CN214698181U - 基于风电机组工况仿真的变桨测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，包括：仿真PC，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载；接口PLC，用于模拟风电场主控制器并向待测变桨系统发送指令；加载系统，用于将仿真PC给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统上；配电系统，用于给加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC供电以及提供电路保护。通过搭建基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，以对比和测试不同品牌或型号的变桨系统的性能是否满足技术要求，验证主控程序中变桨控制算法与仿真程序的差异性，在现场测试无法具备极端工况的条件下，通过实验环境模拟极端工况来评估机组在该工况下的运行情况和变桨响应对机组载荷的影响。

Description

基于风电机组工况仿真的变桨测试平台

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台。

背景技术

变桨系统是风电机组的核心部件之一，对机组安全、稳定、高效发电有着十分重要的作用。现阶段风电行业中用于降载、提高发电量等方面的智能控制技术大多是通过变桨来实现，基于提升发电量和适应环境及风资源差异的需求，需要不断开发变桨系统新产品和新技术，而对于变桨系统新产品性能和新技术的验证仅停留在静态软件仿真层面，在实际物理环境中的适应性及运行稳定性验证则需要依赖于现场测试，且现有的变桨系统的加载测试仅限于给定的恒定转矩，无法验证变桨系统在动态载荷下的性能，变桨控制策略仿真参数也缺乏相应的试验验证平台，在投运风场进行测试影响机组的安全发电和客户的效益。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的问题是提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，通过开环测试和闭环测试来验证待测变桨系统的性能，实现在试验环境下风电机组主控程序中变桨控制算法与仿真程序的差异性验证。

本实用新型通过以下技术手段解决上述技术问题：本实用新型提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，包括：

仿真PC，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载；

接口PLC，用于模拟风电场主控制器并向待测变桨系统发送指令，所述仿真PC与接口PLC通讯连接；

加载系统，用于将仿真PC给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统上，同时用于将在发电状态下的电能反馈至配电系统中；

配电系统，所述配电系统与加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC 电连接，所述配电系统用于给加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC 供电以及提供电路保护。

进一步，所述加载系统包括加载PLC、加载驱动和加载电机，所述加载PLC 分别与仿真PC和加载驱动连接，所述加载驱动用于将加载系统发电状态下的电能反馈到配电系统中，所述加载电机用于将模拟的变桨系统负载加载到变桨系统上。

进一步，所述加载驱动包括预充电模块、AFE整流回馈模块和驱动模块，所述预充电模块用于对驱动模块进行预充电，所述AFE整流回馈模块用于将配电系统供电接入到驱动模块的直流回路并将加载系统发电状态下的电脑反馈到配电系统中，所述驱动模块用于控制加载电机运转。

进一步，所述待测变桨系统包括变桨PLC、变桨驱动和变桨电机，所述变桨PLC用于接收接口PLC的控制信号并将控制信号发送至变桨驱动，所述变桨驱动用于控制变桨电机的运转。

进一步，还包括固定底座，所述变桨电机和加载电机安装在固定底座上，所述变桨电机和加载电机分别通过联轴器与转矩传感器连接，所述转矩传感器与加载驱动电连接。

进一步，还包括操作台，所述仿真PC和所述接口PLC安装在操作台上，所述操作台上还设置有人机交互窗口。

进一步，所述配电系统包括断路器和开关电源。

由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果：本实用新型提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，包括：仿真PC，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载；接口PLC，用于模拟风电场主控制器并向待测变桨系统发送指令，所述仿真PC与接口PLC通讯连接；加载系统，用于将仿真PC 给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统上，同时用于将在发电状态下的电能反馈至配电系统中；配电系统，所述配电系统与加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC电连接，所述配电系统用于给加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC供电以及提供电路保护。通过搭建基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，以对比和测试不同变桨系统的性能是否满足技术要求，验证主控程序中变桨控制算法与仿真程序的差异性，在现场测试无法具备极端工况的条件下，通过实验环境模拟极端工况来评估机组该工况下的运行情况和变桨响应对机组载荷的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型提供的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台的示意图；

