鄭衛(wèi)紅，王艷領，李賀來，陳亮亮，李晨

（許昌許繼風電科技有限公司河南許昌461000）

風力發(fā)電機組[1]主控系統(tǒng)[2]是風電機組的核心控制單元，協(xié)調(diào)控制變流系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)矩控制、槳距控制來實現(xiàn)風電機組最大功率跟蹤和恒功率運行，也用于執(zhí)行風電機組的故障檢測與安全保護[3]，風機主控系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能優(yōu)劣直接影響風電機組的發(fā)電效率和使用壽命，因此，為了保障風機主控系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量，在廠內(nèi)就對其進行全面的運行測試，防止問題流出，就顯得尤為重要。

本文所述的風電機組主控測試系統(tǒng)是針對大型風機主控系統(tǒng)的室內(nèi)試驗進行的開發(fā)設計，主控系統(tǒng)實物是被檢測對象。在主控系統(tǒng)設計開發(fā)的過程中，遇到的最大難題是無法模擬真實的現(xiàn)場風況、無法測試核心控制算法、無法準確分析工況對風電機組運行的影響，風機主控測試系統(tǒng)[4]可以同時高逼真度仿真實際的風況、傳動鏈、發(fā)電機、變流器、變槳系統(tǒng)、電網(wǎng)等，使風機主控系統(tǒng)在實驗室就能滿足在風場做試驗所需的一切必要條件。

1　主控系統(tǒng)構(gòu)成

以常規(guī)2.0MW風電機組主控系統(tǒng)為例，主控系統(tǒng)主要包含塔基柜和機艙柜，塔基柜安裝于風機塔筒底部一級平臺上，機艙柜安裝于風機機艙內(nèi)部，塔基柜和機艙柜之間通過光纖實現(xiàn)通信連接，機艙柜通過現(xiàn)場總線（例如CAN總線）和風機輪轂內(nèi)的變槳控制系統(tǒng)[5]進行通信連接，塔基柜通過現(xiàn)場總線和變頻系統(tǒng)進行通信連接。

風機主控系統(tǒng)主要有PLC（可編程控制器）、通信網(wǎng)絡、安全保護、輔助部件控制、信號采集、防雷及過流保護等部件及相關回路組成。主控系統(tǒng)與外圍設備關系示意圖如圖1所示。

圖1　主控系統(tǒng)與外圍設備關系示意圖

PLC（可編程控制器）是風機主控系統(tǒng)的核心控制部件，集各項通信、控制、信號采集等功能于一體，由PLC中央控制器及其它功能擴展模塊組成，用于實現(xiàn)風電機組正常運行控制、機組的安全保護、故障檢測及處理、運行參數(shù)的設計、數(shù)據(jù)記錄顯示及人工操作，配備有多種通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)就地通信和遠程通信。主控系統(tǒng)主要功能分類如圖2所示。

圖2　主控系統(tǒng)主要功能分類

風電機組運行中，不同階段采用不同的最優(yōu)控制策略。當風速低于額定風速時，通過轉(zhuǎn)矩控制使機組盡可能保持在最佳的葉尖速比[6]，跟蹤最優(yōu)Cp，以最大化吸收風能。隨著風速逐步增大，當達到額定風速以上后，風電機組轉(zhuǎn)速、功率達到設計的額定值，風電機組通過變槳控制來限值功率的輸出，確保風電機組的轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速，并輸出恒定的額定功率[7]。

2　主控測試系統(tǒng)整體設計

新開發(fā)的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)產(chǎn)品尤其是主控系統(tǒng)必須經(jīng)過全面的工況測試，從而驗證主控系統(tǒng)的控制邏輯、核心控制算法等技術內(nèi)容是否能有效降低機組載荷、提高機組發(fā)電量等[8]。

如下表1所示幾種主控系統(tǒng)測試方案，可以看到這幾種控制系統(tǒng)測試方案功能都比較片面，不能滿足全面的測試需求。

表1　傳統(tǒng)的主控系統(tǒng)測試方案

基于上述測試方案，總結(jié)出最佳的主控系統(tǒng)測試方案應該全面涉及到載荷、響應、算法、狀態(tài)等重要內(nèi)容的檢測[9]，把這些測試內(nèi)容有機融合到控制系統(tǒng)的測試中。基于此，研究和實現(xiàn)了風機主控測試系統(tǒng)，有效的解決了在風機主控系統(tǒng)開發(fā)的過程中遇到的無法模擬真實的風況對主控系統(tǒng)核心控制算法進行全面的詳細的測試、無法準確分析工況對機組運行的影響等難題。主控測試系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

風機主控測試系統(tǒng)可以同時高逼真度仿真實際的風況、傳動鏈、發(fā)電機、變流器、變槳系統(tǒng)、電網(wǎng)等系統(tǒng)的工作狀態(tài)，輸出真實的溫度、壓力、編碼器、塔架振動、開關量等信號，使主控系統(tǒng)在實驗室就能滿足在風場做試驗所需的一切必要條件，如同在實驗室就擁有一臺運行的風力發(fā)電機，可全面測試控制系統(tǒng)軟硬件性能和功能。

