兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备研制

石 琼

(湖南电气职业技术学院 电气工程系，湘潭 411101)

兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备研制

石 琼

(湖南电气职业技术学院 电气工程系，湘潭 411101)

以企业的2 MW直驱风力发电机组为原型，研制一种学生、企业可用的兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备.阐述了该装备的设计思路、总体构成、关键技术.该装备采用软硬件相结合的方式实现，设计了风力发电机组的安装、调试、维护、运行、监测等功能，可以为学校学生实践教学、企业员工培训、调试员预调试程序等工程提供一个良好的平台.

直驱风力发电机组；3D仿真；实训装置； 序调试

风力发电在“十二五”期间的迅猛发展，装机量在“十三五”期间将继续上升，并将催生出巨大的风力发电运行与维护市场.

对于风力发电机生产企业而言，在风力发电机的生产过程中，需要对生产的产品进行企业内初步调试和现场安装调试.这样一是为了检验控制程序的正确性，二是为了检验产品的各部件是否可以正常工作.目前，这些调试过程都要等到风力发电机组件起来后才能验证，如果设计有错误或者有缺陷，将需要拆除重新生产或吊装，其花费的人力、物力和财力将是巨大的.因此对开发人员来说，三维动态仿真系统的建立，可以减少风机设计中的缺陷，通过仿真系统，可以提高开发人员的设计准确度，同时可以减少风力发电机组现场验证的时间.对于安装与维护人员来说，由于三维动态仿真系统是基于实际的风力发电机组建立的，通过该系统，可以使风机维护人员最快地了解直驱风力发电机组的安装、调试原理，可以大大节省企业培训员工的时间，提高培训效率.

对于高校而言，诸多高校开设了风力发电相关专业，为风力发电输送了大量专业人才.这些高校都建立了硬件仿真为主的风电实训基地，具备了较强的办学能力.但是这些实训设备也存在不足：

(1)整体性功能过强，导致学生在实训过程中可以看到整体的功能，看不到细节；

(2)纯硬件设备成本高昂，工位扩展困难；

(3)纯软件设备真实感不够强，在设备的调试与控制方面存在缺失；

(4)直接面向我校学生主要就业企业产品的设备略显不足.

因此，为了使办学更好地对接产业、面向行业，更适用于“你教我导”、“理实一体”风电专业教学，拟依托最先进的信息技术与电子技术，依托湘电集团湘电风能公司、动能公司等风电专业相关的专家、技术骨干，结合目前职业教育的特点，融合行业、企业、学校、社会等多方资源，以现有实训条件为基础，校企共同研究出兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备是有必要的.

1 风力发电机仿真与实训平台研究现状

(1)风力发电机理论仿真研究现状

目前，高校、研究机构、企业针对风力发电机的仿真研究成果比较多，但是这些成果都是对某种机型或产品、具体某结构进行生产前的理论设计研究，一般都是采用建立数学模型、MATLAB对数学模型进行仿真的研究思路，如文献[1-5]所述.这些研究对于风力发电机组设计的初期具有重大意义，可以帮助设计者从理论上快速验证其设计的风力发电机组是否符合设计要求，但是对于风电机组投入生产后程序员调试部件或整机的控制程序，对于企业安装、调试、运维员工的培训工作等的帮助是微乎其微的.

(2)风力发电机实训装置研究现状

目前，国内从事风力发电设备教学设备研究的企业不下二十家，它们研发的产品同一性比较强，主要有风光互补成套教学设备、小型风力发电实训设备、大型双馈风力发电实训系统、直驱风力发电整机实训系统等几大类.这类实训设备距离风电企业生产的风力发电机在结构上、原理上有一定的差距，不适合企业用于员工的培训.因此，目前这些教学仪器主要用于高校风力发电实践课程教学上，但是由于该类产品几乎为纯硬件式教学仪器，产品成本居高不下，在一定程度上限制了高校，特别是高职类院校引入该类设备的决心和扩大风电类实训室的规模，不利于“理实一体”风电专业教学工作的开展.

