基于PLC的硬件在環(huán)系統(tǒng)在風(fēng)電機組仿真中的應(yīng)用*

文 | 張雪松，紀(jì)國瑞，朱蓮，王一婧

基于PLC的硬件在環(huán)系統(tǒng)在風(fēng)電機組仿真中的應(yīng)用*

文 | 張雪松，紀(jì)國瑞，朱蓮，王一婧

風(fēng)電機組主要功能是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能，轉(zhuǎn)子的動能又轉(zhuǎn)化成電能實現(xiàn)發(fā)電。隨著全球?qū)︼L(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力投入，大功率風(fēng)電機組發(fā)展越來越快，2MW、3MW已成現(xiàn)役主力機型，遠景5MW、國電聯(lián)合動力6MW、西門子7MW樣機都已完成吊裝或并網(wǎng)。隨著風(fēng)電機組的快速發(fā)展，其部件及控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，從而也增加了設(shè)計和調(diào)試上的難度。因此對于大功率風(fēng)電機組仿真平臺建設(shè)的需求越來越強烈。

硬件在環(huán)最初主要用于避免直接建立不確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對許多復(fù)雜的、時變的、強非線性的系統(tǒng)來說，建立其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，尤其是動態(tài)模型。因此提出一種將系統(tǒng)硬件嵌入到仿真系統(tǒng)中，用真實的可編程邏輯控制器代替模型，而其它部分則采用數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)。這樣能準(zhǔn)確模擬風(fēng)電機組控制系統(tǒng)及各部件的運行情況。

本文把硬件在環(huán)系統(tǒng)引入風(fēng)電機組仿真，搭建聯(lián)合動力2MW雙饋風(fēng)電機組硬件在環(huán)仿真平臺（以下簡稱風(fēng)電機組仿真平臺）。

目標(biāo)

風(fēng)電機組仿真平臺設(shè)計目標(biāo)如下：

（一）構(gòu)建以風(fēng)電機組總體設(shè)計平臺為核心的風(fēng)電機組仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿風(fēng)電機組參數(shù)選擇、總體設(shè)計、詳細設(shè)計整個過程，包括風(fēng)電機組性能分析、載荷計算、結(jié)構(gòu)強度分析模塊。

（二）建立風(fēng)電機組控制系統(tǒng)半物理仿真系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中控制器及相關(guān)的通信為實物，而風(fēng)電機組其他部件通過建立模型代替。

（三）建立風(fēng)電機組運行仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有風(fēng)能特性仿真和風(fēng)電機組仿真的功能。

（四）實現(xiàn)仿真平臺執(zhí)行周期（10毫秒）與風(fēng)電機組實際控制系統(tǒng)運行一致。

風(fēng)電機組仿真平臺

從功能角度看風(fēng)電機組仿真平臺分為兩部分：一是硬件和用來滿足模型計算的相關(guān)軟件即仿真系統(tǒng)，它能夠計算出風(fēng)電機組對PLC所發(fā)出指令的響應(yīng)；二是用來為PLC建立正確連接的數(shù)據(jù)通訊接口，將模型計算結(jié)果，如風(fēng)速、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等反饋給PLC。為了能反映風(fēng)電機組真實運行情況，因此需要快速的數(shù)據(jù)交換接口。風(fēng)電機組仿真平臺主要由運行仿真系統(tǒng)的計算機和運行風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的PLC組成（如圖1），以及擴展到變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)等。該平臺將風(fēng)電機組主控程序運行于Bachmann MPC240控制器，通過建立風(fēng)電機組模型，開發(fā)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)風(fēng)電機組模型和主控數(shù)據(jù)交互形成閉環(huán)控制，完成風(fēng)電機組仿真。

仿真系統(tǒng)包括描述風(fēng)電機組信息的虛擬風(fēng)電機組模型、描述風(fēng)速風(fēng)向信息的風(fēng)況模型、數(shù)據(jù)通信接口以及加載并運行以上模型的仿真主系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2。

