韓貝貝，劉 斌，吳 文

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

應(yīng)用Stateflow技術(shù)的風(fēng)電機組主控系統(tǒng)仿真

韓貝貝，劉 斌，吳 文

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了簡化風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的仿真流程，通過對風(fēng)電機組各運行狀態(tài)下控制策略的理論分析，結(jié)合Simulink/Stateflow技術(shù)的仿真原理，建立了風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的仿真模型。該模型可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)做出判斷，輸出相應(yīng)的控制信號到Simulink中，實現(xiàn)了主控系統(tǒng)在不同狀態(tài)對象間運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果表明：該模型可以根據(jù)給定的輸入數(shù)據(jù)，輸出與風(fēng)電機組控制策略相一致的控制信號，驗證了該仿真方法的有效性與合理性。

風(fēng)力發(fā)電；主控系統(tǒng)；Stateflow仿真

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的消耗日益增加，隨之造成的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。為了緩解世界能源匱乏、能源利用與環(huán)境保護之間的矛盾，世界各國都鼓勵開發(fā)新能源，如太陽能、風(fēng)能、海洋能等，并相應(yīng)地制定了一系列促進新能源發(fā)展和保護的政策。

風(fēng)能是一種安全、無污染、可再生的自然能源，對生態(tài)無破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是未來重要的清潔能源之一。它取之不盡、用之不竭，對于緩解能源匱乏問題具有非常重要的意義。近年來，隨著我國大力推廣利用新能源，特別是風(fēng)能開發(fā)利用給予了高度重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷成熟，風(fēng)電機組單機容量正朝著大功率等級發(fā)展。目前，已出現(xiàn)單機容量為3 MW左右的風(fēng)電機組，并得到廣泛使用[1]。

由于風(fēng)力發(fā)電受所處環(huán)境影響較大，其輸出功率隨溫度、風(fēng)速、季節(jié)等自然條件變化而變化，因此，如何充分利用風(fēng)能以及保障風(fēng)電機組與系統(tǒng)間的穩(wěn)定運行是風(fēng)力發(fā)電中需解決的重要問題。而風(fēng)電機組主控系統(tǒng)是解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)，也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。風(fēng)電機組主控系統(tǒng)常采用可編程控制器，但對于大規(guī)模、邏輯控制關(guān)系復(fù)雜的控制系統(tǒng)而言，該方法編程難度大，準(zhǔn)確性不高，難以滿足控制系統(tǒng)的安全性要求。因此，本文將Stateflow模塊化應(yīng)用到風(fēng)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過將狀態(tài)對象和事件的結(jié)合，來實現(xiàn)風(fēng)電機組主控系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換。

1 風(fēng)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同廠家生產(chǎn)的風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)不同。但從實現(xiàn)功能的角度，風(fēng)電機組控制系統(tǒng)包括：人機界面、主控系統(tǒng)、交流控制系統(tǒng)、變槳距控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)等，如圖1所示。主控系統(tǒng)可以連接到每個子控制系統(tǒng)，并對其進行調(diào)節(jié)，相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦”。通過人機界面可以監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)，該狀態(tài)經(jīng)過信息處理后，送至主控系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)電機組出現(xiàn)故障時，主控系統(tǒng)下發(fā)控制指令，送至底層，底層的各種控制系統(tǒng)接受操作指令，進而完成主控系統(tǒng)對風(fēng)電機組的控制，最后將其狀態(tài)和數(shù)據(jù)反饋給人機交互界面。該控制過程經(jīng)過光纖、以太網(wǎng)等通訊介質(zhì)完成[2]。

圖1 風(fēng)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structural diagram of wind turbine control system

1.2 控制策略

風(fēng)電機組中的風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，即利用風(fēng)力帶動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為輪轂上的機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。

一般風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型[3]為：

式中：Pω為風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能；

ρ為空氣密度；

AR為風(fēng)輪掃過的面積；

v為風(fēng)速；

λ為葉尖速比；

β為葉片槳距角；

cp為風(fēng)機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；

c1～c6為不同類型風(fēng)力發(fā)電機的使用系數(shù)；

λi為過程變量。

由式（1）可知，當(dāng)風(fēng)速v保持在一定值時，風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能Pω的大小取決于風(fēng)機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)cp。而cp是包含葉片槳距角β的非線性函數(shù)，故可以通過控制風(fēng)力機葉片的槳距角β來實現(xiàn)輸出功率的恒定[4-5]。

根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同，風(fēng)力發(fā)電機組從待機到發(fā)電的過程經(jīng)過若干區(qū)域。通?？蓪C組最佳運行狀態(tài)分為待機區(qū)、啟動區(qū)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)以及切除區(qū)[6]。由于各區(qū)域的作用不同，因此各區(qū)域的控制策略也不同。下面將分別介紹風(fēng)電機組不同區(qū)域的最佳運行狀態(tài)，并對其控制策略予以說明。

