风机变桨控制系统虚拟仿真实验教学研究

唐 影，张春富，陈 健

（盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城 224000）

0 引言

随着新能源并网技术的发展和产业制造成本的下降，风电已逐渐发展成为一种成熟的可再生能源［1］。据统计，2019 年1-6 月，我国风电新增容量达9 000MW，其中海上风电达400MW。截至目前，我国风电累计并网容量已近2 亿kW，位居世界第一，风电作为新能源发电主力军发展前景良好［2-3］。变桨距系统能够实时调节风轮从风中捕获的能量大小，从而使风机获取最大能量，同时能减少风力对整个风电机组的冲击，是风电机组最为关键的控制装置［4-5］，已成为风力发电技术发展趋势。变桨距系统广泛用于单机容量大于1MW 的风电机组中，目前我国单个风电机组容量均朝着大容量方向发展，海上风电机组已向单机容量10MW 迈进［6］，因此变桨距技术必将应用广泛，其研究与教学具有一定的实际意义。

本科阶段实验课程应把培养更多高专业素养人才作为教学目标［7］。风电机组变桨距控制系统的控制策略较为复杂，理论教学授课效果一般，实践授课一定程度上能够帮助学生了解风电场运行方式，但学习内容简单肤浅，无法深入对风电机组变桨距控制系统的结构组成、运行特性、控制策略等核心内容进行深入学习，同时普通实验教学因实验仪器本身问题很难达到教学效果。因此，研究适合风电机组变桨距技术实验教学的新手段、新方式具有重要意义。

风机控制及虚拟仿真实验研究有：张崇文等［8］基于ANSYS 进行风机叶片建模与仿真实验研究，研究成果可为风机叶片的安装与优化提供参考；张建良等［9］进行双馈感应风机虚拟惯量控制器设计及仿真实验研究，利用电力系统仿真软件PowerFactory 搭建系统仿真平台，实现虚拟惯量控制器应用；刘小花等［10］开展虚拟仿真技术在电子类课程教学中应用研究，指出应用虚拟仿真实验教学是提高教学效果的必备途径之一。但是目前对风机变桨控制虚拟仿真实验系统的应用研究还鲜有报道。

本文结合风电实验教学实际需要，在现有风机控制策略研究基础上推出一套适合风电实验教学的风机变桨控制虚拟仿真实验系统，有效弥补了理论教学、实践教学及普通实验教学的不足，取得了很好的教学效果。

1 风机变桨虚拟仿真系统教学必要性分析

1.1 传统实验教学局限性

风电机组运行实验旨在帮助学生了解风电机组运行特性、控制策略，加深对理论知识的领会，是新能源学科教学的重要形式。传统的实验教学因设备昂贵、易损坏、实验平台集成度高等原因，在实际教学中很难达到教学目的［11］。

（1）实验设备昂贵。风电机组运行实验是一种高投入实验，很多高校因为经费问题难以购置足量的实验平台，实验中3～4 人共用一套实验平台较为常见，难以保证每个学生都动手操作。同时，实验设备更新换代较快，及时更换新仪器设备将造成老设备利用率不足、经费使用超限，不更换新设备又难以开展先进技术、先进理论教学。

（2）设备易损坏。实验设备因频繁操作或不当使用部件极易损坏，维修、调试过程复杂，耗费较大的人力成本及时间，对后续教学造成不同程度的影响。

（3）平台集成度高。以系统能源并网实验平台为例，平台使用高集成化实验设备，学生只需输入相应的参数即可得到相应结果，接触不到实验设备核心部件，不能参与实验核心流程。风电机组变桨是通过风轮机械电气联动实现的，过程及控制策略复杂，传统实验方式导致学生不能充分了解及掌握变桨原理及控制策略。

1.2 风机变桨虚拟仿真实验教学优势

虚拟仿真实验系统是一种较新的实验形式，它具有不受时间、空间限制，实施机动灵活、实验过程可视化等优点，能够有效解决传统实验设备数量不足、设备易损坏等问题。目前，虚拟仿真系统实验教学得到较好应用，特别是在医学教育、物理学及化学实验教学等领域中［12］。教育部2013 年《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》提出要分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，国家已经把虚拟仿真教学纳入教学重点［13］。