風機主控測試系統(tǒng)物理連接示意圖如圖4所示。

圖3　風機主控測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4　主控測試系統(tǒng)物理連接示意圖

風電機組主控測試系統(tǒng)由物理實物（系統(tǒng)硬件）、仿真及邏輯控制程序（系統(tǒng)軟件）和被測對象（主控系統(tǒng)）有機結(jié)合組成。系統(tǒng)硬件主要由控制單元（PLC控制器及相關輔助部件）、信號模擬裝置（主要包括風速信號、風向信號、溫度信號、脈沖信號及其它數(shù)字量和模擬量信號等）、上位機（電腦工作站：用于操作界面的顯示和仿真模型的建立）、各種通信網(wǎng)絡等組成；系統(tǒng)軟件主要由仿真模型和邏輯控制模塊組成。

3　測試系統(tǒng)工作過程

3.1　Bladed軟件仿真

仿真試驗系統(tǒng)的核心是GH公司的Bladed軟件，Bladed軟件相當于一個風力發(fā)電機組，通過在仿真計算機（電腦工作站）中運行的Bladed軟件，仿真試驗系統(tǒng)建立風模型輸出模擬風速和風向[10]；建立風機傳動鏈仿真模型輸出發(fā)電機和風輪轉(zhuǎn)速[11]；建立電網(wǎng)模型輸出有功和無功功率[12]；仿真計算機通過以太網(wǎng)將上面的數(shù)據(jù)傳輸給仿真系統(tǒng)PLC，仿真系統(tǒng)PLC把數(shù)據(jù)通過AO通道、485通信傳給風機主控系統(tǒng)。如圖5所示為仿真實驗Bladed模型。

圖5　主控測試系統(tǒng)Bladed模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.2　數(shù)字量和模擬量仿真

主控測試系統(tǒng)的主要作用是給主控系統(tǒng)運行提供必要信號和命令，Bladed軟件提供了風機運行的基本工況和仿真模型，仿真試驗柜模擬各種數(shù)字信號、脈沖信號和溫度、壓力等模擬量信號，測試人員通過專用測試軟件修改數(shù)字信號、脈沖信號和模擬信號（溫度、壓力等）的值，專用測試軟件通過以太網(wǎng)將修改后的數(shù)值傳輸給仿真系統(tǒng)PLC，仿真系統(tǒng)PLC由DO、AO、溫度信號模擬器、脈沖信號發(fā)生器輸出真實的信號傳輸給主控系統(tǒng)。通過這種方式仿真試驗系統(tǒng)可以滿足主控系統(tǒng)運行所需要的DI、AI和AT等輸入數(shù)據(jù)。

3.3　仿真變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)

測試系統(tǒng)中的Bladed軟件可以實時模擬變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過CANopen通信協(xié)議與測試系統(tǒng)PLC進行數(shù)據(jù)交互。測試系統(tǒng)PLC通過以太網(wǎng)與Bladed軟件進行數(shù)據(jù)交互。Bladed軟件模擬風機實時運行，產(chǎn)生必要的信號輸出至主控系統(tǒng)，并接受主控的控制命令完成仿真運行測試過程。

4　仿真模型設計

風機主控仿真試驗系統(tǒng)建模設計[13]圖如圖6所示。

模型建模主要是為槳距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器建模和傳動鏈仿真服務[14]。槳距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器在設計時和風模型有關的因素主要是：控制器在風速快速變化時的響應速度、控制器在風速交替變化時控制器轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性、機組安全控制、結(jié)合具體項目特性設計控制器參數(shù)[15]?；谏鲜鲈蚝秃喕ＤＰ停▽φ麄€風電機組模型進行簡化，傳動系統(tǒng)和發(fā)電機由簡化為剛性模型來代替），建模時忽略在風輪不同點風速的差異，考慮陣風、湍流[16]、塔影效應和旋轉(zhuǎn)渦流的影響。

圖6　仿真測試系統(tǒng)建模設計圖

5　測試項目及測試結(jié)果

如表2所示為主控測試系統(tǒng)的主要測試項目。

表2　主控測試系統(tǒng)的主要測試項目

其中，以不同工況載荷性能測試項目為例進行說明。不同工況載荷性能測試主要驗證在不同工況情況下發(fā)電機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機功率是否滿足要求，是否能長期無故障帶載運行。仿真測試結(jié)果如圖7所示，實際運行波形如圖8所示。

圖7　仿真測試結(jié)果

圖8　實際運行波形

根據(jù)以上仿真試驗結(jié)果，可以觀察和分析風機在不同工況情況下運行時的主控系統(tǒng)控制能力。

6　結(jié) 論

風機主控測試系統(tǒng)全面服務于風力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的開發(fā)、測試與產(chǎn)品優(yōu)化等工作，可以全面測試主控系統(tǒng)。

應用風電主控測試系統(tǒng)貫穿整個研發(fā)、測試及運行過程的優(yōu)勢：

1）再現(xiàn)在風場發(fā)現(xiàn)的問題，從而可以在實驗室解決現(xiàn)場問題，降低風險；

2）全面測試軟硬件功能，核心控制算法等，確保設計的合理性；

3）在工廠即可完成產(chǎn)品升級；

4）研發(fā)周期縮短30%。

參考文獻：