模型、电网模型；
所述IO接口采用ADS通信实现：仿真的风机整机机械部分通过GH hardware test软件与配置的IO接口进行双向实时通信，变流器控制器硬件在环实时仿真与配置的IO接口进行实时通信，从而仿真的风机整机机械部分与变流器控制器硬件在环实时仿真实现实时通信；
所述主控制器PLC采用实际风力发电机组的控制系统架构，采用真实控制器接入，运行风力发电机组的主控算法，并控制风力发电机组执行启动、并网、监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、变流器功率指令、停机等一系列整机控制动作。
所述变流器控制器采用实际变流器控制器接入，运行变流器控制算法，输出变流器控制器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制（PWM）脉冲，输出与主控制器PLC进行信息交互的接口信号，进行变流器网侧和机测控制、低穿和高穿控制等功能。
实现上述大型风电机组综合实时仿真平台仿真的硬件设备包括：安装有GHBladed和GH hardware test软件的计算机、安装有RT-lab软件的计算机、RT-lab FPGA下位机、风力发电机组的主控制器PLC、风力发电机组的变流器控制器。
本实施例中，RT-lab下位机选用OP5700。
所述GH Bladed软件中包含硬件测试模块（hardware test）、Bladed计算主模块；所述硬件测试模块通过ADS通信，与IO接口板卡系统进行内存共享，使Bladed计算主模块与IO接口实现毫秒级的信号实时交互。
所述安装有RT-lab软件的计算机至少包括有一个Xilinx Virtex-7 FPGA板、一块信号调理板、一块RT-lab专用模拟信号输入板卡、一块RT-lab专用模拟信号输出板卡、一块RT-lab专用数字信号输入板卡、一块RT-lab专用数字信号输出板卡、一块两通道CAN总线接口卡。
所述主控制器PLC配备有数字输入、数字输出接口、模拟输入接口、模拟输出接口、CANopen通信接口、485串行通信接口。
所述变流器控制器配备有数字输入、数字输出接口、模拟输入接口、模拟输出接口、CANopen通信接口。
所述仿真平台的各物理部分之间的通信数据流具体如下：
C1是GH Bladed硬件测试模块与IO接口板卡系统的数据交互，实现方式为通过ADS通信，与IO接口板卡系统进行内存共享，使Bladed计算主模块与IO接口实现毫秒级的信号实时交互，为双向数据通信。
C2是GH Bladed软件仿真的IO接口板卡系统与主控制器PLC间通过硬接线实现通信，为单向通信，通信方向是从GH Bladed仿真系统流向主控制器PLC，用于传输轮毂处风速信号和电机功率输出信号。
C3是GH Bladed软件仿真的IO接口板卡系统与主控制器PLC间通过CANopen通信板卡实现通信，为双向通信，用于传输主控桨矩角指令和实际桨矩角。
C4是GH Bladed软件仿真的IO接口板卡系统与主控制器PLC之间通过CANopen通信板卡实现通信，为单向通信，用于将变流器控制器与主控制器PLC的CANopen通信板卡的直接通信信息从主控制器PLC的CANopen通信板卡中转至监听CANopen模块。
C5是GH Bladed软件仿真的IO接口板卡系统与主控制器PLC间通过CANopen通信板卡实现通信，为单向通信，将监听CANopen模块收到的电量相关信息传输至主控制器PLC的电量模块。
C6是主控制器PLC与变流器控制器间通过CANopen通信板卡实现通信，为双向通信，主要传输转矩指令、无功功率指令、发电机实际转矩、实际无功功率、高低穿信号等。
C7是RT-lab软件与变流器控制器间通过硬接线实现通信，为单向通信，主要传输发电机a、b、c三相端电压；a、b、c三相相电流；直流母线电压；网侧变换器a、b、c三相电流等采样值。
C8是RT-lab软件与变流器控制器间通过硬接线实现通信，为单向通信，主要传输变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制（PWM）脉冲信号，本实施案例中变流器为NPC三电平拓扑。
C9是GH Bladed软件仿真的IO接口与RT-lab软件的IO接口之间通过硬接线实现通信，为双向通信，主要传输发电机质量块的转速信号和实际转矩信号。
本发明经过测试验证证明是可行的。具体模拟过程中，主控制器PLC采用BeckhoffCX5130型号的PLC，变流器控制器采用DSP作为核心单元。
本发明具体可以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。
Claims (10)
1.一种大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：
通过GH Bladed软件构建风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型，所述风模型、机械部分模型和气动模型通过GH hardware test软件对外交互信号，从而实现风机整机机械部分的实时仿真；
通过RT-lab软件构建风电机组的电气部分模型，所述电气部分模型和FPGA电子电路硬件解算器网表模型拓扑、赛灵思系统生成器XSG本体模型进行信号映射，实现纳秒级步长的电机和三电平拓扑的实时解算；所述电气部分模型通过配置的IO接口与外部控制器交互，从而实现变流器控制器的硬件在环实时仿真；所述电气部分模型包括发电机模型、变流器模型、箱变模型、电网模型；