附图标记：

1-配电系统；2-操作台；3-加载系统；4-固定底座；5-待测变桨系统；6联轴器；7-转矩传感器；21-仿真PC；22-接口PLC；31-加载PLC；32-加载驱动； 33-加载电机；51-变桨PLC；52-变桨驱动；53-变桨电机。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，包括：

仿真PC，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载；仿真PC使用一台CPU：3Ghz Intel i5，RAM：8GB配置的台式电脑，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载并通过加载系统输出，同时通过以太网和接口 PLC进行通讯，基于仿真工况给出变桨控制指令，由模拟风电场主控制器的接口PLC通过CAN通讯将控制指令发送至变桨系统，最终实现整个平台的监测和控制。

接口PLC，用于模拟风电场主控制器并向待测变桨系统发送指令，所述仿真PC与接口PLC通讯连接；优选地，接口PLC使用型号为MPC240。所述待测变桨系统包括变桨PLC、变桨驱动和变桨电机，所述变桨PLC用于接收接口PLC 的控制信号并将控制信号发送至变桨驱动，所述变桨驱动用于控制变桨电机的运转。

加载系统，用于将仿真PC给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统上，同时用于将在发电状态下的电能反馈至配电系统中；所述加载系统包括加载PLC、加载驱动和加载电机，所述加载PLC分别与仿真PC和加载驱动连接，所述加载驱动用于控制加载电机的运转并将发电状态下的电能反馈到配电系统中，所述加载电机用于将模拟的变桨系统负载加载到变桨系统上。

加载系统将仿真软件给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统的变桨电机上，同时将在发电状态下的电能反馈至配电系统中。加载系统主要由加载PLC、加载驱动和加载电机组成，加载PLC具备1ms运行周期的CPU并通过以太网分别与仿真PC、加载驱动进行连接，并将模拟的风电机组主控EFC信号通过弱电电缆连接至变桨PLC，即通过加载PLC模拟风电机组主控系统存在故障时断开安全链，待测变桨系统执行顺桨动作。其中加载PLC优选型号为C6 E22 BM，加载电机的型号为BS25-14-244-18-FVZ1。

加载驱动是一种具备能够在转矩控制模式下运行并具有1ms快速转矩响应的高性能驱动能力，主要包含预充电模块、AFE整流回馈模块、驱动模块，其中预充电模块以最大5A的充电电流对驱动器直流回路充至560V后，再由AFE 整流回馈模块将配电系统供电接入到驱动器直流回路，并将加载系统发电状态下的电能反馈到配电系统中，驱动模块则根据加载PLC控制指令控制加载电机运转并通过SSI编码器接口测量加载电机的转速和位置。其中预充电模块的型号为00.H6.FAP-1100，AFE整流回馈模块的型号为21.H6.DAU-1100，驱动模块的型号为21.H6.ABU-11B0。

配电系统，所述配电系统与加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC 电连接，所述配电系统用于给加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC 供电以及提供电路保护；所述配电系统包括断路器和开关电源。

进一步，还包括固定底座，所述变桨电机和加载电机安装在固定底座上，所述变桨电机和加载电机分别通过联轴器与转矩传感器连接，所述转矩传感器与加载驱动电连接。转矩传感器可通过4-20mA模拟信号或数字信号将转速和转矩反馈至加载驱动，再由加载系统反馈至仿真PC的仿真软件里。具体的传感器型号为RWT-421-FD(300NM)-F-H-K。

进一步，还包括操作台，所述仿真PC和所述接口PLC安装在操作台上，所述操作台上还设置有人机交互窗口。

变桨测试平台主要通过仿真软件模拟风电场在不同工况下的变桨系统负载，所选载荷子集为对变桨系统要求最高的疲劳载荷和极限载荷工况来进行测试，工况涵盖具有代表性的运行条件包括正常发电、超速、电网过压、变桨系统故障、偏航等和环境条件范围包括风速、风向、风切变、空气密度等的组合，由变桨测试平台的加载系统输出包括扭矩、摩擦力矩等因素的变桨系统负载，再将该负载加载到实际风电机组的变桨系统电机上，仿真PC通过模拟风电机组主控制器的接口PLC将控制信号发送到变桨系统，同时通过转矩传感器读取变桨电机反馈值并反馈到仿真软件，从而形成闭环的变桨测试系统。