(3)风力发电机软件仿真系统研究现状

目前，对于风力发电整机进行运行与维护仿真的软件设计商还不是很多，其中以中国电力研究院研究的产品“双馈风力发电运维仿真系统”、“双馈风力发电机安装多媒体培训软件”、“双馈风力发电机运维多媒体培训软件”比较典型.这类产品由于采用纯软件设计，产品成本较低，工位扩展比较容易，工作任务主要集中在对整机的运行与维护的仿真，对于微观结构的运行、姿态、机器参数的反馈、控制程序的调试等方面存在不足，甚至是缺失，且在多种机型的可扩充方面没有做考虑，因此，该类产品不能满足企业科研人员控制程序预调试的需求，也不能满足企业对员工在风力发电的安装、调试、运维等培训工作的需求.

2 研究目标和内容

2.1 研究目标

以湘电风能生产的2 MW直驱式风力发电机为研究对象，采用软硬件结合的方式，研发出一套兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备，为风电企业科研人员展开科研、风电企业进行员工培训、高校风电实训教学等提供一个真实感很强、价格低廉的完全面向行业、对接产业的工作平台.系统将设计风力发电机组的安装、风力发电机组的调试、风力发电机组的运行、风力发电机组的维护等功能，将覆盖风力发电制造与运维的所有工作岗位和工作过程.

2.2 研究总体方案设计

根据研究目标和预期培训项目目标，设计了兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备的总体设计图如图1所示.

图1 总体设计方图

其中气象站(风向、风速、温度)把气象参数的变化转换成电压信号传给核心控制器，控制器PLC根据输入信号判断风机将要执行的动作，并输出相应的控制量去控制相关部件执行动作；PLC输出的控制信号经模拟驱动器转换成符合控制协议的控制数据流，控制上位机风机三维仿真模块作出相应动作；在上位机界面中设计了三维导航功能、三维动画显示功能、电气控制原理flash功能、风力发电机状态监测功能.在风机运行过程中，上位机把风力发电机的状态信息按照状态协议的数据格式传送给模拟传感器；模拟传感器将风机状态数据以符合真实风机相应状态监测传感器的数据格式反馈给控制器PLC，实现对风机状态的实时闭环自动控制仿真.系统中的气象站、控制器、模拟驱动器、模拟传感器采用实物和硬件实现，底层协议和上位机界面软件采用软件实现.

2.3 具体研究方法与实现

本项目研究的主要内容包括风机模块三维动画研究、模拟控制柜研究、模拟传感器研究、气象站选型、上位机软件研究与协议研究.

(1)气象站与控制器选型

气象站由风向传感器、风速传感器、温度传感器组成，均采用实物实现，一般选择与需要仿真的机型参数一致的传感器，保证了采集的数据符合风机的真实情况.控制器PLC采用弹性设计，用于企业的平台要求选用真实风力发电机组控制柜中的控制器，使企业的风机控制程序能够无缝移植入平台，确保调试、运维功能的实现；用于教学的平台，控制器采用S-300的实物实现.

(2)模拟驱动器与传感器设计

模拟驱动器与模拟传感器采用硬件实现，具体设计的电路结构图参见图2.模拟驱动器与模拟传感器核心控制器采用TSM32103F实现，在处理器中嵌入μC/OS-II操作系统，主要实现风电机组控制器(PLC)和执行机构(风电机组3D仿真平台软件)之间的数据转换.PLC发出的控制命名经过TLP521光电隔离电路实现电压匹配，通过I/O口扩展模块进入核心控制器，系统一共设计了64个控制命令通道，可以灵活配置适应多种机型的使用.软硬件采用USB虚拟串口实现，具体是通过控制器的RX/TX接口，采用PL2303实现RS232-USB转换.模拟传感器包括共设计了一下几个传感器模块：16路开关模拟传感器输出、16路数字可调电阻模拟传感器输出、32路脉冲模拟传感器输出、32路0～5 V或0～10 V电压模拟传感器输出、32路4～20 mA电流模拟传感器输出.