所述IO接口采用ADS通信实现：仿真的风机整机机械部分通过GH hardware test软件与配置的IO接口进行双向实时通信，变流器控制器硬件在环实时仿真与配置的IO接口进行实时通信，从而仿真的风机整机机械部分与变流器控制器的硬件在环实时仿真实现实时通信；
所述主控制器PLC采用实际风力发电机组的控制系统架构，采用真实控制器接入，运行风力发电机组的主控算法，并控制风力发电机组执行启动、并网、监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、变流器功率指令、停机的一系列相应动作；
所述变流器控制器采用实际变流器控制器接入，运行变流器控制算法，进行变流器网侧和机测控制、低穿和高穿控制。
2.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述电气部分模型具体涉及发电机、变流器及变流器的保护电路、网侧滤波器、升压箱式变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网，所述电气部分模型通过编程模拟电网环境、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情况。
3.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述电气部分模型中的发电机模型是基于Xilinx System Generator 以及RT-XSG搭建的FPGA电子电路硬件解算器网表模型拓扑、永磁同步电机PMSM本体进行构建的模型，所述发电机模型生成bin文件后，被CPU通用接口模型调用并被下载到RT-lab下位机的FPGA板卡中实时运行。
4.根据权利要求1或3所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述RT-lab软件构建电气部分模型时，采用FPGA电子电路硬件解算器进行等效电机、三电平拓扑以及电网模型的搭建，搭建完成保存后进行离线运行自动生成网表文件；所搭建模型的电路拓扑和电路参数均为可修改状态，所述网表文件会自动更新。
5.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：通过RT-lab软件构建的电气部分模型中，CPU通用接口模型利用FPGA电子电路硬件解算器模块、电机模型参数配置模块对FPGA电子电路硬件解算器网表模型、风电机组FPGA电机模型进行调用和配置参数，CPU通用接口模型再将调用FPGA电子电路硬件解算器网表模型和风电机组FPGA电机模型时生成的网表文件、bin文件传递到RT-lab下位机的FPGA板卡中，进行RT-lab下位机中CPU与FPGA板卡之间的数据交互；同时，在CPU通用接口模型中搭建低电压穿越LVDT、高电压穿越HVDT控制算法以及微秒、毫秒步长级的箱变模型、电网模型，对FPGA电子电路硬件解算器模块、电机模型进行实时监测和参数配置；通过RT-lab软件将整个电气部分模型编译下载到RT-lab下位机的CPU和FPGA板卡中。
6.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述GHBladed软件中包含有硬件测试模块和Bladed计算主模块，硬件测试模块通过ADS通信，与IO接口的板卡系统进行内存共享，使Bladed计算主模块与IO接口实现毫秒级的信号实时交互。
7.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于，包括安装有GHBladed软件和GH hardware test软件的计算机、安装有RT-lab软件的计算机、RT-lab FPGA下位机、风力发电机组的主控制器PLC、风力发电机组的变流器控制器及各自配置有相应的IO接口，通过分别配置的IO接口进行通信。
8.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述RT-lab下位机至少配备有一个Xilinx Virtex-7 FPGA板、一块信号调理板、一块RT-lab专用模拟信号输入板卡、一块RT-lab专用模拟信号输出板卡、一块RT-lab专用数字信号输入板卡、一块RT-lab专用数字信号输出板卡、一块两通道CAN总线接口卡。
9.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于：所述主控制器PLC还配备有CANopen通信接口、数字输入接口、数字输出接口、模拟输入接口和模拟输出接口、485串行通信接口，所述主控制器PLC配备的接口用于对风机变桨、变流器、振动监测模块的信号交互与信号控制。
10.根据权利要求1所述的大型风电机组综合实时仿真平台，其特征在于，所述变流器控制器配备有CANopen通信接口、数字输入接口、数字输出接口、模拟输入接口和模拟输出接口，所述变流器控制器配备的接口用于对变流器功率部分的控制以及与主控PLC进行信号交互。
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