通过搭建基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，以对比和测试不同变桨系统的性能是否满足技术要求，验证主控程序中变桨控制算法与仿真程序的差异性，在现场测试无法具备的极端工况下通过实验环境来评估机组运行情况和变桨响应对机组载荷的影响。

本实用新型还提供一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台的测试方法，其包括如下步骤：

S1、分离测试：将变桨电机与联轴器脱离，保持加载电机与扭矩传感器和联轴器连接，使得变桨电机和加载电机分离，分离测试的目的是分别识别加载电机和变桨电机惯性。

S11、变桨系统阶跃测试：测试变桨电机速度和位置控制命令能否通过PLC 发送到变桨系统，变桨系统控制变桨电机能否响应正确，变桨系统测量的变桨电机的速度和位置能否通过接口PLC反馈到仿真软件，然后通过仿真软件记录变桨系统的位置以及变桨位置命令的阶跃变化，同时通过仿真软件自动识别变桨系统的通信延迟和控制命令的响应情况；变桨电机速度、位置控制命令通过接口PLC发送到变桨系统，并且变桨系统控制变桨电机响应正确，变桨系统测量的变桨电机速度、位置也能够通过接口PLC反馈到仿真软件，通过仿真软件记录变桨系统的位置及变桨位置命令的阶跃变化，同时仿真软件自动识别变桨系统的通信延迟和控制命令响应情况。

S12、变桨系统调频测试：通过仿真软件以0.1Hz至10Hz的频率范围自动调节变桨位置命令，验证变桨系统阶跃测试中仿真软件识别的变桨系统参数；

S13、加载系统转矩阶跃测试：测试加载电机速度和位置的控制信号是否能从仿真软件传递到加载PLC后传递到加载驱动器并控制加载电机的运转，加载电机能否根据控制命令正确响应，加载驱动器测量的加载电机速度、位置能否从加载PLC反馈到仿真PLC，然后通过仿真软件自动识别加载驱动的通信延迟和加载驱动的扭矩响应。加载电机速度、位置等控制信号能从仿真软件正确传递到加载PLC，然后传递到加载驱动器并控制加载电机运转，加载电机能根据控制命令正确响应，加载驱动器测量的加载电机速度、位置能够从加载PLC反馈到仿真PLC，仿真软件自动识别加载驱动的通信延迟和加载驱动器的扭矩响应。

S2、耦合测试：将变桨电机通过联轴器与加载电机连接后进行耦合测试，包括，在分离测试完成后检查检查结果并确保收集的数据有效后，再将变桨电机通过联轴器与加载电机连接后进行耦合测试。

S21、加载系统阶跃测试：仿真软件通过加载系统施加扭矩重复变桨系统阶跃测试，以识别变桨系统内的位置和速率控制器的参数，并与仿真软件模拟的变桨线性模型对比验证；以验证仿真软件模拟的变桨线性模型是否为待测变桨系统响应的近似值。

S22、恒速转矩调频测试：仿真软件控制变桨系统以恒定速度运转，通过加载系统施加正弦转矩信号进行测试，并更新加载PLC动态补偿值和仿真软件模拟的变桨系统模型，使其与实际的待测变桨系统相匹配，测试完成后分析结果以确定系统的延迟和响应；

S3、开环测试：通过仿真软件将变桨控制命令发送到待测变桨系统控制变桨电机的运转，并将扭矩命令发送到加载系统控制加载电机的运转，分别在加载PLC无补偿和激活补偿控制器的情况下，测试并比较加载系统的测量变桨角度与扭矩和仿真模型中计算的变桨角度与扭矩，并进行记录；