1）待機區(qū)。此區(qū)域內(nèi)，控制系統(tǒng)的監(jiān)測部分和執(zhí)行部分均正常工作，且保證所有監(jiān)測信號和執(zhí)行信號均處于正常狀態(tài)。

2）啟動區(qū)。當(dāng)風(fēng)速達到切入風(fēng)速時，風(fēng)電機組開始起動。此時，風(fēng)電機組的主控系統(tǒng)策略是通過改變輪轂葉片的葉尖速比，使風(fēng)電機組運行在最大的風(fēng)機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)cp處，以實現(xiàn)捕獲最大風(fēng)能。

3）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。隨著風(fēng)速的增大，機械轉(zhuǎn)矩也不斷增大，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到最大值，并保持該狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時，機組的輸出功率因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增大而增加。此時，為了風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)通過控制變槳距，實現(xiàn)輸出功率的恒定。

4）切出保護區(qū)。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，超過切出風(fēng)速時，從風(fēng)電機組穩(wěn)定安全運行的角度出發(fā)，主控系統(tǒng)將通過相應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，將風(fēng)力發(fā)電機組切出電網(wǎng)，從而實現(xiàn)安全停機。

以上不同區(qū)域運行狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達式如下：

式中：P為風(fēng)電機組的輸出功率；

Pr為風(fēng)電機組的額定功率；

vcut_in, vcut_off分別為切入風(fēng)速與切出風(fēng)速；

vr為額定風(fēng)速。

2 Stateflow仿真設(shè)計與分析

2.1 Stateflow仿真設(shè)計

在風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的設(shè)計上，大部分廠家采用PLC編程。對于大規(guī)模、控制邏輯關(guān)系復(fù)雜的控制系統(tǒng)而言，PLC編程的工作量太大。因此，本文采用Matlab/Simulink中的Stateflow圖形化設(shè)計工具來構(gòu)建風(fēng)電機組主控系統(tǒng)。Stateflow是基于有限狀態(tài)機理論的仿真環(huán)境，可通過狀態(tài)流程和事件觸發(fā)來實現(xiàn)對事件系統(tǒng)的仿真[7]。

Stateflow的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。Stateflow圖包括狀態(tài)對象（state）、轉(zhuǎn)移（transition）、事件（event）等[8-11]。系統(tǒng)的不同狀態(tài)對象在Stateflow中用圓角矩形表示。狀態(tài)對象的轉(zhuǎn)移是由事件來驅(qū)動。 Stateflow可自主判斷事件是否被觸發(fā)，從而實現(xiàn)狀態(tài)對象間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)狀態(tài)對象采集的數(shù)據(jù)達到事件觸發(fā)的要求時，事件被觸發(fā)，該狀態(tài)被激活，即實現(xiàn)狀態(tài)對象間的轉(zhuǎn)換（見圖2中的邏輯信號線）。整個狀態(tài)轉(zhuǎn)換的仿真過程可以直觀地通過Stateflow中的Chart模塊觀察。當(dāng)仿真出現(xiàn)錯誤時，可以直觀地進行調(diào)試。

圖2 Stateflow的基本結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Basic structure of Stateflow

本文將風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)置為待機（hold）、暫停（stop）、運行（working）、急停（parking）4種狀態(tài)對象。系統(tǒng)狀態(tài)對象間的轉(zhuǎn)換過程如下圖3所示。

圖3 風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的運行狀態(tài)圖Fig. 3 The operating state diagram of wind turbine master control system

圖3中，實現(xiàn)各狀態(tài)對象間轉(zhuǎn)換的事件因素為風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速。因此定義風(fēng)速v事件的條件為：

式（3）～（6）中：切入風(fēng)速vcut_in為5 m·s-1；額定風(fēng)速vr為15 m·s-1；切出風(fēng)速 vcut_off為20 m·s-1。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速v′事件的條件為

當(dāng)風(fēng)速達到切出風(fēng)速時，由于受到機械強度、設(shè)計等條件的約束，主控系統(tǒng)會自動切出風(fēng)力發(fā)電機，故未設(shè)置發(fā)電機的切出轉(zhuǎn)速。

2.2 仿真分析

根據(jù)以上分析，構(gòu)建如圖4所示的風(fēng)電機組主控系統(tǒng)仿真模型。

圖4 風(fēng)電機組主控系統(tǒng)仿真模型Fig. 4 The simulation model of wind turbine master control system

仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下：

1）輸入信號。風(fēng)速v的最大值為25 m·s-1，最小值為0 m·s-1；發(fā)電機轉(zhuǎn)速v′的最大值3 500 r·min-1，最小值為0 r·min-1。