一、虛擬風(fēng)電機組模型

虛擬風(fēng)電機組模型（如圖3）通過使用FAST（Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence）搭建一個虛擬風(fēng)電機組，該模型包含葉片、塔筒、齒箱、發(fā)電機、偏航及變流器等部件。FAST由美國可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)的一個復(fù)雜氣彈仿真器，具備計算風(fēng)電機組的極限載荷和疲勞載荷，同時具有與GH Bladed仿真模型數(shù)據(jù)接口。2005年FAST通過德國勞氏認證，適合為設(shè)計和認證陸上風(fēng)電機組計算載荷。FAST使用與凱恩動力學(xué)組合模型方法建立運動方程，并使用自由度較少的模態(tài)的方法來描述風(fēng)電機組動力學(xué)中最重要的部分，因此運行速度快。仿真系統(tǒng)還可能包括其它外圍設(shè)備的模型，如變流器和變槳等模型以盡可能真實地反映風(fēng)電機組系統(tǒng)。

本文介紹一下虛擬風(fēng)電機組模型及參數(shù)，塔筒模型包括底部直徑、頂部直徑、輪轂高度、塔筒質(zhì)量、有效的塔頂?shù)呐まD(zhuǎn)剛度及基礎(chǔ)環(huán)等相關(guān)參數(shù)。葉片模型包括葉片數(shù)、葉片長度、葉尖速比、葉輪直徑、攻角、升力系數(shù)、阻力系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。傳動鏈模型包括傳動鏈，主要是由風(fēng)輪轉(zhuǎn)子、低速軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成，發(fā)電機在此處我們單獨建模。發(fā)電機模型包括電網(wǎng)頻率、額定功率、并網(wǎng)轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、機械損耗、電損耗等相關(guān)參數(shù)。變流器模型包括并網(wǎng)轉(zhuǎn)速、并網(wǎng)開關(guān)、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)。變槳模型包括葉片個數(shù)、變槳速率、槳距角、槳距角最大最小限位等相關(guān)參數(shù)。

二、風(fēng)況模型

風(fēng)是自然界的產(chǎn)物，人們目前還無法對其進行有效的控制，但風(fēng)速變化和分布是有一定規(guī)律可循的，Weibull分布是通過常年的風(fēng)速預(yù)測，取600s的風(fēng)速平均值進行研究，用該平均值來估計預(yù)測風(fēng)能資源。

風(fēng)況模型為風(fēng)電機組提供實時風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。文中通過使用AeroDyn搭建起來的風(fēng)能資源仿真接口，AeroDyn即空氣動力載荷，由美國NREL提供的空氣動力載荷算法，在航空、航天、風(fēng)電機組領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。主要使用Wind模塊設(shè)計風(fēng)況，包括風(fēng)速、風(fēng)向、持續(xù)時間、空氣密度等參數(shù)，然后通過AeroDyn接口與FAST進行數(shù)據(jù)交互。

三、數(shù)據(jù)通信接口

數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)仿真系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互。一方面將虛擬風(fēng)電機組模型和風(fēng)況模型產(chǎn)生的運行數(shù)據(jù)從PC傳輸?shù)絇LC中運行的控制系統(tǒng)中；另一方面將控制系統(tǒng)控制參數(shù)從PLC傳回到PC。該接口使用visual studio 2008和巴合曼控制器提供的M1com動態(tài)鏈接庫開發(fā)，其滿足數(shù)據(jù)高速準(zhǔn)確交互的要求，能實現(xiàn)和主控系統(tǒng)同周期（10毫秒）數(shù)據(jù)交互。

四、仿真主系統(tǒng)

