专利名称：基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电领域，具体涉及到一种基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台。
背景技术：
随着风电产业在世界范围内的飞速发展，为降低风力发电成本、提高风能利用效率，风电机组的容量越来越大，这对风电机组的设计制造、控制系统设计以及风电相关设备提出了更高的要求，相关课题的研究也不断增多。在研发过程中，传统的实物测试调试尽管是很必要，然而，在风电机组相关技术的开发过程尤其是大型风电机组，风电场现场调试受 到了极大的限制风电场气象条件的不定性、高昂的风电场测试费用、大量的人力资源耗费以及调试的极不方便都极大的制约了风电技术的开发调试。正因为风电设备研发过程中风电场实验调试的困难，因此在实验室条件下对风力发电技术进行仿真研究成为研究风力发电技术的重要手段。由于半实物仿真技术具有实时性、真实性、研究效果好等优点，而dSPACE能够与MATLAB/simulink进行无缝连接，可作为控制原型和硬件在回路仿真模型，因此在实验室条件下设计并搭建一套风基于dSPACE的风力发电半实物仿真平台以供风力发电技术开发与研究，并在此平台上对风机主控系统进行理论研究与分析探讨很有必要性。
发明内容
为解决以上现有技术的不足，本发明提供一种基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台。本发明的目的通过以下技术方案来实现基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统，所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。进一步，其特征在于，所述外部信号模拟部分包括工控机和第一 dSPACE模块，所述工控机用来设置和显示环境参数，所述第一 dSPACE模块根据工控机设置的环境参数，实时计算出发电机轴向力矩、偏航负载力矩、变桨负载力矩、电网变化数据。进一步，所述电机对拖平台包括第一变频器、原动机、转动惯量模拟单元、异步电机和第二变频器，所述转动惯量模拟单元包括飞轮，该飞轮同轴设置有转速转矩传感器，所述第一变频器和异步电机作为原动机模拟风轮，通过飞轮与模拟发电机另一台变频器和异步电机相连，飞轮的转动惯量可以改变，用来模拟不同的风轮。进一步，所述网侧变流器及电网模拟部分主要包括用来模拟电网电压跌落对风力发电机组的影响以及风力发电机输出功率的波动对电力系统的影响的第二 dSPACE模块。进一步，所述偏航系统包括偏航电机，偏航角度计数器，扭揽传感器。
进一步，所述变桨系统包括直流伺服驱动器、充电机、超级电容、开关电源、PLC和相应的传感器。进一步，所述主控系统使用I. 5MW机组主控柜，主控柜中配备有主控PLC，显示屏和设置键盘，以及机组中必需的接触器、空气开关，主控系统通过CANOPEN与模拟风力发电机组部分中的各个子系统相连。本发明的优点 在于该实验平台能够准确模拟环境、电网的变化、风轮机输出特性、变流和控制系统及偏航、变桨等其它关键零部件模型，可以模拟风力发电机组在不同环境和条件下的运行情况；同时实验平台可以实现对运行中的机组动静态性能的计算与仿真；能够对机组的运行情况做出评估，为提高风电系统的效率，稳定性以及可靠性的理论研究工作提供有力的支撑。
图I为风电机组整机控制半实物仿真平台结构示意图；图2为电机对托平台结构示意图；图3为偏航系统结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对和具体实施例对本发明进行详细的阐述。图I表示风电机组整机控制半实物仿真平台结构示意图。该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统。所述外部信号模拟部分包括工控机I和dSPACE模块2，所述工控机I有参数设置显示界面，包括风速、风向设置，环境温度设置、电网电压、频率设置，通过工控机设置并模拟机组内部分传感器信号，如振动信号、关键温度信号、闸片位置及磨损信号等，各种参数可以实时设置、改变，或按照事先设定的函数来产生，用来模拟环境的变化、以及某个故障的发生；dSPACE模块2根据工控机设置的环境参数，实时计算出发电机轴向力矩、偏航负载力矩、变桨负载力矩、电网变化等数据，并通过环境控制总线传递到各个相关的模拟部分，完成对环境变化的模拟。 所述电机对拖平台部分包括第一变频器3、原动机4、转动惯量模拟5、异步电机6、第二变频器7组成，其中所述转动惯量模拟单元包括飞轮，该飞轮同轴设置有转速转矩传感器，详细结构可见图2。变频器3和原动机4模拟风轮，通过飞轮12与模拟发电机变频器7和异步电机6相连，飞轮的转动惯量可以改变，用来模拟不同的风轮，飞轮的连轴器上装有转速转矩传感器。