风机变桨原理、控制策略较为复杂［14］，学生从理论教学及普通实验中很难掌握风机变桨的核心知识点。同时，风机变桨是在风轮箱内实现的，普通实验不能直观全面展示。通过搭建三维立体可视化风机变桨虚拟仿真系统，学生可直观学习到风机变桨过程及动作原理，在实验过程中能够模拟多种运行方式，创设运行情景，引发学生深入思考，对全面培养学生能力具有重要作用。

2 风机变桨控制虚拟仿真系统搭建

为得到较好的实验教学效果，本文基于互联网、物联网技术搭建了三维可视化风机变桨虚拟控制仿真系统，系统高效、便捷，能准确实现风机变桨全过程可视化。平台可实现远程编程控制，通过智能网关、云服务器构建虚拟局域网环境并接入互联网，在远程控制端实现对设备的远程监控。

2.1 三维可视化模块搭建

风机变桨系统三维可视化模块具有实时显示风电机组变桨全过程功能，能够进行风速、风向等参数设置，实时实现风电机组的变桨角度和偏航角度，三维可视化界面如图1 所示。

Fig.1 Three-dimensional visualization interface of simulation system图1 仿真系统三维可视化界面

点击三维可视化界面动作演示按钮，能显示风电机组的运行动画。界面切换可查看风电机组变桨过程中风轮箱内各变桨机构运动情况，变桨机构三维动画如图2 所示。继续进行界面切换，可实时查看变桨齿轮箱动作情况。

风速调节系统能设置一段时间的风速曲线，设置界面如图3 所示。仿真系统具有多界面同时显示功能，学生可在实验过程中实现多状态同时查看，即实现调节风速参数、实时查看三维动画、实时查看实验数据变化等功能。

2.2 教学功能组成

风机变桨虚拟仿真实验系统设置学习模块、训练模块、考核模块，在教学各阶段都能得到有效应用。学习模块提供风电机组变桨的基本理论知识，包括变桨运动原理、气动原理、变桨分类及应用等，帮助学生掌握实验所需的基本理论知识，该模块可进行简单的实验操作，了解风电机组变桨基本过程；训练模块包含变桨系统控制实验和变桨系统编程实验两部分，是学生实验课的主要内容；考核模块用于实验课程的考核工作。此外，该仿真系统还配置其它常用的教学功能。图4 为仿真系统考核界面。

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Fig.2 Three-dimensional animation of pitch mechanism图2 变桨机构三维动画

Fig.3 Wind speed setting interface图3 风速设置界面

Fig.4 Overview and assessment interface of simulation system function modules图4 仿真系统功能模块总览及考核界面

2.3 风机变桨控制仿真系统实验教学应用

变桨控制实验分为维护模式手动变桨实验、运行模式自动变桨实验和顺桨实验3 部分，下面以手动变桨实验为例阐述风机变桨虚拟仿真控制系统应用。

2.3.1 实验过程

在现场调试过程中，需要根据风机自动运行模式下的变桨特征，在维护模式下进行手动变桨测试，检验变桨系统控制功能是否正确，检测变桨电机、编码器、限位开关等零部件功能是否正常。

（1）风机启动过程开桨调试。目的是检测机组开桨功能是否正常。5MW 机组开桨速度为5°/s，调试过程分为以下两个阶段：

第一阶段是测试机组从启动至并网前处于迎风状态的变桨过程。在变桨调试界面选择叶片1，设定变桨速度为5°/s，设定变桨角度为30°，点击手动变桨按钮，使叶片从90°位置开桨至30°位置。

第二阶段是测试机组从迎风状态至并网状态的变桨过程。继续设定叶片1 的变桨速度为5°/s，变桨角度为0°，点击手动变桨按钮，使叶片从30°位置变桨至0°位置。以相同方法测试叶片2 和叶片3。

实验通过“变桨调试界面”实时数据监控或实时曲线监控，观察变桨方向及变桨角度反馈值、变桨速度反馈值等参数变化，判断变桨机构是否正常。

（2）风机停机过程顺桨调试。目的是检测风机在不同停机模式下顺桨功能是否正常。风机顺桨分为3 种模式，在每种状态下分别进行实验，通过“变桨调试界面”中实时数据监控或实时曲线监控，观察3 种变桨模式下变桨方向及变桨角度反馈值、变桨速度反馈值等参数变化，判断变桨机构运行是否正常。

