风电机组主控测试系统研究

郑卫红，王艳领，李贺来，陈亮亮，李晨

（许昌许继风电科技有限公司河南许昌461000）

风力发电机组[1]主控系统[2]是风电机组的核心控制单元，协调控制变流系统和变桨系统，通过转矩控制、桨距控制来实现风电机组最大功率跟踪和恒功率运行，也用于执行风电机组的故障检测与安全保护[3]，风机主控系统的产品质量和性能优劣直接影响风电机组的发电效率和使用寿命，因此，为了保障风机主控系统的产品质量，在厂内就对其进行全面的运行测试，防止问题流出，就显得尤为重要。

本文所述的风电机组主控测试系统是针对大型风机主控系统的室内试验进行的开发设计，主控系统实物是被检测对象。在主控系统设计开发的过程中，遇到的最大难题是无法模拟真实的现场风况、无法测试核心控制算法、无法准确分析工况对风电机组运行的影响，风机主控测试系统[4]可以同时高逼真度仿真实际的风况、传动链、发电机、变流器、变桨系统、电网等，使风机主控系统在实验室就能满足在风场做试验所需的一切必要条件。

1　主控系统构成

以常规2.0MW风电机组主控系统为例，主控系统主要包含塔基柜和机舱柜，塔基柜安装于风机塔筒底部一级平台上，机舱柜安装于风机机舱内部，塔基柜和机舱柜之间通过光纤实现通信连接，机舱柜通过现场总线（例如CAN总线）和风机轮毂内的变桨控制系统[5]进行通信连接，塔基柜通过现场总线和变频系统进行通信连接。

风机主控系统主要有PLC（可编程控制器）、通信网络、安全保护、辅助部件控制、信号采集、防雷及过流保护等部件及相关回路组成。主控系统与外围设备关系示意图如图1所示。

图1　主控系统与外围设备关系示意图

PLC（可编程控制器）是风机主控系统的核心控制部件，集各项通信、控制、信号采集等功能于一体，由PLC中央控制器及其它功能扩展模块组成，用于实现风电机组正常运行控制、机组的安全保护、故障检测及处理、运行参数的设计、数据记录显示及人工操作，配备有多种通信接口，能够实现就地通信和远程通信。主控系统主要功能分类如图2所示。

图2　主控系统主要功能分类

风电机组运行中，不同阶段采用不同的最优控制策略。当风速低于额定风速时，通过转矩控制使机组尽可能保持在最佳的叶尖速比[6]，跟踪最优Cp，以最大化吸收风能。随着风速逐步增大，当达到额定风速以上后，风电机组转速、功率达到设计的额定值，风电机组通过变桨控制来限值功率的输出，确保风电机组的转速维持在额定转速，并输出恒定的额定功率[7]。

2　主控测试系统整体设计

新开发的风力发电机组控制系统产品尤其是主控系统必须经过全面的工况测试，从而验证主控系统的控制逻辑、核心控制算法等技术内容是否能有效降低机组载荷、提高机组发电量等[8]。

如下表1所示几种主控系统测试方案，可以看到这几种控制系统测试方案功能都比较片面，不能满足全面的测试需求。

表1　传统的主控系统测试方案

基于上述测试方案，总结出最佳的主控系统测试方案应该全面涉及到载荷、响应、算法、状态等重要内容的检测[9]，把这些测试内容有机融合到控制系统的测试中。基于此，研究和实现了风机主控测试系统，有效的解决了在风机主控系统开发的过程中遇到的无法模拟真实的风况对主控系统核心控制算法进行全面的详细的测试、无法准确分析工况对机组运行的影响等难题。主控测试系统架构图如图3所示。

风机主控测试系统可以同时高逼真度仿真实际的风况、传动链、发电机、变流器、变桨系统、电网等系统的工作状态，输出真实的温度、压力、编码器、塔架振动、开关量等信号，使主控系统在实验室就能满足在风场做试验所需的一切必要条件，如同在实验室就拥有一台运行的风力发电机，可全面测试控制系统软硬件性能和功能。