可以用一台ABB变频器根据传动轴转速控制拖动异步电机(额定功率2. 2kW)的输出转矩，来完成模拟风轮转矩输出的目的。用另一台高性能变频器控制另一台异步电机(额定功率2. 2kff)模拟真实发电机。发电机变频器不接电网，而是将直流输出接入模拟风轮变频器的直流环节当中。对拖平台上安装有飞轮以及转速转矩传感器，直流环节中安装有电压电流传感器。利用模拟发电机的变频器和异步电机观察功率输出情况，可研究最大风能跟踪方法以及发电机的控制方法对整机工作情况以及对系统的影响；作为发电机的异步电机可替换为双馈电机或永磁同步电机，用来研究针对不同电机的控制方法。所述外部信号模 拟部分和电机对拖平台部分能够对风速进行模拟，模拟气流的特性，产生与实际情况相符和风速，风向发生序列；能进行风轮转矩计算，依据实时风速、风向信号以及电机当前转速计算模拟的风轮驱动转矩数值；能进行转动惯量模拟，在被模拟的风轮加减速时，能体现出转动惯量对输出转矩的影响，并可以通过控制算法实现转动惯量部分虚拟实现，使仿真平台在一个较小的转动惯量下完成风轮模拟；能进行动态负荷计算，依据实时风速、风向信号，计算模拟的偏航、变桨装置叶片动态负载力矩信号。同时能够监测对拖平台的转矩、转速，拖动电机输入电压、电流，发电机输出电压、电流、频率，直流环节的电压、电流等信号；向相关总线发送相应参数；实现环境情况启动、复位、停止等功能。所述网侧变流器及电网模拟部分主要为dSPACE模块8，该dSPACE模块8利用电网模拟装置来评估电网电压跌落对风力发电机组的影响以及风力发电机输出功率的波动对电力系统的影响，并且通过该平台研究如何减小二者之间的相互影响。主要模拟电网侧变流器运行，测量直流电压、电流信号，根据主控指令模拟真实风电变流器控制性能；模拟电网频率信号、有功无功信号、模拟网侧变流器三项电压及电流信号、模拟产生电网报警信号。测量直流电压、电流信号、电机输出电压、电流、频率等信号，向发电机逆变器发出相关控制信号；接收主控从总线上发出的变流器控制信号设定值，接收主控从总线上发出的变流器无功设定值信号；向总线发出电网监测信号、发电机转速信号、转矩信号、变流器直流电压信号、变流器直流电流信号、模拟网侧的三相电压及电流信号、有功功率、无功功率、模拟产生各组件温度信号、模拟产生故障信号；与按钮连接，通过按钮可以控制产生各项报警信号。所述偏航及变桨系统将采用真实的偏航及变桨装置实现。所述偏航系统9由一部偏航电机，偏航角度计数器，扭揽传感器组成，并且使用一部磁粉制动器来模拟偏航时的阻力，偏航系统结构示意图如图3所示，偏航角度计数器可以采用位置编码器实现，扭揽传感器可以采用磁粉制动器实现。偏航系统能够按照主控系统的指令对模拟的风向变化作出响应，通过主控柜中的显示面板显示对风的情况，并且具备模拟扭揽以及解缆的功能。所述偏航系统通过偏航驱动器的232接口转换为CANOPEN接口后与控制总线实现通讯，通过接收主控发出的偏航动作命令，实现偏航正转、反转及解缆动作，并将偏航装置的实时检测状态反馈给主控PLC。所述变桨系统10由直流伺服驱动器、充电机、超级电容、开关电源、PLC和相应的传感器组成，并且使用磁粉制动器来模拟变桨时的叶片负荷；利用变桨系统可以对变桨控制策略、控制参数进行评估，并且能够对变桨速度、变桨误差对最大风能捕获、整机运行情况以及传动环节转矩冲击情况进行分析。所述变桨系统通过变桨装置连接器的CANOPEN总线接口实现与主控系统通讯，通过接收主控系统发出变桨命令信号实现桨距角度的调节，同时将变桨装置的实时状态反馈给主控PLC。所述主控系统11使用I. 5MW机组主控柜，主控柜中配备有主控PLC，显示屏和设置键盘，以及机组中必需的接触器、空气开关等设备；主控系统通过CANOPEN与模拟风力发电机组部分中的各个子系统相连，按照风电机组的真实工作情况以及控制流程设置机组运行参数，获取各个传感器的信号，记录机组运行参数，控制机组各部分协调运行。
主控系统可以实现如下功能I)启动控制在风电机组启动过程中，为了实现最快的动态特性并且保证柔性并网，必须在启动的过程中动态调整桨距角度，保证叶片始终获得的驱动力矩最大，以最快的速度加速到最佳叶尖速比附近。启动控制主要是依据风轮模型和实时风速情况动态调节桨距角变化，平稳快速的实现产能并网。2)最大功率追踪控制在风电机组低于额定风速产能的情况下，为了保证风电机组尽量多的捕获风能，就必须要保证风电机组始终运行在最佳叶尖速比附近。最大功率追踪控制主要是根据估算出的等效风速，在低于额定风速的情况下，动态调整变流器转速设定值，保证风轮转速始终保持在最佳叶尖速比附近。3)恒功率输出控制在风电机组高于额定风速产能的情况下，为了保证风电机组发电容量能保持在额定功率附近，避免因为发电功率过大烧毁变流器，必须通过变桨来减少风能吸收，由于变桨动作速率相对较慢，单纯的依靠变桨调节并不能获取十分满意的动态调节效果，必须同时控制风轮转速保证系统功率稳定。