图2 模拟驱动器与模拟传感器电路结构图

(3)上位机软件及3D模块设计

电气控制flash是采用flash工具绘制的风力发电机组各电气控制部分的电气原理图，可以通过动画演示的方式，动态显示当前风机某部分的电气运行过程和故障点.三维动画模块主要由偏航系统、变桨系统、主轴、直驱式发电机、塔筒等子系统组成.通讯协议软件包括控制协议层软件、状态协议层软件，采用ModBus协议实现.三维模块导航子界面采用树形结构设计，便于迅速导航到用户需要关注的风机的某功能模块.模拟装配好的机舱、轮毂等的3D仿真如图3所示.

3 培训内容与项目开发

利用自主研发的兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备，我们联合风电行业企业的专家，通过对直驱风电机组的生产、安装、调试、检测、维护等主要职业岗位进行分析，归纳出包括风电机组车间装配、风电机组风电场装配、风电机组车间调试等内涵的行动领域，以此为依据，校企协作，选择典型的企业产品或工作过程作为实训项目的载体，共同开发了包括电气控制技能训练、电气安装技能训练、机械安装技能训练等学习领域的实训架构，并开发了如机舱车间装配学习领域的偏航轴承安装、机舱制动盘安装等技能实训项目，并编写了相应的实训指导书.

图3 风电机组主要零部件3D装配效果图

4 结语

兆瓦级直驱风力发电机组3D仿真培训装备的建成，为风力发电机组安装、调试、维护等实践教学增添了新的教学实验项目和设备，为风电方向的学生提供了新的工程实践手段，也为企业提供了一个良好的员工培训平台.该培训装置具有以下创新点和特点：

(1)创新了软硬件结合的仿真新模式.打破了原有纯硬件或纯软件仿真的风电类工作平台的思路，创新性的采用软硬件结合的方式，使仿真平台具有部件调试功能、控制程序系统测试功能；

(2)以三维立体动态的方式全方位、直观的实现风力发电机的调试、联调等领域的仿真；

(3)直接对接行业，面向企业，以兆瓦级直驱式风力发电机作为仿真平台的对象.

(4)特点鲜明：真实感很强；平台成本极低，工位可以无限扩展；完全面向行业、对接产业；具备多种机型可扩展性；实用性强，适用人群广.

[1] 李治琴.直驱永磁同步风力发电机变桨控制仿真研究[D].西南大学硕士学位论文,2009.

[2] 熊海洋.基于FAST软件的大型风力发电机组系统建模与控制研究[D].重庆大学硕士学位论文,2014.

[3] 吴 攀.风力发电系统仿真及实验室应用[D].太原理工大学硕士学位论文,2014.

[4] 郑存家.风力机控制状态和过程的仿真模拟研究及软件开发[D].汕头大学硕士学位论文,2006.

[5] 章君达,崔 巍.兆瓦级直驱永磁风力发电机设计与动态仿真[J].微特电机,2014,42(6):28-30.

[6] 田亚平,刘绍杰,康军凤.兆瓦级风力发电机变桨距液压控制系统的设计和建模仿真[J].沈阳理工大学学报,2006,25(5):69-73.

[7] 杨德志,罗德荣,白雪峰,等.直驱式风力发电系统模拟试验平台的研究[J].实验技术与管理,2010,27(11):318-321.

Development of 3D Simulation Training Equipment for MW Direct-driven Wind Power Generation

SHI Qiong

(Hunan Electrical College of Technology， Xiangtan 411101, China)

For students and enterprises, a 3D simulation training equipment of MW direct-driven wind power generation is designed based on the enterprise 2MW direct-driven wind power generation. The design ideas, overall structure and key technology are described. The equipment by combining software with hardware, which has some functions as the wind turbine installation, commissioning, maintenance, operation and monitoring, can provide a good platform for practice teaching of students, enterprise staff training, commissioning staff pre commissioning procedures and engineering.

direct-driven wind power generation; 3D simulation; training device; program debugging

2016-10-12

湖南省教育厅科研资助项目(15C0306)；湖南省重点项目“风电技术示范特色专业群”(Z).

石 琼(1982-)，男，讲师，研究方向：新能源、智能系统.

TM614

A

1671-119X(2017)01-0032-05