变桨调试操作界面如图5 所示，在此界面中可进行变桨角度、速度等参数设置。

Fig.5 Parameter settings of pitch debugging operation interface图5 变桨调试操作界面参数设置

2.3.2 实验数据跟踪

实验参数设置后进行变桨实验时，可实时跟踪风机变桨情况，实时查看风机变桨角度、速度的反馈值曲线，并与设定值进行比较，监控风机运行情况。通过监控界面下方的“开启摄像头”按钮可观看风机变桨的三维动画。仿真系统监控界面如图6 所示。

Fig.6 Monitoring interface of simulation system图6 仿真系统监控界面

2.3.3 历史数据查询功能

虚拟控制系统配置了数据保存、查询功能，所有实验数据都可根据时间进行查询，历史数据有利于实验报告的撰写与分析，同时便于教师在教学中对学生实验过程进行考核，避免了传统实验只注重结果的不足。历史数据监控界面如图7 所示。

Fig.7 Data query interface of simulation system图7 仿真系统数据查询界面

3 虚拟仿真系统教学应用效果

为检验风机变桨控制虚拟仿真系统实验教学效果，2019 年春季学期在风电机组变桨实验课程中，以电气工程学院参加风电基础实验课的某年级4 个班122 名学生为对象进行系统评测。评测按班级进行分组，1 班、3 班的学生按虚拟仿真系统学习，称为“实验组”，2 班、4 班学生选择传统新能源并网实验平台装置授课，称为“普通组”。2019 年6 月课程结束后对学习情况进行考核，考核分为理论考试和实操考核两部分，理论主要考核风电机组变桨原理、发展概况、控制策略分析等方面，实操考核实验过程的规范性、结果的正确性。表1 为实验组与普通组学生的课程学习成绩。

Table 1 Academic achievements of students in experimental group and general group表1 实验组与普通组学生课程学习成绩

由表1 可知，实验组平均成绩为88.09 分，普通组平均成绩为82.92 分，两者相差5.17 分。从成绩数据可以看出，运用虚拟仿真实验的学生实验结果准确率更高，同时理论成绩高出普通组学生6.23%，说明虚拟仿真实验能够加深学生对风电机组变桨理论的理解。

考评组还对利用虚拟仿真系统学习的61 名学生进行问卷调查，调查结果显示，超80%的学生对虚拟仿真系统表示认同，认为其是一种较好的实验形式，见表2。但系统界面设置等还存在不足，需要继续加以完善。

Table 2 Analysis of questionnaire survey results表2 问卷调查结果分析

4 结语

本文探究了风电机组变桨控制虚拟仿真系统在实验教学中的应用，分析了传统实验的局限性和推进现代虚拟仿真技术的必要性，搭建了基于物联网、互联网的风电变桨控制虚拟仿真平台并应用于实际教学，取得了较好效果。

（1）风电产业发展良好，风机变桨技术已成为风机发展的基本趋势，加快培养懂风机运行、变桨控制的高素质人才迫在眉睫。传统实验因设备昂贵、易损坏、实验平台集成度高等局限，很难满足人才培养需要，在本科教学中推进风机变桨控制虚拟仿真实验具有一定实际意义。

（2）本文搭建了一套风机变桨控制虚拟仿真实验系统，能够实现风机变桨全过程三维可视化，在远程控端对设备进行远程监控，同时配置学习、训练、考核等模块，还可对变桨控制进行手动实验演示。

（3）在实际教学中对虚拟实验仿真教学系统进行了效果检验，结果显示运用虚拟仿真实验的学生课程成绩高出传统实验教学的6.23%，说明虚拟仿真实验能够加深学生对风电机组变桨理论的理解和知识点的融会贯通。相对于传统实验，学生更容易接受虚拟仿真实验系统。

本文研究工作还存在不足，后续将加强对风电机组变桨控制实验方式的研究与探索，以培养适合企业需求的优秀人才。