开环测试通过仿真软件将变桨控制命令发送到变桨系统控制变桨电机运转，并将扭矩命令发送到加载系统控制加载电机运转，但不需向仿真软件反馈变桨角度和扭矩。分别在加载PLC无补偿和激活补偿控制器的情况下，测试比较加载系统的测量变桨角度和扭矩以及仿真模型中估计的变桨角度和载荷的相似性并记录测量值，加载PLC在激活补偿控制器的情况下，加载系统测量的角度和扭矩以及仿真软件模拟的变桨系统模型中估计的角度和载荷应具有最佳的相似性。

S4、闭环测试：禁用仿真软件模拟的变桨系统模型，仿真软件将变桨命令发送到变桨系统控制变桨电机的运转，并将扭矩命令发送到加载系统控制加载电机的运转，通过加载系统将测量的转矩、角度和速率反馈到仿真软件中，并将此测试结果与开环测试结果进行比较，两个测试结果应基本一致；

S5、系统测试：仿真软件将模拟风电场的典型载荷工况通过加载系统加载到待测变桨系统上，通过接口PLC将变桨控制命令发送到待测变桨系统，仿真软件给出的变桨角度和速度与待测变桨系统实际测量的变桨角度和速度进行比较，验证其动态载荷下的控制性能和响应性能。

本平台可通过开环测试和闭环测试来验证待测变桨系统的性能，其中开环测试将根据仿真PC预定义的阶跃、正弦和包络信号通过加装系统加载到变桨电机来评估待测变桨系统的响应性能；闭环测试由仿真PC基于风力发电机组的实时仿真产生具有代表性的控制信号到模拟主控制器的接口PLC，并同时计算出代表风电机组当前变桨角度和速度的实际变桨电机转矩，将此转矩加载到被测变桨电机上来评估变桨系统性能。同时实现了在试验环境下风电机组主控程序中变桨控制算法与仿真程序的差异性验证。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于，包括：

仿真PC，用于运行仿真软件模拟风电场在不同工况下的负载；

接口PLC，用于模拟风电场主控制器并向待测变桨系统发送指令，所述仿真PC与接口PLC通讯连接；

加载系统，用于将仿真PC给出的典型风机载荷加载到待测变桨系统上，同时用于将在发电状态下的电能反馈至配电系统中；

配电系统，所述配电系统与加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC电连接，所述配电系统用于给加载系统、待测变桨系统、仿真PC和接口PLC供电以及提供电路保护。

2.根据权利要求1所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：所述加载系统包括加载PLC、加载驱动和加载电机，所述加载PLC分别与仿真PC和加载驱动连接，所述加载驱动用于控制加载电机的运转并将发电状态下的电能反馈到配电系统中，所述加载电机用于将模拟的变桨系统负载加载到变桨系统上。

3.根据权利要求2所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：所述加载驱动包括预充电模块、AFE整流回馈模块和驱动模块，所述预充电模块用于对驱动模块进行预充电，所述AFE整流回馈模块用于将配电系统供电接入到驱动模块的直流回路并将加载系统发电状态下的电脑反馈到配电系统中，所述驱动模块用于控制加载电机运转。

4.根据权利要求3所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：所述待测变桨系统包括变桨PLC、变桨驱动和变桨电机，所述变桨PLC用于接收接口PLC的控制信号并将控制信号发送至变桨驱动，所述变桨驱动用于控制变桨电机的运转。

5.根据权利要求4所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：还包括固定底座，所述变桨电机和加载电机安装在固定底座上，所述变桨电机和加载电机分别通过联轴器与转矩传感器连接，所述转矩传感器与加载驱动电连接。

6.根据权利要求1所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：还包括操作台，所述仿真PC和所述接口PLC安装在操作台上，所述操作台上还设置有人机交互窗口。

7.根据权利要求1所述的基于风电机组工况仿真的变桨测试平台，其特征在于：所述配电系统包括断路器和开关电源。

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