风机主控测试系统物理连接示意图如图4所示。

图3　风机主控测试系统架构图

图4　主控测试系统物理连接示意图

风电机组主控测试系统由物理实物（系统硬件）、仿真及逻辑控制程序（系统软件）和被测对象（主控系统）有机结合组成。系统硬件主要由控制单元（PLC控制器及相关辅助部件）、信号模拟装置（主要包括风速信号、风向信号、温度信号、脉冲信号及其它数字量和模拟量信号等）、上位机（电脑工作站：用于操作界面的显示和仿真模型的建立）、各种通信网络等组成；系统软件主要由仿真模型和逻辑控制模块组成。

3　测试系统工作过程

3.1　Bladed软件仿真

仿真试验系统的核心是GH公司的Bladed软件，Bladed软件相当于一个风力发电机组，通过在仿真计算机（电脑工作站）中运行的Bladed软件，仿真试验系统建立风模型输出模拟风速和风向[10]；建立风机传动链仿真模型输出发电机和风轮转速[11]；建立电网模型输出有功和无功功率[12]；仿真计算机通过以太网将上面的数据传输给仿真系统PLC，仿真系统PLC把数据通过AO通道、485通信传给风机主控系统。如图5所示为仿真实验Bladed模型。

图5　主控测试系统Bladed模型结构示意图

3.2　数字量和模拟量仿真

主控测试系统的主要作用是给主控系统运行提供必要信号和命令，Bladed软件提供了风机运行的基本工况和仿真模型，仿真试验柜模拟各种数字信号、脉冲信号和温度、压力等模拟量信号，测试人员通过专用测试软件修改数字信号、脉冲信号和模拟信号（温度、压力等）的值，专用测试软件通过以太网将修改后的数值传输给仿真系统PLC，仿真系统PLC由DO、AO、温度信号模拟器、脉冲信号发生器输出真实的信号传输给主控系统。通过这种方式仿真试验系统可以满足主控系统运行所需要的DI、AI和AT等输入数据。

3.3　仿真变桨系统、变流系统

测试系统中的Bladed软件可以实时模拟变桨系统、变流系统。主控系统通过CANopen通信协议与测试系统PLC进行数据交互。测试系统PLC通过以太网与Bladed软件进行数据交互。Bladed软件模拟风机实时运行，产生必要的信号输出至主控系统，并接受主控的控制命令完成仿真运行测试过程。

4　仿真模型设计

风机主控仿真试验系统建模设计[13]图如图6所示。

模型建模主要是为桨距控制器和转矩控制器建模和传动链仿真服务[14]。桨距控制器和转矩控制器在设计时和风模型有关的因素主要是：控制器在风速快速变化时的响应速度、控制器在风速交替变化时控制器转速的平稳性、机组安全控制、结合具体项目特性设计控制器参数[15]。基于上述原因和简化建模模型（对整个风电机组模型进行简化，传动系统和发电机由简化为刚性模型来代替），建模时忽略在风轮不同点风速的差异，考虑阵风、湍流[16]、塔影效应和旋转涡流的影响。

图6　仿真测试系统建模设计图

5　测试项目及测试结果

如表2所示为主控测试系统的主要测试项目。

表2　主控测试系统的主要测试项目

其中，以不同工况载荷性能测试项目为例进行说明。不同工况载荷性能测试主要验证在不同工况情况下发电机转速和发电机功率是否满足要求，是否能长期无故障带载运行。仿真测试结果如图7所示，实际运行波形如图8所示。

图7　仿真测试结果

图8　实际运行波形

根据以上仿真试验结果，可以观察和分析风机在不同工况情况下运行时的主控系统控制能力。

6　结 论

风机主控测试系统全面服务于风力发电机组主控系统的开发、测试与产品优化等工作，可以全面测试主控系统。

应用风电主控测试系统贯穿整个研发、测试及运行过程的优势：

1）再现在风场发现的问题，从而可以在实验室解决现场问题，降低风险；

2）全面测试软硬件功能，核心控制算法等，确保设计的合理性；

3）在工厂即可完成产品升级；

4）研发周期缩短30%。

参考文献：