2）輸出信號。模型的輸出信號為風(fēng)電機組的狀態(tài)、風(fēng)速與機組并聯(lián)情況、風(fēng)速與機組運行情況、風(fēng)電機組輸出功率情況。

3）仿真時間。仿真時間設(shè)置為10 s。

仿真輸出信號的波形如圖5～8所示。

圖5為風(fēng)電機組的狀態(tài)圖。由圖可知，在2.6 s之前，風(fēng)電機組默認(rèn)處于待機狀態(tài)，輸出其運行狀態(tài)值0；在2.6 s時，風(fēng)速大于切入風(fēng)速，風(fēng)速切入事件被觸發(fā)，但由于發(fā)電機轉(zhuǎn)速事件未觸發(fā)，故此時風(fēng)電機組由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)為暫停狀態(tài)，輸出其運行狀態(tài)值1；由于風(fēng)速繼續(xù)增大，輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩不斷增加，同時帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也逐漸增加，在3.6 s時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到其切入轉(zhuǎn)速，該事件被觸發(fā)，風(fēng)電機組由暫停狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作運行狀態(tài)，輸出其運行狀態(tài)值2；發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的增大而增加，為了發(fā)電機組的安全運行，當(dāng)風(fēng)速切出事件被觸發(fā)時，系統(tǒng)自動切出，發(fā)電機組由工作運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為急停狀態(tài)，在5.8 s時，輸出其運行狀態(tài)值3。

圖6為風(fēng)速與機組并聯(lián)情況。由圖可知，當(dāng)風(fēng)速小于切入速度或者風(fēng)速大于切出速度時，風(fēng)電機組處于待機或急停狀態(tài)；只有當(dāng)風(fēng)電機組的風(fēng)速介于風(fēng)速的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時，風(fēng)速與機組才可以并聯(lián)，通過風(fēng)能帶動風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加；當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到切入轉(zhuǎn)速后，風(fēng)電機組開始輸出功率。

圖7為風(fēng)電機組風(fēng)速與機組運行情況。由圖可知，當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，風(fēng)電機組處于待機狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到切入轉(zhuǎn)速且風(fēng)速小于切出風(fēng)速時，風(fēng)電機組運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)開始對外輸出功率；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，在系統(tǒng)保護機制的作用下，風(fēng)電機組進入急停狀態(tài)，但風(fēng)電機組在進入急停狀態(tài)時，發(fā)電機不能立即實現(xiàn)停轉(zhuǎn)，所以在風(fēng)速達到切出速度后，風(fēng)電機組的風(fēng)速與機組運行有部分時間的延遲。

圖8為風(fēng)電機組發(fā)電狀況。由圖可知，只有當(dāng)風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速均在適合區(qū)域時，風(fēng)電機組才能發(fā)電輸出功率。

由圖5～8可以看出風(fēng)電機組各運行狀態(tài)之間的關(guān)系。相對于人工編程為主的PLC控制系統(tǒng)，運用Stateflow圖形化工具來建模仿真更加直觀、簡便。

圖5 風(fēng)電機組的狀態(tài)圖Fig. 5 The state diagram of wind turbine

圖6 風(fēng)速與機組并聯(lián)情況（并聯(lián)：1）Fig.6 The parallel situation of wind speed and wind turbine（parallel：1）

圖7 風(fēng)速與機組運行情況（運行：1）Fig. 7 The operating situation of wind speed and wind turbine（working：1）

圖8 風(fēng)電機組發(fā)電狀況（發(fā)電：1）Fig. 8 The power generation of wind turbine（output：1）

3 結(jié)語

本文基于 Matlab/Simulink仿真平臺，運用Stateflow圖形化工具建立風(fēng)電機組主控系統(tǒng)仿真模型。該模型包含4種簡單的狀態(tài)對象，將風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)對象轉(zhuǎn)換事件。仿真結(jié)果表明風(fēng)電機組主控系統(tǒng)可根據(jù)事件自主選擇運行方式。這說明Stateflow模塊能夠更簡便、快捷地對系統(tǒng)進行建模仿真。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

Simulation of Master Control System of Wind Turbine Generator with Stateflow Technology

Han Beibei，Liu Bin，Wu Wen
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China )

In order to simplify the simulation process of wind turbine master control system, the simulation model of control system was established with Simulink/Stateflow technology based on the theoretical analysis of control strategy of the operating state of the wind turbine. The model can make a judgment according to the input data, output control signals into Simulink and achieve the master control system operating state transformation among the different states. Simulation shows that with given input data, the model output control signals consistent with those of wind turbine control strategy, and verifies the effectiveness and reasonableness of the simulation method.

wind power generation ；master control system ；Stateflow simulation

TM614

A

1673-9833(2015)03-0041-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.008

2015-03-06

韓貝貝（1989-），男，河南洛陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為電力網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)及其應(yīng)用，E-mail：1181292438@qq.com