仿真主系統(tǒng)是風(fēng)電機組仿真平臺執(zhí)行主流程。該系統(tǒng)使用visual studio 2008開發(fā)，主要完成模型和通信接口加載任務(wù)，實時讀取模型運行數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制系統(tǒng)以及接受控制系統(tǒng)參數(shù)并寫入到運行的模型。其主要流程，首先，啟動仿真主系統(tǒng)加載風(fēng)況模型和風(fēng)電機組模型；其次，通過風(fēng)況模型生成風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入給風(fēng)電機組模型模擬風(fēng)電機組運行；然后，仿真主程序?qū)L(fēng)況數(shù)據(jù)和風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送給PLC中運行的主控系統(tǒng)；最后，主控系統(tǒng)將控制參數(shù)再傳給風(fēng)電機組模型，從而形成閉環(huán)控制（如圖5）。如果我們要進行帶部件的仿真時，可以將風(fēng)電機組模型中變槳、變流器等軟件模型屏蔽，而將變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)通過profbus或canopen等通信方式與主控系統(tǒng)相連。

仿真

一、功能

通過運行硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（圖6），模擬風(fēng)電機組運行，對風(fēng)電機組控制系統(tǒng)進行測試。該平臺主要實現(xiàn)以下功能：

1.風(fēng)電機組正常工況仿真，按IEC61400－1設(shè)計正常風(fēng)況，即風(fēng)速界與切入和切出之間，檢驗風(fēng)電機組在該風(fēng)況下能否正常運行，并完成待機－啟機－并網(wǎng)－停機等過程。

2.特殊工況和復(fù)雜風(fēng)況仿真，如50年一遇大風(fēng)或山地湍流風(fēng)等實際測試中不易遇到的風(fēng)況，驗證此風(fēng)況下風(fēng)電機組運行及響應(yīng)是否與控制系統(tǒng)設(shè)計一致。

3.主控算法與邏輯驗證，驗證轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速功率等曲線是否吻合，轉(zhuǎn)速與開收槳動作以及部件啟停邏輯是否滿足設(shè)計要求。

4.風(fēng)電場故障復(fù)現(xiàn)，將風(fēng)電場實際采集數(shù)據(jù)輸入到風(fēng)況模塊，調(diào)整虛擬風(fēng)電機組模型盡量與實際發(fā)生故障時一致。仿真風(fēng)電機組在風(fēng)電場中的運行，從而復(fù)現(xiàn)出風(fēng)電機組的故障，為故障解決及控制優(yōu)化提供方案。

5.部件的聯(lián)調(diào)仿真，通過用變槳變流器等大部件或其控制板卡替代虛擬風(fēng)電機組模型中的相關(guān)部件，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與真實部件聯(lián)動測試，如測試變槳變流器能否跟隨控制系統(tǒng)指令動作。

二、實驗

以下針對國電聯(lián)合動力2MW雙饋風(fēng)電機組，使用仿真測試平臺仿真正常工況下風(fēng)電機組的待機、啟機、并網(wǎng)、停機完整過程。設(shè)計風(fēng)況為：

1(10s)－4(110s)－6(140s)－8(20s)－4(60s)－6(60s)－8(60s)－10(60s)－12(60s)－14(60s)－16(60s)－18(60s)－20(60s)－22(60s)－24(60s)－26(60s)－28(60s)－30(60s)－32(60s)－34(60s)，其中1代表1m/s，表示風(fēng)速，（10s）表示持續(xù)時間。

我們針對小風(fēng)和大風(fēng)分別完成啟機、并網(wǎng)、停機等相關(guān)操作并錄制風(fēng)電機組運行相關(guān)參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)通過Matlab繪制圖形如圖7、圖8所示。

結(jié)語

本文根據(jù)PLC的優(yōu)勢，結(jié)合HILS的軟硬件要求，首先，提出把PLC引入到HILS中，實現(xiàn)風(fēng)電機組實時仿真；其次，采用先進的數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)毫秒級的仿真，真實模擬風(fēng)電機組主控程序的實際運行；然后，設(shè)計特殊工況；最后，通過與大部件聯(lián)調(diào)實現(xiàn)了風(fēng)電機組全實物仿真。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)的有效性，同時該系統(tǒng)具有實時性好、易于擴展等優(yōu)點。

（作者單位：國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司）

* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）基金項目（2012AA051303）