恒功率输出控制主要是依据估算的等效风速，在高于额定风速低于截止风速的情况下，同时控制风轮转速和桨距角度，保证系统产能在额定功率下稳定输出。4)偏航解缆控制依据风向信号，通过控制偏航电机正转反转调整风电机组对风方向，保证风电机组始终正对风向。同时模拟当风电机组向同一方向连续偏航超过一定圈数后，为了避免扭断电缆，进行的停机解缆操作。5)控制状态转移依据风速信号，实时控制风力发电机组控制状态，使系统整体控制流程可以在停机、待机、启动、产能等状态实现连续平滑切换。以下介绍风电机组整机控制半实物仿真平台各部分进行模拟风电机组的实现过程。环境模拟包括风速、风向发生；风轮转矩、转动惯量模拟；电网情况模拟以及偏航、变桨动态负载模拟。风速、风向发生利用MATLAB中的函数，实现与实际情况吻合的风速风向发生序列；或者按预先设定好的变化风速风向发生。风轮转矩，转动惯量模拟利用dSPACE计算给定风轮在当前风况以及机组工况下，风轮的输出转矩；通过测量发电机的负载转矩以及计算出的风轮的输出转矩，根据真实系统的加速度，模拟出在转动惯量的影响下，风轮机的实际输出转矩与功率。电网情况模拟利用MATLAB对电网侧变流器以及电网进行建模，并利用dSPACE计算机组并网运行对电网参数的影响，以及电网参数变化对机组运行的影响。动态负载模拟利用dSPACE计算当前风况下变桨及偏航时的负载力矩，并对仿真装置发出模拟力矩控制信号。对拖平台设计计算、
对拖平台的功能是模拟I. 5MW风力发电机组动态特性。设计遵循等比例缩放的原贝1J，采用2台2. 2kw异步电动机对拖模拟实现。已知风力机输出功率Pw与风速Vw，风轮转速Ww，风轮半径Rw的关系如I. I式所示。Pw=^PftRxXX( I- I )遵循等比例缩放的原则，将原有风力机I. 5丽等效为1100W，由式I. 2得到等效后的风力机半径Rs = 0. 9m (相关参数由表I. I中查到)。
权利要求
1.基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统，所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。
2.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，所述外部信号模拟部分包括工控机和第一 dSPACE模块，所述工控机用来设置和显示环境参数，所述第一 dSPACE模块根据工控机设置的环境参数，实时计算出发电机轴向力矩、偏航负载力矩、变桨负载力矩、电网变化数据。
3.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，所述电机对拖平台包括第一变频器、原动机、转动惯量模拟单元、异步电机和第二变频器，所述转动惯量模拟单元包括飞轮，该飞轮同轴设置有转速转矩传感器，所述第一变频器和异步电机作为原动机模拟风轮，通过飞轮与模拟发电机另一台变频器和异步电机相连，飞轮的转动惯量可以改变，用来模拟不同的风轮。
4.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，所述网侧变流器及电网模拟部分主要包括用来模拟电网电压跌落对风力发电机组的影响以及风力发电机输出功率的波动对电力系统的影响的第二 dSPACE模块。
5.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，所述偏航系统包括偏航电机，偏航角度计数器，扭揽传感器。
6.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于，所述变桨系统包括直流伺服驱动器、充电机、超级电容、开关电源、PLC和相应的传感器。
7.根据权利要求I所述的基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，其特征在于所述主控系统使用I. 5MW机组主控柜，主控柜中配备有主控PLC，显示屏和设置键盘，以及机组中必需的接触器、空气开关，主控系统通过CANOPEN与模拟风力发电机组部分中的各个子系统相连。
全文摘要
本发明涉及基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统，所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。该实验平台能够准确模拟环境、电网的变化、风轮机输出特性、变流和控制系统及偏航、变桨等其它关键零部件模型，可以模拟风力发电机组在不同环境和条件下的运行情况。
文档编号G05B17/02GK102749853SQ20121024084
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者刘京斗, 童亦斌, 谢桦 申请人:北京交通大学